Файл: История развития средств вычислительной техники (подробно).pdf

Первую машину, способную производить вычисления самостоятельно, изобрел великий французский ученый Блез Паскаль (1623–1662). Свой первый механический вычислитель, который позволял складывать и вычитать числа, Б. Паскаль сконструировал уже в 1642 г. Сам ученый в дальнейшем изготовил более 50 различных моделей данной машины, в которых он экспериментировал и с материалами, и с формой деталей. Основные идеи, которые представил Б. Паскаль в своих изобретениях, заключались в соотношении чисел с углом поворота счетных колес (каждому числу соответствовал свой угол) и автоматическом переносе десятков, а принцип связанных колес стал основой для разработки и проектирования большинство вычислительных устройств в течении еще следующих трех веков.

В 1673 г. немецкий философ, математик, физик Готфрид Вильгейм Лейбниц (1646-1716) создал «ступенчатый вычислитель» – счетную машину, позволяющую складывать, вычитать, умножать, делить, извлекать квадратные корни, путем добавления к зубчатым колесам специального ступенчатого валика, надолго определивший принципы построения счетных машин.

Впервые «серийное производство» арифмометров организовал Карл Ксавье Томас, который в 1818 г. создал производство арифмометров с различными усовершенствованиями ппо 300-400 экземпляров в год.

Попытка применить в счетных машинах колеса с переменным числом зубцов была впервые предпринята еще итальянцем Джованни Пеленом в 1709 г. Однако, только лишь в 1874 г. В. Т. Однер предложил надежную и простую конструкцию такого колеса – «колесо Однера», ставшим основным узлом многих арифмометров – зубчатка с переменным числом зубцов. После эмиграции В. Однера в Швецию в 1917 г. арифмометры его конструкции продолжали выпускать на заводе им. Дзержинского под маркой «Феликс».

Выводы по главе: На протяжении почти полуторатысячи лет человечество упрощало процедуры вычислений всеми имеющимися путями – от простейших и примитивных приспособлений до первых механических устройств для выполнения арифметических операций над числами. Базой практически всех изобретенных в средние века устройств являлось зубчатое колесо, специально рассчитанное на работу в десятичной системе счисления. Такие устройства внесли существенный вклад в подготовку человечества к разработке фундаментальных основ будущих научных дисциплин – информационных технологий и программирования.

---

Глава 2. Развитие и становление средств вычислительной техники в XIX-XX веках.

2.1. Электромеханический период (конец XIX века до 40-х годов XX века).

Наименее продолжительным периодом в истории вычислительной техники является электромеханический – с 1888 до 1945 г. Трансформация регистрации перемещений в машинных реализациях прошлого периода в регистрацию сигналов значительно уменьшила габариты устройств и позволила повысить их быстродействие. Однако это было бы невозможно без тщательного исследования и проработки еще несколько базисных принципов и понятий – двоичной системы счисления и математической логики Джорджа Буля.

Полноценно идеи Ч. Бэббиджа по формированию структуры и принципов работы полностью автоматизированной счетной машины были реализованы лишь в середине ХХ века. До этого времени основными препятствиями были механический принцип счета и десятичная система счисления. В XIX веке достижения науки в области электроники и схемотехники привели к созданию высокоскоростных счетных элементов, однако, при переходе на электрические схемы появилась существенная проблема – необходимость фиксация 10 близких значений тока или напряжения в цепи. В тот момент это было труднореализуемым из-за отсутствия стабилизации и случайных колебаний значений величин напряжения. Как следствие, сформировался научные подход, в котором наиболее устойчивым элементом, с помощью которого велся счет, являлось двухпозиционное устройство (элемент с двумя рабочими состояниями).

Существенный вклад в становление и развитие аппарата двоичной системы счисления внес Г. Лейбниц. Уже в середине XVII века он утверждал, что на базе двоичной системы счисления можно сформировать универсальный язык для объяснения явлений и процессов, протекающих в окружающем мире.

