Файл: История развития средств вычислительной техники ( Домеханический период).pdf

Великий русский ученый Михаил Ломоносов сказал: «Народ, не знающий своего прошлого, не имеет будущего». В отношении вычислительной техники это выражение не совсем актуально, но тем не менее знать историю вычислительной техники, которая так плотно вошла в нашу повседневную жизнь, полезно для общего развития, а знание отечественных достижений
в вычислительной технике одновременно воспитывает чувство патриотизма. Ведь мало кто знает, что вся современная вычислительная техника появилась благодаря Михаилу Александровичу Бонч-Бруевичу из Нижегородского университета, который в 1918 году изобрел триггер, благодаря чему спустя годы появились первые программируемые вычислительные машины – прародители современных электронных вычислительных машин.

Однако также не стоит забывать, что вычислительная техника
в современном понимании появилась совсем недавно в истории человечества. При этом в том или ином виде вычислительная техника сопровождала человека с древнейших времен, с тех самых пор как человек научился считать.

Если отследить путь вычислительной техники на полотне истории человечества, то можно выделить основные этапы её развития:

1. Домеханический;

2. Механический;

3. Электромеханический;

4. Электронный

1. Домеханический период

1.1 Примитивные средства

С появлением современного человека – кроманьонца, счет стал сопровождать человека постоянно. Начали появляться поселения, хозяйства. Для того чтобы охотники могли оценить целесообразность охоты в том или ином районе требовалось подсчитать сколько ртов кормить, сколько стоит зверей убить. И первыми приспособлениями для счета выступали пальцы человека. Пальцы рук и ног позволяли считать до 20, чего было на том этапе развития человека вполне достаточно.

Со временем объемы подсчетов начали расти, из-за чего пальцев человеку стало не хватать. Тогда он начал использовать подручные средства, такие как камни, ракушки, кости и прочие однообразные мелки предметы. Эти предметы человек складывал в пирамидки по десять штук. Но этот способ мог использоваться для описания количества в определенном месте, а что делать если требовалось информацию зафиксировать или передать на какое-либо расстояние? Для этих целей человек стал делать насечки на дереве или кости. Такой метод позволял достаточно долго время сохранять нужную числовую информацию и перемещать её в пространстве. В средние века метод насечек на дереве использовался, в частности, в налоговой системе и называлась «бирками».

1.2. Первые приспособления

С развитием торговых отношений и науки появилась необходимость производить математические вычислений. Появились первые вычислительные приспособления. Самым известным таким приспособлением стал абак, расчерченная на несколько полос и колонок доска. Это позволило вести счет с помощью однородных предметов значительно быстрее. Количество предметов в первой колонке соответствовало единицам, во второй – десяткам, в третьей – сотням и т.д. Данное приспособление получило довольно широкое распространение в мире. В том числе и в России, где был свой абак, получивший название «счет костьми», а со временем ставший просто счётами. В нем использовались косточки от слив, вишни и т.д. На рубеже XVI–XVII веков сформировались русские счеты, которые активно использовались вплоть до конца XX века. Только на рубеже XX-XXI веков русские счеты были полностью вытеснены электронными вычислительными средствами.

2. Механический период

В средние века с возросшими торговыми операциями и океаническим судоходством объемы вычислений резко возросли. Торговля требовала больших денежных расчетов, а судоходство – надежных навигационных таблиц.

Для прогнозирования приливов и отливов ученые наблюдали за луной и составляли громадные таблицы, где фиксировали изменения лунных положений, которые использовались для проверки правильности различных формул движения луны. Такая проверка опиралась на огромное число арифметических вычислений, требовавших терпения и аккуратности. Для облегчения и ускорения таких проверок стали разрабатываться вычислительные механизмы. Так появились первые суммирующие машины и арифмометры.

2.1. Суммирующая машина Б. Паскаля

Первую машину, которая могла считать сама, в 1642 г. создал французский учёный Блез Паскаль. В суммирующей машине Б. Паскаля использовался принцип работы абака, но поступательное перемещение костяшек было заменено вращательным движением оси. Таки образом суммирование чисел в его машине соответствовало суммированию пропорциональных им углов.

За время работы над своей машиной Б. Паскаль создал более 50 различных моделей, окончательный вариант появился в 1654 г.

Основные идеи Паскаля:

1. Представление чисел углом поворота счетной оси, каждому числе
от 0 до 9 соответствовал свой угол поворота;

2. Автоматический перенос десятков.

Основным недостатком суммирующей машины Паскаля заключался
в неудобстве выполнения на ней всех операций, за исключением сложения.

2.2. Счетная машина Г.В. Лейбница

Немецкий математик и физик Готфрид Вильгельм Лейбниц в 1673 г. создал «ступенчатый вычислитель» - счетную машину, позволяющую слагать, вычитать, умножать, делить и извлекать квадратный корень. Данная машина работала с 12-разрядными числами. К зубчатым колесам Лейбниц добавил ступенчатый валик, позволяющий выполнять умножение и деление.

В основе множительного устройства машины Лейбница лежит ступенчатый валик Лейбница. Он представляет собой цилиндр с зубцами разной длины, которые взаимодействуют со счетным колесом.

С некоторыми усовершенствования счетные машины Лейбница использовались вплоть до XX века.

2.3. Аналитическая машина Ч. Бэббиджа

В 1834 г. профессор Кембриджского университета Чарльз Бэббидж разработал аналитическую машину, принцип действия которой основывался на программировании с помощью перфокарт и ручном вводе данных. Это была механическая универсальная цифровая вычислительная машина с программным управлением. Но воплотить этот проект профессор Ч. Бэббидж не мог из-за недостаточного уровня развития технологий.

