Файл: История развития средств вычислительной техники.pdf

2. Механический период

Настоящая потребность в автоматическом вычислении возникла в средние века в связи с резко возросшими в этот период торговыми операциями и океаническим судоходством. Торговля требовала больших денежных расчетов, а судоходство – надежных навигационных таблиц.

Развитие механики в 17 в. стало предпосылкой создания вычислительных устройств и приборов, использующих механический принцип вычислений. Такие устройства строились на механических элементах и обеспечивали автоматический перенос старшего разряда.

Первая механическая машина была описана в 1623 г. В. Шиккардом, реализована в единственном экземпляре и предназначалась для выполнения четырех арифметических операций над 6-разрядными числами.

Машина Шиккарда состояла из трех независимых устройств: суммирующего, множительного и записи чисел. Сложение производилось последовательным вводом слагаемых посредством наборных дисков, а вычитание - последовательным вводом уменьшаемого и вычитаемого. Вводимые числа и результат сложения/вычитания отображались в окошках считывания. Для выполнения операции умножения использовалась идея умножения решеткой. Третья часть машины использовалась для записи числа длиною не более 6 разрядов. Использованная принципиальная схема машины Шиккарда явилась классической - она (или ее модификации) использовалась в большинстве последующих механических счетных машин вплоть до замены механических деталей электромагнитными. Однако, из-за недостаточной известности машина Шиккарда и принципы ее работы не оказали существенного влияния на дальнейшее развитие ВТ, но она по праву открывает эру механической вычислительной техники.

В машине Б. Паскаля использовалась более сложная схема переноса старших разрядов, в дальнейшем редко используемая; но построенная в 1642 г. первая действующая модель машины, а затем серия из 50 машин способствовали достаточно широкой известности изобретения и формированию общественного мнения о возможности автоматизации умственного труда. До нашего времени дошло только 8 машин Паскаля, из которых одна является 10-разрядной. Именно машина Паскаля положила начало механического этапа развития ВТ.

В 17-18 веках предлагался целый ряд различного типа и конструкции суммирующих устройств и арифмометров, пока в 19в. растущий объем вычислительных работ не определил устойчивого спроса на механические счетные устройства и не способствовал их серийному производству на коммерческой основе.

Первый арифмометр, позволяющий производить все четыре арифметических операции, был создан Г. Лейбницем в результате многолетнего труда. Венцом этой работы стал арифмометр Лейбница, позволяющий использовать 8-разрядное множимое и 9-разрядный множитель с получением 16-разрядного произведения. По сравнению с машиной Паскаля было создано принципиально новое вычислительное устройство, существенно ускоряющее выполнение операций умножения и деления. Однако арифмометр Лейбница не получил распространения по двум основным причинам: отсутствие на него устойчивого спроса и конструкционной неточности, сказывающейся при перемножении предельных для него чисел.

В 17-18 в.в. был предложен целый ряд вычислительных инструментов по образцу Паскаля и Лейбница (с той или иной степенью модернизации), на основе палочек Непера либо оригинальные разработки. Предложенные конструкции являлись отдельными множительными устройствами или комбинациями суммирующей и множительной частей.

Начало 19 в. характеризуется развитием вычислительных средств в трех основных направлениях: суммирующие, множительные устройства, а также арифмометры; при этом, преобладающим становится развитие арифмометров.

В 1881 г. Л. Томас организовывает в Париже серийное производство арифмометров. Конструкция его арифмометра основана на использовании ступенчатого валика Лейбница и явилась дальнейшим развитием арифмометра Лейбница, отличаясь рядом полезных конструкторских решений: удобной формой ввода числа, наличием противоинерционного устройства, механизма гашения числа и др. Такой арифмометр получил название томас-машины и его серийность была невелика - за весь 19 в. было выпущено около 2000 томас-машин. Однако важным достоинством томас-машин была их долговечность - арифмометр использовался даже при расчетах, связанных с подготовкой плана ГОЭЛРО в 1920 г.

