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

ВВЕДЕНИЕ

Важной составляющей процесса вычислений и обработки данных является вычислительная техника. Вычислительная техника являются основой построения информационно-измерительных систем, используемых для решения важнейших научно-технических задач. Вычислительные устройства обеспечивают моделирование реальных радиотехнических комплексов в различных ситуациях, работу систем автоматизированного проектирования, управление сложными технологическими процессами.

Знание истории развития вычислительной техники и опыта работы в области компьютерной информатики являются необходимым компонентом компьютерной культуры.

Актуальность данной работы обусловлена большим интересом к данной теме. В современной науке, рассмотрение вопросов, связанных с этой темой, имеет как теоретическое, так и практическое значение.

Вопросам исследования посвящено множество научных трудов Громова А.Н., Полунова Ю. Л., Малиновского Б.Н., Смирнова Ю.М. В основном материал, изложенный в учебной литературе, носит общий характер, а в многочисленных монографиях по данной тематике рассмотрены более узкие вопросы данной проблемы.

Объектом исследования в данной курсовой работе является вычислительная техника.

Предметом исследования являются исторические этапы развития вычислительной техники.

Целью исследования является изучение темы истории развития вычислительной техники с точки зрения новейших отечественных и зарубежных исследований по сходной проблематике.

Исходя из поставленной цели данной работы можно выявить поставленные задачи:

1.Изучить как зарождалась вычислительная техника в домеханический период

2.Выявить предпосылки были для создания механических вычислительных машин.

3.Рассмотреть особенности создания вычислительных машин в электрический период.

4. Выделить основные этапы развития ЭВМ.

5.Определить перспективы развития вычислительной техники

Источниками информации для написания курсовой послужили базовая учебная литература, фундаментальные теоретические труды ученых в рассматриваемой области, результаты практических исследований видных отечественных авторов, научные статьи.

Работа имеет традиционную структуру и включает в себя введение, основную часть, состоящую из 3 глав, заключение и библиографический список.

1. Вычислительные устройства до появления ЭВМ

1.1 Домеханический период

История вычислительной техники восходит к истории человеческого развития. Накопление запасов, разделение производства, обмен - все эти действия связаны с расчетами. Для расчетов люди использовали собственные пальцы, камни, палки и множество других приспособлений. Необходимость поиска решений все более сложных задач и длительных вычислений обусловила необходимость поиска способов изобретения устройств для счета [10].

Счет на пальцах, несомненно, самый старый и простой способ вычисления [12]. Обнаруженная при раскопках так называемая «вестоницкая кость» с зарубками, оставленными древним человеком за 30 тысяч лет до нашей эры, позволяет историкам предположить, что уже тогда предки современного человека были знакомы с зачатками счета. Для многих народов пальцы остаются инструментом счета даже на более высоких уровнях развития. Среди этих народов были греки, которые очень долго считали на пальцах как практическое средство.

Чтобы сделать процесс счета более удобным, первобытный человек начал использовать маленькие камни вместо пальцев. Он построил пирамиду из камней и определил, сколько в ней камней, но если число было большим, то трудно было вычислить количество камней на глаз. Поэтому он начал строить меньшие пирамиды из камней того же размера, и из-за того, что руки имеют десять пальцев, пирамида была составлена ровно из десяти камней. Это был второй способ счета у древних [1].

Следующим шагом явилось создание древнейших известных счетов - «Саламинской доски» в честь названия острова Саламин в Эгейском море, который греки и западноевропейцы называли «абак», китайцы - «суан – пан», японцы – «серобян». Расчеты на них производились путем перемещения счетных костей и камней в полосовые углубления досок из бронзы, камня, слоновой кости, цветного стекла.

Счеты в своем первобытном виде представляли собой доску, посыпанную морским песком (позже она приняла форму доски, разделенной перегородками на колонны). На ней были нарисованы линии, разделяющие ее на колонны, и камешки были расположены в этих колоннах в соответствии с тем же позиционным принципом, по которому число помещается на наших счетах [7].

