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

В отличие от работ К. Цузе, которые велись с соблюдением секретности, разработка «Mark-1» проводилась открыто. О создании необычной по тем временам машины быстро узнали во многих странах мира. В качестве переключательных устройств в машине Г. Эйкена использовались электромеханические реле.

Программы обработки данных были записаны на перфоленты. Данные вводились в машину в виде десятичных чисел, закодированных на перфокартах фирмы IBM.

Машина «Mark-1» управлялась специальной программой. Программа задавалась на 24-дорожечной управляющей перфоленте, движущейся со скоростью 200 тактов в минуту. «Mark-1» мог обрабатывать числа длиной до 23 разрядов. За один такт выполнялась операция типа сложение, на что затрачивалось 0,3 секунды. Умножение и деление производились за несколько шагов. Это требовало 5–7 секунд на умножение и 15 секунд на деление. Такое быстродействие было беспрецедентным, хотя лишь незначительно превосходило показатели, запланированные Ч. Бэббиджем.

«Mark-1» достигал почти 17 м в длину и более 2,5 м в высоту, содержал около 750 тысяч деталей, из них 3304 реле. Детали были соединены проводами общей протяженностью около 800 км. Вес машины – 5 т.

Первые испытания были проведены в начале 1943 г.

Вскоре после этого машину временно передали в распоряжение военно-морского флота США. Ее стали использовать для выполнения сложных баллистических расчетов, которыми руководил сам Г. Эйкен. В 1944 году машина была официально передана Гарвардскому университету и работала там еще 16 лет. Но, несмотря на долгий и солидный послужной список, она так и не принесла того успеха, на который рассчитывал президент фирмы IBM. Другие изобретатели – немцы, англичане – руководствовались при разработке компьютеров более перспективными методами. По существу, «Mark-1» устарел еще до того, как был построен.

«Mark-II» была заказана управлением вооружения ВМФ США. Работа над компьютером «Mark-II» шла с 1945 по 1947 г. «Mark-II» представляла собой первую многозадачную машину – наличие нескольких шин позволяло одновременно передавать из одной части компьютера в другую несколько чисел. Были созданы третий и даже четвертый варианты компьютера «Mark-I», но уже без поддержки фирмы IBM.

Г. Эйкен, вернувшись в университет, первым в мире начал чтение лекций по новому тогда предмету, получившему название Computer Science – наука о компьютерах (в Европе этот предмет называется Informatique – информатика). Он же первым предложил использовать машины в деловых расчетах и бизнесе.

Дальнейшее повышение скорости вычислений могло произойти только в результате перехода на электронные схемы.

4. Электронный период

В течение механического, электромеханического и в начале электронного периода развития цифровая вычислительная техника оставалась областью техники, научные основы которой только закладывались.

Предпосылки возникновения электронной вычислительной техники

1. Математические предпосылки:

- двоичная система счисления, которую Г. В. Лейбниц предложил использовать для организации вычислительных машин,

- алгебра логики, разработанная Дж. Булем.

2. Алгоритмические предпосылки – абстрактная машина Тьюринга, использованная для доказательства возможности машинной реализации любого алгоритма, имеющего решение.

3. Технические предпосылки – развитие электроники.

4. Теоретические предпосылки – результаты работ К. Шеннона, соединившего электронику и логику.

Электронно-вычислительные машины появились, когда возникла острая необходимость в очень трудоемких и точных расчетах, особенно в таких областях, как атомная физика, теория динамик полета и управления летательными аппаратами.

В связи с переходом на электронные безынерционные элементы произошел качественный скачок быстродействия. Работы, которые привели к созданию совершенно новой области техники – электроники, были начаты еще в конце XIX века.

В 1884 г. Т. Эдисон описал открытое им явление термоэлектронной эмиссии. В 1897 г. немецкий физик Г. Браун изобрел электронно-лучевую трубку. Триод – одна из наиболее популярных электронных ламп – был создан в 1906 г. американцем Ли де Форстером. В 1918 г. наш соотечественник М. Бонч-Бруевич изобрел ламповый триггер, сыгравший впоследствии огромную роль в развитии вычислительной техники.

