Файл: История развития средств вычислительной техники (История развития ВТ в нашей стране).pdf
Добавлен: 17.05.2023
Просмотров: 236
Скачиваний: 4
Введение
Несмотря на то, что современная история вычислительной техники (далее – ВТ) насчитывает чуть более полувека, предыстория имеет гораздо более длительный путь. Человечество шло к появлению современной ВТ сложным и тернистым путем, ведь никакие нынешние изобретения, технологии не рождались на пустом месте. Знание этапов этого пути, знание истории развития ВТ необходимо не только для общего развития, общей культуры. Народная мудрость гласит – «все новое, это хорошо забытое старое». В современных и проектируемых моделях ВТ реализуются идеи, о которых начинали говорить десятки, сотни лет назад, но ввиду отсутствия материально-технической, научной баз, не нашедшие воплощения в свое время.
В представленной работе я попытаюсь отразить основные события истории развития ВТ, благодаря которым станет понятно, что создание современной техники — это результат работы множества поколений изобретателей, ученых. Для максимального раскрытия темы история развития ВТ разделена на два периода: до появления компьютера (счетно-решающего средства) и после появления компьютера. Также в работе будут кратко отражены основные характеристики поколений электронных вычислительных машин (далее – ЭВМ). Помимо этого, будет отдельно рассмотрена история развития ВТ в нашей стране, отмечены наиболее выдающиеся ученые, разработки и их вклад в мировую историю развития средств ВТ.
1. Доэлектронная эпоха
Ручной этап развития
С самых древних времен, примерно с эпохи верхнего палеолита, человечество «автоматизировало» вычисления используя, в первую очередь, пальцы собственных рук и ног. Привычные для современного человека десятичная система счисления, компактность и удобство транспортировки, надежность и простота использования – все, к чему стремятся современные разработчики ЭВМ было реализовано самой природой. Счет на пальцах применялся и в древнем мире, и в эпоху средневековья, и даже в настоящее время можно встретить, хоть и ограниченно, использование дактилономии на Среднем Востоке арабскими и индийскими торговцами[1]. Существенным недостатком пальцевого счета является отсутствие возможности сохранять результат счета. В дальнейшем появился счет с использованием различных приспособлений – небольших камней, ракушек, бобов. Следующим этапом стало начало применения в счете и фиксации результатов различных деревянных палочек (костей) с зарубками. Впервые упоминание о способе записи чисел путем нанесения зарубок встречается на барельефе храма фараона Сети I (1350 г. до н. э.) в Абидосе. Здесь изображен бог Тот, отмечающий с помощью зарубок на пальмовой ветви длительность срока правления фараона[2]. Вместо палочек и костей некоторые народы использовали веревки (ремни) с узелками.
Очередной виток развития вычислительных устройств связан с усилением торговых отношений в государствах Средиземноморья приблизительно в 3-м тысячелетии до н. э. Применявшиеся камушки, веревки с узелками уже не удовлетворяли возросшим потребностям торговцев, и для ведения счета и простейших математических действий появился абак. Абак представлял собой дощечку, расчерченную на несколько полос или колонок, и какие-нибудь предметы, например камешки или палочки, размещались в получившихся колонках по позиционному принципу. Значения, приписываемые камешкам в различных колонках, обычно сообразовывались с соотношениями разрядов единиц. Аналоги абака использовались в странах Востока, в Европе, на территории современной России, в империях инков и ацтеков[3]. В последующем абак и его аналоги развивались и модернизировались. В X веке в Европе французский монах Герберт Аврилакский при счете на абаке употреблял жетоны и сформулировал ряд правил, позволявших перемножать числа. В Англии в XV веке появилась новая разновидность абака – «линейчатая доска», использование которой продолжалось вплоть до XVIII века. Японский соробан и русские счеты – современное наследие абака – используются до сих пор.