В 1654 году Роберт Биссакар и в 1657 году Роберт С. Партридж разработали прямоугольную логарифмическую линейку-счетный инструмент для упрощения вычислений, с помощью которого операции над числами заменяются операциями над логарифмами этих чисел [2]. Конструкция линейки сохранилась в основном до наших дней.

Простейшая логарифмическая линейка состоит из двух шкал на логарифмической шкале, которые могут перемещаться относительно друг друга. Более сложные линейки содержат дополнительные шкалы и прозрачный ползунок с несколькими рисками. На обратной стороне линейки может быть несколько справочных таблиц. Для того чтобы вычислить произведение двух чисел, начало подвижной шкалы совмещают с первым множителем на неподвижной шкале, а второй множитель находят на подвижной шкале. Расчеты с помощью логарифмической линейки просты, быстры, но приблизительны, поэтому она не подходит для точных, например, финансовых, расчетов [10].

1.2 Механический период

Эскиз механического тринадцатиразрядного суммирующего устройства с десятью колесами был разработан еще Леонардо да Винчи (1452- 1519). По этим чертежам в наши дни фирма IBM в целях рекламы построила работоспособную машину.

Первая механическая счетная машина была изготовлена в 1623 г. профессором математики Вильгельмом Шиккардом (1592-1636). В ней были механизированы операции сложения и вычитания, а умножение и деление выполнялось с элементами механизации. Но машина Шиккарда вскоре сгорела во время пожара. Поэтому биография механических вычислительных устройств ведется от суммирующей машины, изготовленной в 1642 г. Блезом Паскалем.

В 1673 г. другой великий математик Готфрид Лейбниц разработал счетное устройство, на котором уже можно было умножать и делить.

В 1880г. В.Т. Однер создает в России арифмометр с зубчаткой с переменным количеством зубцов, а в 1890 году налаживает массовый выпуск усовершенствованных арифмометров, которые в первой четверти 19-ого века были основными математическими машинами, нашедшими применение во всем мире. Их модернизация «Феликс» выпускалась в СССР до 50-х годов.

Мысль о создании автоматической вычислительной машины, которая бы работала без участия человека, впервые была высказана английским математиком Чарльзом Бэббиджем (1791-1864) в начале XIX в. В 1820-1822 гг. он построил машину, которая могла вычислять таблицы значений многочленов второго порядка.

Считается, что первую механическую машину, которая могла выполнять сложение и вычитание, изобрел в 1646г. молодой 18-летний французский математик и физик Блез Паскаль [10]. Формой своей машина напоминала длинный сундучок. Она была достаточно громоздка, имела несколько специальных рукояток, при помощи которых осуществлялось управление, имела ряд маленьких колес с зубьями. Первое колесо считало единицы, второе - десятки, третье - сотни и т.д. Сложение в машине Паскаля производится вращением колес вперед. Двигая их обратно, выполняется вычитание.

Следующим шагом было изобретение машины, которая могла выполнять умножение и деление. Такую машину изобрел в 1671 г. немец Готфрид Лейбниц. Хоть машина Лейбница и была похожа на машину Паскаля, она имела движущуюся часть и ручку, с помощью которой можно было крутить специальное колесо или цилиндры, расположенные внутри аппарата. Такой механизм позволил ускорить повторяющиеся операции сложения, необходимые для умножения. Само повторение тоже осуществлялось автоматически [4].

Французский механик Жозеф Жаккар создал первый образец машины, управляемой введением в нее информацией. В 1802 г. он построил машину, которая облегчила процесс производства тканей со сложным узором. При изготовлении такой ткани нужно поднять или опустить каждую из ряда нитей. После этого ткацкий станок протягивает между поднятыми и пущенными нитями другую нить. Затем каждая из нитей опускается или поднимается в определенном порядке и станок снова пропускает через них нить. Этот процесс многократно повторяется до тех пор, пока не будет получена нужная длина ткани с узором. Для задания узора на ткани Жаккар использовал ряды отверстий на картах. Если применялось десять нитей, то в каждом ряду карты предусматривалось место для десяти отверстий. Карта закреплялась на станке в устройстве, которое могло обнаруживать отверстия на карте. Это устройство с помощью щупов проверяло каждый ряд отверстий на карте. Информация на карте управляла станком [10].