К началу 40-х годов, т.е. ко времени появления первых автоматических вычислительных машин, электронные устройства получили уже значительное развитие и распространение. Они широко применялись во многих областях техники, прежде всего радиотехники. Зарождались телевидение и радиолокация, развивалась электронная контрольно-измерительная техника.

Казалось, что достигнутая скорость вычислений будет достаточной для всех и надолго. Но действительность очень быстро заставила искать новые пути убыстрения счета. Вторая мировая война поставила человеческую жизнь (летчика, артиллериста и т.д.) в зависимость от скорости вычислений. Кто быстрее и точнее принимал решения (а именно для этого нужно было производить вычисления), тот и побеждал.

Именно эта дилемма заставила человечество изобрести электронно-вычислительные машины и тем самым вступить в новый век – век ЭВМ.

За решение этой проблемы взялись крупнейшие ученые того времени. Среди них был Норберт Винер – известный американский математик.

Он указал, как по наблюдению траектории полета самолета до выстрела орудия можно определить положение его ствола в момент выстрела, при котором вероятность поражения будет максимальна.

Способ, предложенный Н. Винером, требовал большого объема вычислений, которые необходимо было сделать за те мгновения, пока самолет приближается к цели, т.е. за 2–3 секунды. С такой задачей арифмометр не справится. Нужна была электроника.

Н. Винер сформировал ряд требований к вычислительным машинам:

1) они должны состоять из электронных ламп (чтобы обеспечить достаточное быстродействие);

2) должна использоваться более экономичная двоичная, а не десятичная система счисления;

3) машина сама должна корректировать свои действия, в ней необходимо выработать способность к самообучению.

С переходом на безынерционные электронные элементы в вычислительной технике наступил существенный прогресс. Вычислительные машины, построенные на электронных триггерных схемах, использующих вакуумные триоды, открыли новое направление в вычислительной технике, их стали называть «электронные вычислительные машины».

4.1. Первые разработки электронного периода

Машина Дж. Атанасова

Первой попыткой создания ЭВМ была разработка профессора федерального колледжа Айовы Джона Атанасова, американского физика болгарского происхождения.

В 1937 г. он сформулировал, а в 1939 г. опубликовал окончательный вариант своей концепции современной вычислительной машины:

1) в своей работе вычислительная машина будет использовать электричество и достижения электроники;

2) ее работа будет основана на двоичной, а не на десятичной системе счисления;

3) основой запоминающего устройства послужат конденсаторы, содержимое которых будет периодически обновляться во избежание ошибок;

4) расчет будет проводиться с помощью логических, а не математических действий.

В 1939 г. Дж. Атанасов вместе со своим ассистентом Клиффордом Э. Берри построил и испытал первую вычислительную машину, предназначенную для решения систем линейных уравнений с тридцатью неизвестными. Они решили назвать ее АВС (Atanasoff Berry Computer).

В компьютере АВС были раздельно выполнены блоки арифметического и оперативного запоминающего устройств. Арифметическое устройство было выполнено на радиолампах, а оперативное запоминающее устройство – на вращающемся барабане с конденсаторами.

В машине использовалась двоичная система счисления. Исходные данные вводились в машину с помощью перфокарт в десятичной форме. Затем в машине осуществлялось преобразование десятичного кода в двоичный, в котором и проводились все вычисления. Каждое машинное слово состояло из 50 двоичных разрядов.

Внешняя память была выполнена на типовом оборудовании для ввода и вывода перфокарт, и это был самый ненадежный блок вычислительной машины.

Из-за вступления США в войну и перехода Дж. Атанасова на исследовательскую работу военного значения его вычислительная машина осталась незавершенной. Когда Дж. Атанасов демобилизовался из армии, оказалось, что ЭВМ уже создана, и он потерял интерес к этой работе.