Важной вехой в развитии арифмометров следует считать создание в 1888 г. машины Болле, которая операцию умножения выполняла втрое быстрее существующих на то время арифмометров (именно поэтому машину называли множительной).

Увеличение во второй половине 19 в. вычислительных работ в целом ряде областей человеческой деятельности выдвинуло настоятельную потребность в ВТ и повышенные требования к ней. Существующие на тот момент различного типа вычислительные устройства решить эту задачу не могли. И только создание в 1874 г. В. Орднером (Россия) своей модели арифмометра, в основе которой лежало специальной конструкции зубчатое колесо Орднера, можно считать началом математического машиностроения. На всем протяжении своего существования арифмометр Орднера совершенствовался и выпускался в нескольких вариантах, получив целый ряд высоких наград. Рост производства арифмометров Орднера продолжался как в СССР, так и за рубежом; с 1931 г. он получает название Феликс, под которым хорошо известен и ныне существующим поколениям отечественных вычислителей.

Первоначально появление ЭВМ не очень существенно повлияло на выпуск и применение арифмометров прежде всего из-за их различных назначения, распространенности и стоимости. Однако, уже с 60-х годов в массовое использование все активнее проникают ЭКВМ (электронные клавишные вычислительные машины).

Особое место среди разработок механического этапа развития ВТ занимают работы Ч. Бэбиджа, с полным основанием считающегося родоначальником и идеологом современной ВТ. Среди работ Бэбиджа явно просматриваются два основных направления: разностная и аналитическая вычислительные машины.

Проект разностной машины был разработан в 20-х годах 19 в. и предназначался для табулирования полиномиальных функций методом конечных разностей. Основным стимулом в данной работе была настоятельная необходимость в табулировании функций и проверке существующих математических таблиц, изобилующих ошибками. Однако, данный проект не был завершен, но последователями Бэббиджа были созданы работающие разностные машины, которые нашли широкое применение в науке и технике.

Второй проект Бэбиджа - аналитическая машина, использующая принцип программного управления и явившуюся предшественницей современных ЭВМ. Данный проект был предложен в 30-е годы 19 в., а в 1843 г. Алой Лавлейс для машины Бэбиджа была написана первая в мире достаточно сложная программа вычисления чисел Бернулли. Оба эти достижения можно считать выдающимися, как опередившими свою эпоху более, чем на столетие. Проект аналитической машины не был реализован, но получил весьма широкую известность и заслужил высокую оценку целого ряда ученых, в первую очередь, математиков. Ч. Бэбидж разработал множество чертежей самой машины, изготовил ряд ее блоков; его сын Генри пытался реализовать проект, но полностью он остался лишь на уровне эскизного проекта. Идея аналитической машины возникла у Бэбиджа в процессе работы над разностной машиной. Аналитическая машина предназначалась для вычисления любого алгоритма (в нашей терминологии) и была задумана чисто механической.

В начале 1836 г. Бэбидж уже четко представлял себе основную конструкцию машины, а в 1837 г. в статье "О математической производительности счетной машины" он достаточно подробно описывает свой проект.

Аналитическая машина состояла из следующих четырех основных частей:

• блок хранения исходных, промежуточных данных и результатов вычислений. Он состоял из набора зубчатых колес, идентифицирующих цифры подобно арифмометру;
• блок обработки чисел из склада, названный мельницей (в современной терминологии - это арифметическое устройство). Организация блока была аналогична первому блоку;
• блок управления последовательностью вычислений (в современной терминологии - это устройство управления УУ);
• блок ввода исходных данных и печати результатов (в современной терминологии - это устройство ввода/вывода).

Ч. Бэбидж в своей машине использовал механизм, аналогичный механизму ткацкого станка Жаккарда, использующему специальные управляющие перфокарты. По идее Бэбиджа управление должно осуществляться парой жакардовских механизмов с набором перфокарт в каждом.

Бэбидж имел удивительно современные представления о вычислительных машинах, однако имевшиеся в его распоряжении технические средства намного отставали от его представлений.