Чуть более чем через столетие английский математик Джордж Буль (1815-1864) посвятил свои научные труды разработке универсального двоичного языка. В 1847 году Дж. Буль публикует научную статью «Математический анализ логики», а в 1854 г. – «Исследование законов мышления», именно эти две работы в дальнейшем произвели настоящую революцию в области научных знаний той эпохи и преобразили логику в науку. Именно благодаря трудам данного ученого появилась Булева алгебра, представляющая собой систему обозначений и правил, законов, применимых к самым разным объектам. Пользуясь математическим аппаратом Булевой алгебры у исследователей появились возможности закодировать высказывания с помощью символов, впоследствии манипулировать ими, подобно тому, как в математики оперируют с обычными числами. Каждая величина при этом может принимать лишь одно из двух возможных значений – да/нет, ложь/истина (true/false), 1/0.

---

В булевой алгебре введены лишь 3 основные операции – и, или, не, хотя сама система допускает множество других операций, но уже именно указанных достаточно для выполнения классических базисных математических операций (сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение).

Большинство научных деятелей того времени скептически относились к системе Дж. Буля, однако ее возможности в полной мере оценил американский ученый Чарльз Сандерс Пирс в 1867 г., значительно модифицировав и расширив булеву алгебру и применив ее в электрических переключательных схемах. Электрический переключатель он сопоставил с логическим «вентилем» – либо пропускает ток («истина»), либо нет («ложь»), а позже им же была придумана простая электрическая логическая схема, но, к сожалению, так и не была собрана. Двоичный принцип реализовывался с помощью электромагнитного реле – элемента, находящегося в одном из двух возможных состояний, а переход между этими состояниями осуществляется под воздействием внешнего электрического сигнала.

После открытия электромагнитного реле проблема, заключающаяся в записи с его помощью чисел десятичной системы счисления, не была серьезной – в 1658 г. Б. Паскаль доказал, что любое положительное число может быть основанием системы счисления, а Г. Лейбниц в 1703 г. описал арифметические действия в двоичной системе счисления. Первый электромеханический счетно-аналитический комплекс был создан
Германом Холлеритом в США в 1888 г.

Принцип использования перфокарт, заложенный в сформулированных Ч. Бейбиджом идеях по основам аналитических машины был реализован
в статистическом табуляторе (прил. В, рис. .1), построенном Г. Холллеритом для ускорения обработки результатов переписи населения США в 1890 г.

Основными составными частями механизма, собранного Г. Холлеритом, являлись: вычислительный механизм на основе электромеханических реле, перфоратор и сортировальная машина. Для сравнения: над результатами предыдущей переписи 7 лет работали 500 сотрудников статистической службы США. Данные переписи 1890 года были обработаны
43 сотрудниками на 43 табуляторах Холлерита всего лишь за 4 недели.

Г. Холлерит можно считать «отцом-основателем» целого направления вычислительной техники – счетно-перфорационного, именно на базе разработанных им устройств создавались целые машиносчетные станции для механизированной обработки информации, являющихся прообразом современных вычислительных центров. Табулятор фирмы IBM (прил В,
рис. 1), разработанный в 1920-е годы представлял собой сложнейшее устройство, состоящее из более чем 100 тыс. деталей и 5 км проводов.

---

Таким образом, начиная с двадцатых годов ХХ века, применение счетно-перфорационной техники является доминирующим направлением развития вычислительной техники в мире.

Распространение счетно-аналитической техники обуславливалось преимуществами перфорационных машин перед арифмометрами – большая скорость и меньшая вероятность ошибок при вычислениях. После ввода исходных данных (отверстия в перфокартах), дальнейшая работа реализуется машинами из состава счетно-аналитического комплекса (САК). Конкретный САК может включать различное число устройств, но с обязательным присутствием следующих 4 блоков: входного перфоратора, контрольника, сортировальной машины и табулятора.

Основной машиной САК является табулятор, включающий в себя независимо от своей конструкции механизмы, обеспечивающие: подачу перфокарт, восприятие пробивок и счет пробивок, печать результатов, управление комплексом.

В начальный период развития перфорационной техники она применялась главным образом в статистике. Со временем все более возрастает ее применение для бухгалтерского учета, а еще чуть позже – САК постепенно начинают применять для выполнения расчетов научного и научно-технического характера.

