Файл: История развития средств вычислительной техники (вычислительные средства).pdf

Рисунок 7 – Ткацкий станок Жаккарда

Имена некоторых ученых в истории вычислительной техники, которые связаны с самыми значимыми открытиями в данной области, в наши дни широко известны даже непосвященным.

Чарльз Бэббидж, английский математик первой половины XIX века, входит в их число. В 1823 году Бэббидж разработку своей вычислительной машины, которая подразделялась на две части: вычисляющую и печатающую. Её цель состояла в том, чтобы помочь морскому ведомству Соединенного Королевства для создания разнообразных мореходных таблиц. Часть машины для вычисления, была близка к завершению к 1833 году, а печатающая была готова практически вполовину, когда средства на дальнейшую разработку истощились. И на этом работы прекратились^[15] [2, c. 280].

Первое вычислительное устройство, разработанное Бэббиджем, получило название «разностная машина», поскольку работа модели была основана на хорошо разработанном методе конечных разностей. Благодаря этому методу все сложно реализуемые в механике операции умножения и деления сводились к цепочкам простых сложений известных разностей чисел.

Разностная машина (рисунок 8) предназначалась для решения дифференциальных уравнений и табулирования многочленов. С современной точки зрения она являлась специализированной вычислительной машиной с фиксированной (жесткой) программой^[16].

Рисунок 8 – Разностная машина Бэббиджа

Составные части разностной машины:

1. «Память» – несколько регистров для хранения чисел.
2. Счетчик числа операций со звонком – при выполнении заданного числа шагов вычислений раздавался звонок.
3. Печатающее устройство – результаты выводились на печать, причем по времени эта операция совмещалась с вычислениями на следующем шаге^[17].

К 1834 г., когда «разностная машина № 1» еще не была достроена, Ч. Бэббидж уже задумал принципиально новое устройство – «аналитическую машину», явившуюся, по сути дела, прообразом современных компьютеров (рисунок 9).

Рисунок 9 – Аналитическая машина Бэббиджа

Это была механическая универсальная цифровая вычислительная машина с программным управлением. К 1840 г. Бэббидж практически полностью завершил разработку «аналитической машины» и тогда же понял, что воплотить ее на практике сразу не удастся из-за технологических проблем.

По архитектуре аналитическая машина была механическим прототипом современного компьютера. Она содержала следующие устройства (рисунок 10):

1) «склад» (или мельница) – устройство для хранения цифровой информации (теперь это запоминающее устройство или память);

2) «мельница» или «фабрика» – устройство, выполняющее операции над числами, взятыми на «складе» (ныне это – арифметическое устройство);

3) устройство, для которого Бэббидж не придумал названия и которое управляло последовательностью действий машины. Сейчас это устройство называется устройством управления. Следуя терминологии Ч. Бэббиджа, это устройство можно было бы назвать «конторой»;

4) устройство ввода информации;

5) устройство вывода информации^[18].

Рисунок 10 – Архитектура аналитической счетной машины с точки зрения Ч. Бэббиджа

Исследователи работ Чарльза Бэббиджа непременно отмечают особую роль в разработке проекта аналитической машины графини Ады Августы Лавлейс. Именно ей принадлежала идея использования перфорированных карт для программирования вычислительных операций.

Ада Августа Байрон (1815–1852), в замужестве графиня Лавлейс (Ada Augusta Lovelace), была дочерью поэта Джорджа Байрона. Она с детства увлекалась математикой и астрометрией. Астрометрия – расчет положений небесных тел – одно из наиболее популярных приложений математики XIX в. Видимо, это увлечение и стало причиной возникновения интереса к программированию.

Наслышанная о создаваемой разностной машине, она с группой студентов посетила лабораторию Ч. Бэббиджа.

С этого визита Ада увлеклась вычислительными машинами. Сам изобретатель отметил незаурядную девушку, которая не только понимала, как работает машина, но и была в состоянии оценить перспективы ее развития^[19].

Ей же принадлежит изобретение циклов и подпрограмм – Ада поняла, что при использовании условных переходов можно будет использовать один и тот же набор перфокарт для повторяющихся последовательностей команд.

Проработке аналитической машины Ада уделяла много времени, называя это устройство «своим первенцем». Муж Ады ценил и поощрял ее занятия математикой.

«Можно с полным основанием сказать, что аналитическая машина точно так же плетет алгебраические узоры, как ткацкий станок Жаккара воспроизводит цветы и листья», – писала графиня Лавлейс. Она одна из немногих понимала, как работает машина и каковы потенциальные области ее применения.

Говоря об аналитической машине, Бэббидж отмечал, что графиня «по-видимому, понимает ее лучше меня, а уж объясняет ее устройство во много-много раз лучше»^[20].

В течение почти полувека цифровая вычислительная техника сводилась к простейшим устройствам для выполнения арифметических операций над числами. Основой практически всех изобретенных за пять столетий устройств были простейшие устройства, которые помогали людям выполнять несложные расчеты, простейшие арифметические действия. С течением времени требования к расчетам увеличивались, расчеты становились все сложнее, открытий становилось все больше и открытий в мире вычислительной техники становилось все больше.

На появлении вышеописанных устройств базировались домаханический и механический периоды развития вычислительной техники.