Основная заслуга А. Лавлейс состоит не только в создании первой программы для машины Бэбиджа, но и в полном и доступном описании машины, а также анализе ее возможностей для решения различных вычислительных задач. Наряду с этим, Лавлейс проводила широкую популяризацию идей Ч. Бэбиджа, сама проектировала некоторые узлы машины и исследовала вопросы применения двоичной с.с.,а также высказывает ряд идей, получивших широкое применение только в наше время.

3. Электромеханический период

В истории вычислительной техники этот период явился наименее продолжительным – с 1888 до 1945 г.

Предпосылки создания электромеханической вычислительной техники:

1) необходимость проведения массовых расчетов (в экономике, статистике, управлении и планировании);

2) развитие электротехники (электропривод и электромеханическое реле). Первый электромеханический счетно-аналитический комплекс был создан Г. Холлеритом в США в 1888 г.

Первый счетно-аналитический комплекс был создан в США Г. Холлеритом в 1887 г. и состоял из: ручного перфоратора, сортировочной машины и табулятора. Г. Холлерит в качестве информационного носителя использовал перфокарты; все остальные компоненты комплекса носили оригинальный характер. Основным назначением комплекса являлась статистическая обработка перфокарт. В первых моделях комплекса использовалась ручная сортировка перфокарт (в 1890 г. замененная электрической), а табулятор был создан на основе простейших электромеханических реле. Первое испытание комплекса было произведено в 1887 г. в Балтиморе (США) при составлении таблиц смертности населения, основные же испытания уже модифицированного комплекса производились в 1889 г. на примере обработки итогов переписи населения в четырех районах Сент-Луиса (США). Основные испытания прошли весьма успешно и табулятор Холлерита очень быстро получил международное признание, используясь для переписей населения в России (1897 г.), США и Австро-Венгрии (1890), и Канаде (1891 г.).

В 1897 г. Холлерит организовал фирму, которая в дальнейшем стала называться IBM.

Значение работ Г. Холлерита для развития ВТ определяется двумя основными факторами. Во-первых, он стал основоположником нового направления в ВТ - счетно-перфорационного (счетно-аналитического), состоящего в применении табуляторов и сопутствующего им оборудования для выполнения широкого круга экономических и научно-технических расчетов. На основе данной ВТ создаются машинно-счетные станции для механизированной обработки информации, послужившие прообразом современных вычислительных центров (ВЦ). В 20-30-е годы XX в. применение счетно-перфорационной техники становится ведущим фактором развития ВТ; только появление ЭВМ ограничило ее применение.

Во-вторых, даже после прекращения использования табуляторов основным носителем информации (ввод/вывод) для ЭВМ остается перфокарта, а в качестве периферийных используются перфокарточные устройства, предложенные Холлеритом. Даже в наше время использование большого числа разнообразных устройств ввода/вывода информации не отменило полностью использования перфокарточной технологии.

Используемая на первых порах для статистической обработки, перфорационная техника в последующем начинает широко использоваться для механизации бухучета и экономических задач, а также в ряде случаев и для расчетов научно-технического характера; в первую очередь для астрономических расчетов. В СССР первое применение перфорационной техники для астрономических расчетов относится к началу 30-х годов, а с 1938 - для математических исследований в АН СССР создается самостоятельная машиносчетная станция.

Заключительный период (40-е годы XX в.) электромеханического этапа развития ВТ характеризуется созданием целого ряда сложных релейных и релейно-механических систем с программным управлением, характеризующихся алгоритмической универсальностью и способных выполнять сложные научно-технические вычисления в автоматическом режиме со скоростями, на порядок превышающими скорость работы арифмометров с электроприводом. Наиболее крупные проекты данного периода были выполнены в Германии (К. Цузе) и США (Д. Атанасов, Г. Айкен и Д. Стиблиц). Данные проекты можно рассматривать в качестве прямых предшественников универсальных ЭВМ.

Конрад Цузе явился пионером создания универсальной вычислительной машины с программным управлением и хранением информации в запоминающем устройстве. Однако его первая модель Z-1 (положившая начало серии Z-машин) идейно уступала конструкции Бэбиджа - в ней не предусматривалась условная передача управления.