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

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы курсовой работы, заключается в том, что вычислительная техника является важнейшим компонентом процесса вычислений и обработки данных. А знание истории развития вычислительной техники (ВТ) как основы компьютерной информатики - необходимый составной элемент компьютерной культуры.

XXI век характеризуется необходимостью обрабатывать огромное количество информации. Для сбора, хранения, использования и распространения большого объема информации необходимо специальное устройство. Таким устройством является компьютер. В настоящее время компьютеры представлены практически во всех областях жизни человека. Для того чтобы полно оценить влияние компьютеров на жизнь человека и его будущее, необходимо понять, как проходила их эволюция.

В истории ВТ можно выделить следующие четыре периода:

• домеханический (период абака);
• механический;
• электромеханический;
• электронный.

При этом следует иметь в виду , что хорошо зарекомендовавшие себя средства всех четырех этапов, развития ВТ используются человечеством и в настоящее время для автоматизации различного рода вычислений.

1. ДОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПЕРИОД

В домеханический период использовались подсобные средства для счета и создавались таблицы, календари, устройства и приборы, облегчающие счет человеку. Вообще потребность в счете возникла у людей в давние времена. Вначале регистрация счета была довольно примитивной: счет либо осуществлялся на костяных или каменных орудиях труда, на которых делались зарубки, либо сводился к перекладыванию по определенным правилам камешков, костяшек, дощечек.

В качестве математических приемов счисления уже в IV тысячелетии до н.э., надо полагать, применялась непозиционная (неоднозначная) система. А тысячу лет спустя появилась позиционная (шестидесятичная) система счисления.

Первое свидетельство о средствах подсчета относится примерно к 3-тысячному году до н.э. Именно этим временем датируется найденная археологами вблизи местечка Вестаница в Чехии т.н. «вестаницкая кость» с зарубками. Тогда же месопотамские математики использовали табулированные величины (таблицы обратных величин, умножения, второй и третьей степени, квадратных и кубических корней), составлялись календарные расчеты астрономических явлений.

В произведениях древнегреческих поэта Гомера и драматурга Аристофана, относящихся к V-IV вв. до н.э., упоминается о распространении пальцевого счета, который зародился, очевидно, ранее. Его до сих пор используют в ряде случаев биржевые маклеры.

---

В середине I тысячелетия до н.э. были созданы древнейшие из вычислительных устройств: «саламинская доска» - на острове Саламин в Эгейском море, «абак» - в Древней Греции и Риме, а затем в Западной Европе, «суанпан» - в Китае, «серобян» - в Японии. Они представляли собой доски из бронзы, камня, дерева, слоновой кости, цветного стекла с полосковыми углублениями, в которых перемещались с целью вычисления кости или камешки (калькули). Эти счеты просуществовали до эпохи Возрождения (Рисунок 1).

Рисунок 1. Простейшие приспособления для счета

Выдающимся событием I тысячелетия н.э. было создание в IX в. «Арифметического трактата» узбекским ученым Мухаммедом бен Муса ал-Хорезми (Мухаммедом сыном Мусы из Хорезма). В XII в. трактат был переведен с арабского на латинский язык средневековой Европы. Европейцы впервые познакомились с десятичной системой счисления, пришедшей к арабам из Индии. Широко в мире стали известны четыре арифметические действия, а сами их правила долгое время назывались именем ал-Харезми - алхоризм, algorithmi, алгоритм. Это не могло не способствовать развитию средств вычислительной техники.

В эпоху Возрождения появились канцелярские счеты, пришедшие в Европу с Востока. В начале XVII в. стало известно несколько их устройств. Одним из них были палочки Непера (рисунок 2), позволявшие производить умножение. Другим было устройство, которое называется сейчас логарифмической линейкой.

Рисунок 1. Палочки Непера

В России средства, облегчавшие вычисления, также были известны еще в давние времена. Так, при строительстве храмов в Киевской Руси применялись графики и специальные устройства для определения размеров и форм куполов, арок и других элементов архитектуры. В XVI в. здесь широко использовался «счет костьми» при измерении вотчинных и поместных владений, государственных земель, а также при подсчетах в торговле и артиллерии. Для облегчения налоговых счислений была создана т.н. «сошная арифметика», в которой соха принималась за единицу счета, a в дальнейшем – «дощатый счет» и конторские счеты.