По своей архитектуре аналитическая машина была прототипом современных компьютеров, она включала в себя следующие основные устройства:

1. «склад» - устройство хранения информации (в современных компьютерах – запоминающее устройство);

2. «мельница» - устройство выполняющее арифметические операции над числами со «склада» (в современных компьютерах – арифметическое устройство);

3. Устройство, управляющее последовательностью действий над числами (в современных компьютерах – устройство управления);

4. Устройство ввода информации;

5. Устройство вывода информации.

Особенностью данной машины являлось то, что впервые был реализован принцип разделения информации на данные и команды.

2.4. Первый программист

Графиня Ада Лавлейс принимала активное участие в разработке аналитической машины Бэббиджа, именно ей принадлежит идея использования перфокарт для программирования вычислительных операций.

Кроме того Ада Лавлейс предложила использовать двоичное представление чисел в памяти устройства, изобрела циклы и подпрограммы. Данные принципы являются основой современных вычислительных машин.

В честь Ады Лавлейс назван язык программирования АДА.

3. Электромеханический период

Благодаря принципам заложенным в XIX веке и развитию технологий на рубеже XIX-XX веков произошел переход механических вычислительных машин к электромеханическим.

Успехи электроники и электротехники привели к созданию высокоскоростных счетных элементов. Но с переходом на электрическую схему счета появился новый фактор, влияющий на точность вычислений. Данный для обработки представлялись в десятеричной системе счисления, что вполне успешно реализовывалось в механический счетных машинах использованием зубчатого колеса, фиксировавшегося в каждом из его десяти рабочих положений. При переходе на электрические элементы потребовалась фиксирование десяти очень близких друг к другу значений тока и напряжения в цепи, что было не просто, так как из-за случайных колебаний напряжения в цепи становилось не всегда возможно различить рабочие значения.

Что бы избежать таких проблем, было принято решение уходить от десятеричной системы счисления к двоичной, так как чем меньше число возможных состояний, тем более устойчива сама система.

Двоичная система счисления обязана своему появлению Лейбницу. впервые описавшего основы метода, позволяющего свести мысль человека к совершенно точным формальным высказываниям, таким образом переводя логику «из словесного царства, полного неопределенностей, в царство математики», где отношения между объектами или высказываниями определяются совершенно точно.

Развитием идеи Лейбница занялся в 1847 г. английский математик Джордж Буль. В своих работах «Математический анализ логики» и «Исследование законов мышления» Буль описал своеобразную алгебру. Это была система обозначений и правил, применяемых к различным объектам, от чисел и букв до предложений. Пользуясь этой системой можно закодировать высказывания с помощью символов, а потом оперировать ими как обычными числами. Каждая величина может принимать одно из значений – ИСТИНА/ЛОЖЬ (ДА/НЕТ). Основные операции в булевой алгебре – И, ИЛИ и НЕ. Этих операций достаточно, чтобы проводить операции сложения, вычитания, умножения и деления, или выполнять сравнение значений.

В 1867 г. американский логик Чарльз Пирс продолжил развитие и модификацию булевской алгебры. Работая в данном направлении Пирс понял, что двоичная логика булевской алгебры отлично подходит для работы с переключаемыми электрическими системами. В последствии Пирс придумал простую электрическую логическую схему.

В электромеханических вычислительных машинах двоичный принцип реализовался с помощью электромагнитного реле – элемента, который мог находиться в одном из двух состояний и переходить между ними под воздействием внешнего электрического импульса.

Первый электромеханический счетно-аналитический комплекс был создан Г. Холлеритом в США в 1888 г.

3.1. Табулятор Холлерита.

Уже после смерти Ч. Бэббиджа один из принципов, лежащих в основе идеи аналитической машины, – использование перфокарт – нашел воплощение в действующем устройстве. Это был статистический табулятор, построенный американцем Германом Холлеритом для ускорения обработки результатов переписи населения, которая проводилась в США в 1890 г.

Первоначально Холлерит хотел применить в качестве носителя информации бумажную ленту с отверстиями – перфоленту. Но ленту приходилось часто перематывать, чтобы отыскать нужные данные. От этого она часто рвалась, а машина плохо работала. Кроме того, довольно часто, из-за высокой скорости движения ленты, информация не успевала считываться.

Вскоре Г. Холлерит собрал табулятор, основными устройствами которого были:

1. Вычислительный механизм, в котором использовались реле;

2. Перфоратор;

3. Сортировальная машина.

Карты табулятора Холлерита были размером в долларовую бумажку (168 × 83 мм). На каждой карте имелось 12 рядов, в каждом из которых можно было пробить по 20 отверстий. Эти позиции соответствовали таким данным, как возраст, пол, место рождения, количество детей, семейное положение и прочие сведения, включенные в вопросник переписи американского населения. Агенты, проводившие перепись, записывали ответы опрашиваемых в специальные формуляры. Заполненные формуляры отсылались в Вашингтон, где содержащуюся в них информацию переносили на карты путем перфорирования. Затем перфокарты загружали в специальные устройства, соединенные с табуляционной машиной, где они нанизывались на ряды тонких игл, по одной игле на каждую из 240 перфорируемых позиций на карте.

Когда игла попадала в отверстие, она замыкала контакт в соответствующей электрической цепи машины. Это приводило к тому, что счетчик, состоящий из вращающихся цилиндров, продвигался на одну позицию вперед. Это и есть электромеханический принцип действия.