В СССР первое применение САК в интересах обеспечения и сопровождения научно-технических вычислений в области астрономии реализовано к началу 30-х гг., а с 1938 г. табуляторы применяются в математических исследованиях. В то же время в Академии наук СССР ведутся работы по проектированию и запуску самостоятельной машиносчетная станция. В 1950-е гг. создается электромеханический перфоратор П80-2 (рис. 2.2) с автоматической подачей и откладкой карт и с механизмом дублирования, позволяющим делать пробивки с ранее пробитых перфокарт. Последний крупный проект программно-управляемой релейной машины был выполнен в СССР в 1957 г. Машина «РВМ-1» (рис. 1.6) была создана по проекту Н. И. Бессонова, хотя и с запозданием, но по быстродействию могла соперничать с электронными вычислительными машинами – операцию умножения двух чисел с плавающей точкой с 27-разрядной мантиссой и 6-разрядным порядком производилось за 50 мс.

Однако уже с 1936 г. научной общественности были доступны труды знаменитого Клода Шеннона, в которых он компилировал математическую логику с двоичной системой счисления и электрические цепи. К. Шеннон смог увидеть замечательное сходство булевой алгебры и принципов работы электрических схем, сделав и подтвердив в своих работах вывод о возможности выражения логических отношений (определения истинности), а также выполнении сложных вычислений, посредством электрических цепей, построенных по принципам булевой алгебры. Свои идеи относительно связи между двоичными числами, булевой алгеброй и электрическими схемами
К. Шеннон развил в докторской диссертации, опубликованной в 1938 г., ставшей по истине поворотным пунктом в истории развития современной информатики и вычислительной техники.

---

К. Шеннон предложил метод, позволяющий определять и измерять информацию в математическом смысле, путем сведения ее к выбору между двумя значениями: «да» и «нет», или двоичными разрядами. Он также ввел определение бита – наименьшей единицы информации в двоичном коде, который применяется в современных компьютерах (bit – biпаrу digit «двоичный разряд»).

Особенно пристальное внимания руководства разных стран уделяли развитию вычислительной техники накануне Второй мировой войны, объективно понимая существенные преимущества машинных способов кодирования и декодирования информации.

В конце 30-х гг. XX в. был построен ряд релейных вычислительных систем, способных выполнять сложные научно-технические расчеты в автоматическом режиме и со скоростью, на порядок превышающей скорость работы арифмометров с электроприводом. Одни из самых крупных проектов в 1940-е гг. были выполнены в Германии (Конрад Цузе, 1910-1995) и США (Дж. Стибиц и Г. Эйкен).

К. Цузе многие ученые считают «изобретателем компьютера», благодаря его серьезным и глубоким исследованиям, в процессе которых он сформировал 6 основных принципов построения будущих компьютеров:

1) двоичная система счисления;

2) использование устройств, работающих по принципу «да/нет» (логические 1 и 0);

3) полностью автоматизированный процесс работы вычислителя;

4) программное управление процессом вычислений;

5) поддержка арифметики с плавающей запятой;

6) использование памяти большой емкости.

Именно К. Цузе первым в мире показал, что обработка данных начинается с бита («да/нет»-статус), ввел термин «машинное слово», объединил в вычислителе арифметические и логические операции, отметив, что «элементарная операция компьютера – проверка двух двоичных чисел на равенство». Самое ироничное то, что в своих исследованиях К. Цузе не имел абсолютно никакого представления не только о таких же исследованиях ученых в США и Англии, но даже о механическом вычислителе Ч. Бэббиджа, созданном в XIX веке.

В 1936 г. К. Цузе запатентовал идею механической памяти, также ему принадлежит идея автоматической рисовальной доски (прообраз современных систем автоматизированного проектирования), много трудов он посвятил разработкам автоматических систем управления.

Одним из своих наиболее выдающихся достижений К. Цузе считал создание языка Plankalkul («исчисление планов») в 1945 г. Данный язык не был привязан к архитектуре и наборам команд конкретной вычислительной машины в отличие от первых языков ассемблера.

---