В 1822 г. англичанин Чарльз Бэббидж построил счетное устройство, которое назвал разностной машиной. В эту машину вводилась информация на картах. Для выполнения ряда математических операций в машине применялись цифровые колеса с зубьями. Десять лет спустя Бэббидж спроектировал другое счетное устройство, гораздо более совершенное, которое назвал аналитической машиной.

В первой половине XIX века английский математик Чарльз Бэббидж попытался построить универсальное вычислительное устройство - аналитическую машину, которая должна была выполнять вычисления без участия человека. Для этого она должна была уметь выполнять программы, вводимые с помощью перфокарт (карт из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий, как в ткацких станках), и иметь “склад” для запоминания данных и промежуточных результатов (в современной терминологии - память) [6]. Бэббидж не смог довести до конца работу - она оказалась слишком сложной для техник того времени.

В конце XIX в. были созданы более сложные механические устройства. Самым важным из них было устройство, разработанное американцем Германом Холлеритом. Исключительность его заключалась в том, что в нем впервые была употреблена идея перфокарт и расчеты велись с помощью электрического тока. Это сочетание делало машину настолько работоспособной, что она получила широкое применение в своё время. Например, при переписи населения в США, проведенной в 1890 г., Холлерит, с помощью своих машин, смог выполнить за три года то, что вручную делалось бы в течении семи лет, причем гораздо большим числом людей [10].

Лишь спустя 100 лет машина Бэбиджа привлекла внимание инженеров. В конце 30-х годов 20 века немецкий инженер Конрад Цузе разработал первую двоичную цифровую машину Z1. В ней широко использовались электромеханические реле, то есть механические переключатели, приводимые в действие электрическим током. В 1941 г. Конрад Цузе создал машину Z3, полностью управляемую с помощью программы.

Большой толчок в развитии вычислительной техники дала вторая мировая война: американским военным понадобился компьютер [12].

В 1944 г. американец Говард Айкен на одном из предприятий фирмы ІВМ построил довольно мощную по тем временам вычислительную машину «Марк-1». В этой машине для представления чисел использовались механические элементы- счетные колеса, а для управления применялись электромеханические реле. Программа обработки данных вводилась с перфоленты. Размеры: 15 X 2,5 м., 750000 деталей. "Марк-1" мог перемножить два 23-х разрядных числа за 4 с.

1.3 Электромеханический период

К 30-м годам XX века стала очевидной связь между релейными схемами и алгеброй логики (булевой алгеброй), основы которой заложил английский математик и логик Джордж Буль (1815-1864 гг.) в работе 1847 г. «Математический анализ логики». Идеи своей алгебры он развил в вышедшей в свет в 1854 г. работе «Исследование законов мышления». Когда появилась принципиальная возможность создания средств вычислительной техники на электрической базе, логические операции, введенные Дж. Булем, оказались весьма полезны. Они изначально ориентированы на работу только с двумя сущностями: истина и ложь. Поэтому они пригодились для работы с двоичным кодом, который в вычислительных машинах представляется всего двумя сигналами: выключено и включено (ноль и единица) [12].

Начиная с 30-х гг. XX века появляются вычислительные машины, использующие логические схемы для электромагнитных реле и оперирующие перфокартами. Эти машины могли выполнять довольно сложные арифметические вычисления.

Первая удачная попытка построить универсальную цифровую машину была предпринята в 1937 г. в США математиком Говардом Айткеном. Эта машина получила название вычислительной машины с автоматическим управлением последовательностью операций и известна под именем «Марк-1». Над первым вариантом машины Г. Айткен работал до 1944 г., машина создавалась на базе фирмы IBM и имела программное управление, программа набиралась на коммутационных досках и переключателях.