Проект «Ультра»

В отличие от полукустарной работы К. Цузе в Берлине английский проект относился к разработкам самого высокого приоритета. Цель проекта – поиск способов расшифровки секретных немецких кодов.

Идея проекта «Ультра» зародилась после успешной операции польской разведки. Еще до оккупации Польши Германией в 1939 году поляки создали точную копию немецкого шифровального аппарата «ENIGMA» («Загадка») и переправили его в Англию вместе с описанием принципа работы.

Аппарат «ENIGMA» представлял собой электромеханический телепринтер, в котором шифровка сообщений производилась случайным поворотом рычагов. Отправитель настраивал телепринтер на определенный ключ, вставлял набор штырьков в ячейки (подобно тому, как это делается на телефонном коммутаторе) в соответствии с определенной схемой и печатал сообщение.

После этого машина автоматически передавала сообщение в зашифрованном виде.

В то время секретные сообщения немецких военных были зашифрованы кодом ENIGMA, который хорошо знали английские шифровальщики. Но без ключа и схемы коммутации (их меняли три раза в день) даже с использованием в качестве приемника еще одного устройства типа «ENIGMA» невозможно было получить какую-либо информацию.

В надежде раскрыть секрет «ENIGMA» британская разведка собрала группу ученых. Их поселили в Блетчли-Парке, на территории Государственной школы кодов и криптографии (Government Code and Crypher School Bletchly Park).

Среди засекреченных специалистов были представители различных специальностей – от инженеров до профессоров литературы.

Математический метод дешифровки был разработан группой математиков, в число которых входил Алан Тьюринг.

Огромное влияние на развитие вычислительной техники оказали теоретические разработки А. Тьюринга.

В 1936 г. в возрасте 24 лет он написал работу, которая сыграла исключительно важную роль в развитии вычислительной математики и информатики. Работа касалась очень трудной проблемы математической логики – описания задач, которые не удавалось решить даже теоретически.

Пытаясь найти такое описание, Тьюринг использовал в качестве вспомогательного средства мощное, хотя и существующее лишь в его воображении, вычислительное устройство, в котором он описал основные свойства современного компьютера.

Тьюринг ввел математическое понятие абстрактного эквивалента вычислительного алгоритма, получившего название машины Тьюринга. Машина Тьюринга – это прообраз программируемого компьютера.

Основные устройства машины Тьюринга:

1) контрольный модуль;

2) читающая и пишущая головки (устройства ввода/вывода) ленты, разделенной на клетки.

Данные должны были вводиться в машину на бумажной ленте, поделенной на клетки-ячейки. Каждая такая ячейка либо содержала символ, либо была пустой. Машина не только могла обрабатывать записанные на ленте символы, но и изменять их, стирая старые и записывая новые в соответствии с инструкциями, хранимыми в ее внутренней памяти. Для этого она дополнялась логическим блоком, содержащим функциональную таблицу, определяющую последовательность действий машины.

Каждый шаг машины Тьюринга связан с тремя операциями – запись, вычисление и сдвиг. Такая интерпретация вычислительного алгоритма широко используется и в настоящее время, например для оценки вычислительных возможностей компьютеров будущего – квантовых компьютеров.

А. Тьюринг назвал свое абстрактное механическое устройство «универсальная машина», поскольку она должна была справляться с любой допустимой, т.е. теоретически разрешимой, задачей – математической или логической. Тьюринг показал принципиальную возможность решения автоматами любой проблемы при условии, если возможна ее алгоритмизация. Впоследствии машина получила название «машина Тьюринга».

Некоторые идеи Тьюринга были в конечном счете воплощены в реальных машинах, построенных в Блетчли-Парке. Сначала удалось создать несколько дешифраторов, в которых использовались электромеханические переключатели такого же типа, как у К. Цузе, Д. Стибица или Г. Эйкена. Эти машины работали по существу «методом проб и ошибок», перебирая до бесконечности всевозможные комбинации из символов немецкого кода, пока не возникал какой-нибудь осмысленный фрагмент.