Потребность в быстром проведении сложных расчетов росла и в начале XVII века шотландский математик, астроном Джон Непер представил два своих изобретения, позволивших упростить счет. В 1617 году счетный прибор, позволивший упростить операции умножения, деления извлечение квадратного корня, известный как «счетные палочки Непера»[4]. Более значимым изобретением стало открытие логарифмов. Благодаря свойствам логарифмов сложное действие умножения сводилось к простой операции сложения. Чтобы перемножить два больших числа, нужно лишь посмотреть их логарифмы в таблице, сложить найденные значения и отыскать число, соответствующее этой сумме, в обратной таблице, называемой таблицей антилогарифмов. Однако и работа с логарифмическими таблицами оставалась достаточно трудоемкой и утомительной для тех, кому приходилось ею заниматься ежедневно.
Упрощением занимался ряд ученых и вскоре профессор астрономии Эдмунд Гюнтер предложил идею использовать логарифмическую шкалу с двумя циркулями-измерителями. Идея оказалась удачной и получила развитие, но уже без циркулей. В период между 20-ми 30-ми годами XVII века учеными Уильямом Отредом и Ричардом Деламейном независимо друг от друга была изобретена логарифмическая линейка. Благодаря преимуществам использования логарифмической линейки для сложных подсчетов они становятся широко известны. Примерно в те же годы появляется круговая линейка, спиральная линейка, цилиндрическая. В 1654 году Роберт Бессакер доработал конструкцию, разместив одну подвижную планку между двух неподвижных. Спустя 200 лет, в 1850-м году француз Амадей Маннхейм доработал линейку, добавив «бегунок», который не только расширил возможности счета на логарифмической линейке, но и позволил фиксировать промежуточный результат счета без записи.
Механический этап развития
С начала XVII века с развитием механики началась новая эпоха в создании счетных устройств. Способствовали этому открытие и развитие океанского судоходства (и связанного с ним развития астрономии), расширение объемов торговли, которые требовали ускорения и точности[5] работы с данными. В 1623-1624 годах немецкий ученый Вильгельм Шиккард разработал проект и изготовил два образца счетной машины. Она состояла из двух устройств: первое – счетное, второе - для запоминания промежуточных результатов. Счетное устройство было шестиразрядным и позволяло автоматически проделывать сложение, вычитание, умножение и деление. Сложение и вычитание были реализованы с помощью шестью десяти зубовых шестерен, однозубого колеса для переноса разряда и нескольких промежуточных шестерен. Результат операций был виден в окошках корпуса. Для операций умножения и деления использовалось механизированное подобие неперовых палочек свернутых в цилиндр[6]. Оба образца этой счетной машины были уничтожены во время пожара и дальнейших упоминаний устройства история не сохранила.
В 1642 году французский ученый Блез Паскаль создал «суммирующую машину», однако результат его не удовлетворил и дальнейшие изыскания продолжались 12 лет. За это время Паскаль много экспериментировал с материалом, формой деталей, и построил около 50 различных модификаций машины, из которых 8 сохранилось до наших дней[7]. Окончательный вариант был сделан из латуни и получился достаточно компактным - 35х12,5х7 см. Внутри нее располагались барабаны с нанесенными цифрами от 0 до 9, которые отображали результат операции. Для ввода слагаемых сверху машины располагались наборные колесики. Конструкция получилась достаточно сложной, вращение колес проводилось только в одном направлении и позволяла проводить только операции сложения. Для проведения вычитания Паскаль применил схему с десятичным дополнением. Несмотря на высокую стоимость, сложность конструкции, принципы, заложенные в «Паскалине» определили дальнейшее развитие механических счетных устройств.
