Файл: ПЕРИОДИЗАЦИЯ РАЗВИТИЯ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ.pdf

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время исследователи все больше внимания уделяют вопросу развития средств вычислительной техники в современном мире, акцентируя внимание на их происхождении и становлении на протяжении длительного периода времени. Именно поэтому возникает необходимость в изучении истоков и современности средств вычислительной техники, учитывая их все более сложный и многофункциональный характер, призванный отвечать запросам нынешнего общества.

Актуальность выбранного направления исследования обусловлена растущим интересом исследователей к становлению и развитию средств вычислительной техники, приобретающей все более сложный и функциональный характер.

Объектом исследования являются средства вычислительной техники.

Предметом исследования выступает история развития средств вычислительной техники.

Целью курсовой работы является рассмотрение истории развития средств вычислительной техники и изучение современных средств вычислительной техники.

Поставленная в курсовой работе цель предполагает решение следующих задач:

1. Изучить теоретическое освещение средств вычислительной техники в научной литературе.
2. Рассмотреть становление средств вычислительной техники.
3. Проанализировать современные средства вычислительной техники, имеющиеся на сегодняшний день.

Методы исследования включают следующие: анализ, синтез, классификация.

Теоретическая значимость исследования заключается в обобщении исследований об истории развития средств вычислительной техники и их нынешнего состояния.

Практическая значимость работы состоит в возможности использовать полученные результаты и выводы в курсах по математическому и программному обеспечению вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей, информатики, а также в процессе написания исследовательских работ в данной области.

1. ПЕРИОДИЗАЦИЯ РАЗВИТИЯ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

1.1. Домеханический этап

До изобретения цифровых электронно-вычислительных машин человечество применяло самые разнообразные вычислительные средства, которые использовались в различных сферах жизнедеятельности. Анализом вопросов развития вычислительной техники среди отечественных исследователей занимаются Н.Н. Калиткин, И. Г. Башмакова, Л. Е. Майстров, Б. А. Розенфельд и др.

В истории прикладной математики можно выделить три основные периода, основываясь на классификации Н.Н. Калиткина^[1].

Самым первым средством для вычисления считается абак, который появился еще в Древних Египте и Вавилоне. Расчеты тогда применялись в земледелии, ирригации, строительстве, торговле, производстве хлеба, пива и т.п. Другие прикладные задачи сводились к переводу мер веса или емкости в другие единицы, в расчете количества корма, распределению заработной платы, расчета налогов и т.п.^[2] Потребности торговли, сельского хозяйства и строительства в значительной степени способствовали достоянию вавилонянами практических сведений из области математики. В связи с ростом торгового оборота и усложнением операций финансового характера в Вавилоне были созданы учреждения, которые были прообразом современных банков. В этих учреждениях проводились операции по выдаче чеков, осуществлялись записи долговых обязательств и разного рода нотариальные сделки. Такие операции, несомненно, способствовали развитию арифметического счета. Так, действие умножения проводилась у вавилонян примерно в таком же порядке, а действие деление – по принципу умножения на обратное число, что было рационально при употреблении шістдесятичних дробей: эта операция упрощалась благодаря тому, что 60 имеет много целых делителей (в Вавилоне была принята шистдесятичная, а не современная десятична система мер).

Занятия земледелием и скотоводством во многом зависят от смены времени года, а также необходимость путешествий водными и караванными путями заставили вавилонян пристально наблюдать за звездами, потому что небесные светила были в те времена единственными маяками, по которым можно было ориентироваться в нужном направлении. Вследствие этого вавилоняне хорошо изучили расположение видимых невооруженным глазом звезд и составили очень подробную карту звездного неба^[3]. Интерес астрономией во втором тысячелетии к н. е. был не только у вавилонян и египтян. В 2001 г. на черном рынке Европы появился так называемый Небесный диск с Небри – бронзовый диск диаметром 30 см, покрытый патиной цвета аквамарина, с вставками из золота, изображающими Солнце, Луну и 32 звезды, в том числе скопление Плеяд. Его принято относить к унетицкой культуре Центральной Европы около 1800 г. до н.э. По последним исследованиям принято считать, что диск использовался для измерения угла между точками восхода и захода солнца во время солнцестояний, его следует признать древнейшим переносным устройством для такого рода измерений.^[4]

В III веке до н. э. заинтересованность астрономией привела знаменитого математика и изобретателя Архимеда к конструированию «небесной сферы», при движении которой можно было наблюдать движение пяти планет, восход Солнца и Луны, фазы и затмения Луны, исчезновение обоих тел за линией горизонта. Это по сути был первый планетарий.^[5] Эта сфера использовалась как трофей Римом при взятии Сиракуз, а после разрушения Рима в 476 г. ее следы исчезли.