2. МЕХАНИЧЕСКИЙ ПЕРИОД

Механический период означал появление машин, в которых операции выполнялись механизмами, приводившимися в действие человеком. Уже во времена средневековья стали механически интерпретировать и воспроизводить функции человеческого мозга. Так, «мыслительная машина» средневекового богослова Луллия, дававшая ответы на вопросы «сколько?», «когда?», «какой из двух?» и др.. представляла собой попытка механического воспроизведения самого процесса мышления человека. Вопросы и ответы в ней строились на основе таких характеристик, как грех, добродетель и т.п.

---

Один из проектов механической вычислительной машины принадлежит выдающемуся художнику и мыслителю эпохи итальянского Возрождения Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.). Он набросал эскиз тринадцатиразрядного суммирующего устройства с десятизубными колесами (рисунок 3). Этот набросок был обнаружен в конце 60-х годов XX в. в архиве автора, хранящемся в Национальной библиотеке Мадрида. В соответствии с ним уже в наши дни американская фирма по производству компьютеров IBM в целях рекламы построила действующую машину.

Рисунок 3. Эскиз счетной машины Леонардо да Винчи (1492 г.)

Первая счетная машина, о которой сохранились сведения, описана в 1623 г. немецким профессором В. Шиккардом. Нет точных данных, была ли она построена, но в начале 60-х гг. нашего века ее сконструировали по этим описаниям ученые Тюрингского университета. Операции сложения и вычитания осуществлялись в ней механически, а умножения и деления - с элементами механизации (рисунок 4).

Рисунок 4. Вычисляющие часы

Более известна машина французского математика, физика и философа Б. Паскаля. Молодой. 18-летний Паскаль, независимо от В. Шиккарда, в течение трех лет упорного труда (1641-1644) создал машину («Паскалину»), которая могла суммировать (рисунок 5). Он делал ее в помощь отцу - правительственному ревизору финансов. О ней ходили легенды и писали стихи. Весь высший свет стекался в Люксембургский дворец, чтобы посмотреть на удивительное изобретение. Его автор получил королевскую привилегию на изготовление и продажу своей машины. В настоящее время существует более 50 экземпляров машины Паскаля. Несколько ее моделей демонстрируется в одном из музеев Парижа.

Рисунок 5. «Паскалина»

Вычислительную машину, с помощью которой можно было складывать, умножать и делить, изобрел знаменитый немецкий математик и философ Г. Лейбниц. В 1673 г. он представил ее в Академию наук в Париже (рисунок 6).

Рисунок 6. Калькулятор Лейбница

Немало вычислительных приборов было создано в России - М.В. Ломоносовьм, Е.Г. Кузнецовым (верстметр), Е. Якобсоном (девятиразрядная суммирующая машина) и др. Последний был механиком из Несвижа Минского воеводства. Его машина, датируемая не позднее 1770 г., хранится в музее им. М. В. Ломоцосова в Санкт-Петербурге.

---

Конечно, первые машины были несовершенны. Дороговизна изготовления, частые поломки и сложность устройства препятствовали их широкому практическому применению. Они выпускались в одном или нескольких экземплярах.

Массовое производство вычислительных машин впервые организовал К. Томас - основатель и руководитель двух парижских страховых обществ. В 1820 г. он построил вычислительную машину, в которой был использован принцип работы ступенчатого валика в машине Лейбница, и начал ее изготовление на рынок. Постепенно Томас совершенствовал свои машины. Так было положено начало счетному машиностроению.

Изучив счетную машину Томаса, инженер Петербургской государственной экспедиции бумаг В.Т. Однер в 1873 г, построил знаменитый арифмометр. В 1896 г. на Нижегородской выставке эта машина была удостоена серебряной медали, а в 1900 г. на Всемирной выставке в Париже - золотой медали. Через три года на выставке в Чикаго она вновь отмечается высшей наградой. В России впервые в мире было организовано ее фабричное производство. Конструкция оказалась настолько удачной, что она по существу не менялась более 100 лет.