2 Становление компьютерной эпохи

2.1 Открытия, предшествующие созданию компьютеров

Вычислительная техника – область техники, объединяющая средства автоматизации математических вычислений и обработки информации в различных областях человеческой деятельности. Под вычислительной техникой принято также понимать науку о принципах построения, действия и проектирования этих средств.

Главные направления использования этих средств: решение математических, технических и логических задач, моделирование сложных систем, обработка данных измерений, обработка экономико-статистических данных и поиск информации.

Средства вычислительной техники широко используются при управлении технологическими процессами и производством в целом, в проектных и конструкторских работах, в информационно-справочных и обучающих системах. Без них немыслимо создание автоматизированных систем управления, систем автоматизированного проектирования, автоматизированных систем научных исследований^[21].

Известно, что цифровой компьютер, независимо от его размеров и назначения, представляет собой систему передачи информации, выраженной в виде нулей и единиц.

Современные ЭВМ по своей структуре очень близки к аналитической машине Бэббиджа, но, в отличие от нее (и всех механических арифмометров), используют совершенно другой принцип реализации вычислений, основанный на двоичной системе счисления^[22].

Двоичный принцип реализуется с помощью электромагнитного реле – элемента, который может находиться в одном из двух возможных состояний и переходить из одного состояния в другое при воздействии внешнего электрического сигнала.

Поскольку оно может находиться в одном из двух рабочих состояний, то это означает лишь «да» или «нет», «истинно» или «ложно»^[23].

Одним из первых двоичной системой заинтересовался Г. В. Лейбниц.

В 1666 г., еще задолго до изобретения механического калькулятора, двадцатилетний Лейбниц написал труд «Искусство составления комбинаций» (De Arte Combinatoria), скромно назвав его «сочинением школьника», хотя уже заканчивал университет. Он изложил основы общего метода, позволяющего свести мысль человека, любого вида и на любую тему, к совершенно точным формальным высказываниям.

Однако при всей гениальности Лейбниц так и не смог найти полезного применения полученным результатам. Изобретенный им механический калькулятор, о котором говорилось выше, предназначался для работы с десятичными числами, и Лейбниц не стал переделывать его под двоичные, возможно, испугавшись очень длинных цепочек двоичных разрядов, необходимых для представления чисел. Известно, что поскольку в двоичной системе фигурируют лишь две цифры (0 и 1), то десятичное число 8 записывается в двоичной форме как 1000, а двоичный эквивалент десятичного числа 1000 выглядит очень громоздким: 1111101000. Цифра 1 у Лейбница ассоциировалась с богом, а нуль означал пустоту, т. е. Вселенную до того, как в ней появились иные существа, кроме бога. Из единицы и нуля, считал Лейбниц, произошло все. Точно так же любое математическое понятие можно выразить этими двумя цифрами^[24].

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. (рисунок 11).

Рисунок 11 – Табулятор Холлерита

У Г. Холлерита возникла идея создания перфокарты, на которую можно было бы наносить в виде отверстий обрабатываемые данные.

Первоначально он хотел применить в качестве носителя информации бумажную ленту с отверстиями – перфоленту^[25].

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:

– реле;

– перфоратор;

– сортировальная машина.

Карты табулятора Холлерита (рис. 46) были размером в долларовую бумажку (168 × 83 мм). На каждой карте имелось 12 рядов, в каждом из которых можно было пробить по 20 отверстий (т.е. 240 позиций для пробивок)^[26].

В табуляторе Холлерита перфокарты считываются устройством, размещенным в углу стола. С обратной стороны устройства расположена панель с электромеханическими счетчиками.

Далее в 1829 г. Уильям Остин Барт (1792–1858) первым в Америке получил патент на работоспособную пишущую машинку. К сожалению, тогда его изобретение не вызвало интереса у промышленников. Знакомая же любому клавиатура с раскладкой QWERTY появилась лишь в 1874 г.

Самюэль Морзе (1791–1872), потратив семь лет на внедрение своего изобретения – электрического телеграфа, в 1844 г. послал первое телеграфное сообщение из Вашингтона в Балтимор, используя азбуку Морзе. В Англии еще с 1837 г. работал телеграф менее совершенной системы, который изобрели Чарльз Уитстоун (1802–1875) и Уильям Кук (1793–1876)^[27].

Двадцать лет спустя Уитстоун, продолжавший продвигаться в области телекоммуникаций, предложил применять в телеграфии перфорированную ленту (код Морзе, ставший к тому времени стандартом, перенести на бумажный носитель было легко). Производительность телеграфистов повысилась в десять раз: сообщения пересылались со скоростью сто слов в минуту. Ч. Уитстоун изобрел также аккордеон и стереоскоп.

В 1858 г. под Атлантикой проложили первый телеграфный кабель. Тремя годами позже телеграфная линия соединила атлантическое и тихоокеанское побережья США.

Александр Белл (1847–1922) в 1876 г. изобрел телефон. За несколько десятилетий этот вид связи получил неслыханную популярность и стал в один ряд с почтой и телеграфом.

В 1878 г. изобретена лампочка накаливания. Считается, что это открытие принадлежит Томасу Эдисону (1847–1931), однако он скорее популяризатор, а не изобретатель.

Экспериментируя с лампой, Т. Эдисон ввел в вакуумный баллон платиновый электрод, подал напряжение и обнаружил, что между электродом и угольной нитью протекает электрический ток (1883). Явление, известное как термоэлектронная эмиссия, тогда получило название «эффект Эдисона» и на какое-то время было забыто.