В 1902 г. недалеко от греческого острова Антикитера была обнаружена уникальная находка, которой спустя 100 лет суждено было стать настоящей сенсацией. Речь идет о так называемом Антикитерском механизме. В 1951 г. исследованием артефакта занялся английский историк науки Дерек Прайс. Именно он впервые высказал предположение, что обнаруженные на дне Эгейского моря обломки – это части какого-то механического вычислительного устройства. Механизм содержал большое число бронзовых шестерен в деревянном корпусе, на котором были размещены циферблаты со стрелками, и использовался для расчета движения небесных тел. Другие устройства подобной сложности неизвестны в настоящее время в эллинистической культуре. В этом механизме используется дифференциальная передача, которая, как ранее считалось, изобретена не раньше XVI в., а уровень миниатюризации и сложность сопоставимы с механическими часами XVIII в. Ориентировочные размеры механизма 33x18x10 см.^[6]

В 2002 г. специалист по механическим устройствам из Лондонского музея науки Майкл Райт создал собственную реконструкцию древнего прибора. М. Райт также высказал догадку, что механизм мог моделировать движение Луны, Меркурия, Венеры, Марса, Сатурна и Юпитера. 30 июля 2008 г. в Афинах был озвучен окончательный доклад о результатах исследования механизма:

1. устройство могло выполнять операции сложения, вычитания и деления. Из этого следует, что речь идет о древнем калькуляторе;
2. механизм был способен рассчитывать эллиптическую орбиту движения Луны;
3. обратная сторона механизма, который был сильно поврежден, использовалась для предсказания солнечных и лунных затмений. Автором Антикитерского механизма считают ученого Посидония, работавшего на острове Родос.^[7]

С упадком греко-римской культуры бронзовые устройства, вроде планетария Архимеда и Антикитерського механизма, были переплавлены варварами, поскольку бронза на то время считалась ценным металлом, а навыки конструирования таких устройств забыты. Понадобилось около полутора тысяч лет, чтобы люди снова научились создавать схожие по сложности механизмы.

1.2. Механический этап

В 1622 г. английским математиком-любителем и одним из создателей современной математической символики Уильямом Отредом была изобретена логарифмическая линейка – вычислительное средство, позволяющее выполнять несколько математических операций, в том числе умножение и деление чисел, возведение в степень (чаще всего в квадрат и куб) и вычисление квадратных и кубических корней, вычисление логарифмов, тригонометрических функций и другие операции. Принцип действия логарифмической линейки основан на том, что умножение и деление чисел заменяется соответственно сложением и вычитанием их логарифмов. Логарифмические линейки использовались несколькими поколениями инженеров и других профессионалов, вплоть до появления карманных калькуляторов. Инженеры программы «Аполлон» отправили человека на Луну, выполнив на логарифмических линейках все вычисления, многие из которых требовали точности в 3-4 знака, они широко применялись в самых разных областях вплоть до 1950-х гг.^[8]

В 1623 г. профессор математики Вильгельм Шиккард сконструировал так называемый «механические часы», в которой были механизированы операции сложения и вычитания, а умножение и деление выполнялось с элементами механизации. Механизм принес практическую пользу известному астроному Иоганну Кеплеру при его астрономических расчетах, но машина Шиккарда вскоре сгорела во время пожара.

Знаменитая счетная машина была сконструирована в 1642 г. Блезом Паскалем. Восемнадцатилетний Б. Паскаль помогал отцу, который был сборщиком налогов, и хотел упростить его труд. Несмотря на королевскую привилегию «Паскалина» не имела широко практического применения. Тем не менее, изобретенный им принцип связанных колес стал основой, на которой строили ось большинство вычислительных устройств в течение следующих трех веков.