Впоследствии в конструировании и совершенствовании арифмометров принимали участие многие ученые, в том числе и выдающийся русский ученый П.Л. Чебышев. В 1878 г. он сконструировал и построил оригинальную машину для выполнения сложения, а в 1882 г. - первую автоматическую вычислительную машину, принцип работы которой долгое время применялся в большинстве механических машин. Модель счетной машины Чебышева экспонировалась в 1913 г. на Всемирной выставке в Париже. В настоящее время она хранится в Парижском музее.

Появилось несколько типов вычислительных машин, в т.ч. клавишные вычислительные машины. Они автоматически складывали, умножали и делили многозначные числа. Некоторые могли извлекать квадратные корни и выполнять другие арифметические операции.

Дальнейшее совершенствование вычислительных машин привело к тому, что их стали соединять с пишущими механизмами. Так появились машины, которые печатали исходные данные и результаты вычислений.

Производительность клавишных машин зависела от того, как быстро человек набирал числа на клавиатуре и нажимал на клавиши. Это одерживало скорость работы машин. Начались поиски ее повышения.

В начале в. англичанин .Ж. Жаккарт принцип стандартных прокладок с отверстиями, который в ткацком . Эти прокладки на себе , необходимую для работой станка. явились прототипом (рисунок 7).

---

Рисунок 7. Жаккара

Решающий вклад в развитие вычислительной техники внес английский математик И. Бэббидж (1792-1871 гг.). Он разработал проект вычислительной машины, которая состояла из тех же узлов, что и современные компьютеры. В 1822 г. он построил небольшую рабочую модель аналитической машины, которая состояла из трех основных блоков: «склада» для хранения цифровой информации, «фабрики» для обработки информации и устройства управления.

Однако попытка создания вычислительных машин такого типа окончилась тогда неудачей. Машина была технически сложной, а практической потребности в ней еще не было. Ч. Бэббидж опередил свое время. Его заслуги бесспорны. Он первым разработал принципы организации и создания вычислительных машин с программным управлением, в т.ч. принцип изменения программы вычислений в зависимости от их результатов. Кроме того, большой интерес вызвал и язык машины Бэббиджа, а именно разделение команд на команды пересылки и функциональные, возможность считывания информации, не допуская ее разрушения, и считывания с очисткой запоминающих данных регистра, что все еще представляет интерес для разработчиков современных ЭВМ, и др. Основные идеи, заключенные в конструкции аналитической машины Ч. Бэббиджа, были реализованы значительно позднее

С аналитической машиной Ч. Бэббиджа связано и зарождение программирования. Именно для нее создавались первые в мире программы. А первой программисткой была леди А. Лавлейс - дочь известного английского поэта Байрона. Она не только производила вычисления на машине Ч. Бэббиджа, но и заложила основы теоретического программирования, написав первый учебник по этому предмету.

Важное теоретическое значение для последующего развития вычислительной техники имела в это время работа Дж. К. Максвелла «Динамическая теория поля» (1864-1865 гг.). В ней давалось точное определение электромагнитного поля. Вскоре Максвелл завершил создание электродинамической картины мира. Началась эра мировой электродинамики, породившая новый период в развитии вычислительной техники.

3. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПЕРИОД

Электромеханический период был связан с применением электроэнергии в конструкциях счетных механизмов.

Машины электромеханического принципа действия характеризуются наличием электроаппаратуры, посредством которой работают все их механизмы. Разновидностью таких машин явились электромагнитные машины, в т.ч. релейные. В электромеханических машинах, как и в механических, основными физическими элементами были рычаги, колеса, валики, шестерен, а в релейных - электромагниты, реле, контактные устройства и т.д. Электрический ток стал применяться также для расшифровки информации, нанесенной на перфокарты, в машине, построенной в 1890 г. американским инженером, сыном немецкого эмигранта Г. Холлеритом (1860-1929 гг.). Им же была предложена и форма перфокарты. Она соответствовала размеру однодолларовой банкноты, находившейся в обращении в 1890 г., и равнялась 187 мм * 83 мм (рисунок 8).

---