Машина Готфрида Лейбница была сложнее «Паскалины». Числовые колеса, теперь уже зубчатые, имели зубцы девяти различных длин, и вычисления производились за счет сцепления колес. Именно несколько видоизмененных колеса Лейбница стали основой массовых счетных приборов – арифмометрах, которые использовались в расчетах вплоть до 1970-х гг.

В 1694 г. Г. Лейбниц построил окончательный вариант механического калькулятора, который обошелся его создателю в 24 тысячи талеров. Прорывным этапом считается конструирование в 1836-1848 гг. Аналитической машины Чарльза Бэббиджа, которая, однако, была им недостроена из-за недостаточного финансирования, потому что не имела практического применения на то время. Его машина могла стать механическим прототипом ЦЕОМ и имела бы пять основных устройств: арифметическое, памяти, управления, ввода и вывода. Если бы ему удалось ее достроить, то она бы была размером с локомотив и приводилась в действие паровым двигателем. Все идеи британца остались только на бумаге. Представляется, что единственный практический результат, который получил Бэббидж в последние годы жизни, – это регистр из зубчатых колес, изготовленных методом литья. Аналитическая машина практического влияния на развитие вычислительной техники не сделала, за исключением влияния на автора электромеханической машины Говарда Эйкена.

В 1914 г. в Харькове, воссоздав «электрическую логическую машину» Уильяма Джевонса и Павла Дмитриевича Хрущева, именно Александр Николаевич Щукарев был первым, кто сумел вывести результаты логических преобразований машины для наглядного обзора. Он демонстрировал свой прибор в Харькове, Петербурге и в Москве. В приборе использовался прообраз современных дисплеев. Главное, что сделал В. М. Щукарев, заключалось в том, что он, в отличие от. Джевонса и П. Д. Хрущева, видел в машине не просто учебное пособие, а представлял ее своим слушателям как техническое средство механизации логического мышления. Накануне Второй мировой войны механические и электрические аналоговые вычислительные машины (АОМ) считались наиболее современными машинами, их называли будущим вычислительной техники. АОМ использовали преимущества того, что математические свойства явлений малого масштаба – положения колес или электрическое напряжение и ток – подобны математике других физических явлений, таких как инерция, резонанс, перенос энергии, момент инерции и тому подобное. АОМ представляет числовые данные при помощи аналоговых физических переменных (скорость, длина, напряжение, ток, давление), в чем и заключается его главное отличие от цифрового компьютера. Конструкционно АОМ состоят из операционных блоков, где каждый блок выполняет какую-либо одну математическую операцию. Для получения решения задачи на АОМ эти блоки соединяют между собой в соответствии с решаемой задачи. Поэтому при переходе от решения одной задачи к другой разрушаются соединения, что были сделаны ранее. Таким образом, структура АОМ определяется решаемой задачей.^[9]

В 1903 г. Алексей Николаевич Крылов конструирует механическую АОМ для решения дифференциальных уравнений при проектировании кораблей. В основу ее была положена идея інтеграфа – аналогового интегрирующего прибора, разработанного польским математиком Бруно АбданкАбакановичем для получения интеграла произвольной функции, нарисованные на плоском графике.

Дальнейшее развитие АОМ получили с изобретением в 1927 г. в Массачусетском Технологическом Институте интеграфа, которую с 1925 по 1927 гг. построил Ванневар Буш с группой своих сотрудников. Это была машина непрерывного действия, способна решать дифференциальные уравнения 1-го и 2-го порядка. С 1928 по 1930 гг В. Буш сконструировал свой знаменитый дифференциальный анализатор – механическая интегрирующая машина, что могла решать дифференциальные уравнения 6-го порядка^[10]. Эта машина применялась для расчета траектории стрельбы корабельных орудий. В дальнейшем, в середине 1930-х гг., В. Буш перевел свой электромеханический дифференциальный анализатор на электронную элементную базу. Анализаторы стали называть «аналоговыми вычислительными машинами» и они с успехом использовались во многих странах для решения систем дифференциальных уравнений с нелинейными коэффициентами, включая довольно сложные уравнения высоких порядков.