Занимаясь модернизацией счетной машины Паскаля Готфрид Вильгельм Лейбниц понял, что для проведения умножения и деления необходимо принципиально новое решение. В 1673 году он представил демонстрационный образец устройства, которое позволяло складывать, вычитать, умножать, делить и извлекать квадратные корни. Однако сам ученый признавал, что устройство несовершенно, и спустя два года он представил 12-ти разрядную модель. Главной идей стало использование в качестве множительного устройства ступенчатого валика, представляющего собой цилиндр, на боковой поверхности которого были нанесены 9 ступенек различной длины, взаимодействующим со счетным колесом. Ступенчатый валик использовался в арифмометрах вплоть до начала XX века, претерпел несколько усовершенствований[8]. С 1818 года серийное производство арифмометров начал Карл Ксавье Томас и в течение следующих 100 лет производилось до 400 устройств в год. В 1874 году наш соотечественник Вильгодт Теофил Однер доработал «практически совершенный» арифмометр К. Томаса, установив зубчатое колесо с переменным числом зубцов. Арифмометры «Феликс» выпускавшиеся вплоть до конца 70-х годов XX века в СССР были основаны на использовании «колеса Однера»[9].
Очередной этап развития механических счетных машин связан с именем английского математика Чарльза Бэббиджа. Именно он создал в 1822 году устройство, получившее название «разностная машина[10]». Принцип работы заключался на использовании метода конечных разностей, суть которого сводилась к рядам простых сложений известных разностей чисел. Использовалась разностная машина для решения дифференциальных уравнений. Впервые в истории в ней были применены такие части как «память» (регистры для хранения нескольких промежуточных результатов), «печатающее устройство» (результаты выводились на печать). Ввиду сложности изготовления полностью рабочего экземпляра, работы были приостановлены до 1847 года, однако, даже будучи частично построенной, машина производила вычисления.
Вторым устройством, спроектированным Ч. Бэббиджом стала «аналитическая машина»[11]. Фактически именно это устройство можно считать прообразом современного компьютера, ведь в нем было то, что присуще современной ЭВМ:
- «Склад» (хранение чисел, по современной аналогии – запоминающее устройство);
- «Мельница» (устройство для производства арифметических действий с числами со «склада»);
- Устройство для управления последовательностью действий машины;
- Устройства ввода-вывода данных.
Еще одним замечательным свойством аналитической машины, присущим современным машинам, стало разделение информации на команды и данные. Управление машиной осуществлялось с помощью перфокарт нескольких типов. Ими осуществлялось переключение режимов работы (сложение, вычитание и т.п.), передача данных со «склада» в «мельницу» и обратно[12], а также для ввода информации в память. Выходная информация могла пробиваться на перфокартах[13].
Однако аналитическая машина так и не была полностью построена, слишком сложная, огромная конструкция была для того времени[14]. Доработанные модели счетных устройств по образу разностной машины Бэббиджа были произведены в ряде стран. По чертежам, схемам и деталям узлов оригинальной разностной машины в ноябре 1991 года в лондонском Музее науки энтузиастами была создана разностная машина, а в 2000 году – принтер, которые работают наглядно показывают то, с чего начиналась эпоха компьютеров[15].
Электромеханический этап развития
Предпосылками создания электромеханических моделей ВТ послужило не только стремительное развитие электротехники в конце XIX века, но и возрастающая потребность проведения массовых расчетов в статистике, экономике и т.д.
Идея Бэббиджа использования перфокарт для работы с информацией была с успехом применена в США на устройстве известном как табулятор Холлерита. Основными узлами были вычислительный механизм (счетчик) на основе электромагнитного реле, перфоратор (пробойник) и сортировальная машина. Принцип работы заключался в следующем: перфокарты помещались между подпружиненными штырями и резервуаром с ртутью. При попадании штыря в отверстие и касании ртути, замыкалась соответствующая цепь, срабатывало реле и стрелка на циферблате перемещалась на единицу шкалы. Первое практическое использование табулятора состоялось в 1887 году для составления статистики смертности. Но настоящий успех состоялся во время переписи населения 1890 года, когда сотрудники статистической службы предоставили результаты переписи в 4 раза быстрее[16]. В 1896 году Герман Холлерит создает компанию TMC (просуществовавшую до 1924 года, когда в результате слияния с несколькими компаниями появилась фирма IBM[17]), налаживает серийный выпуск табуляторов, продолжая развивать идею перфокарт и модернизируя устройства. Сферы применения табуляторов расширяются – железнодорожная статистика, учет заработной платы и материалов на предприятиях и т.д. В 1902 году появляется автоматическая подача перфокарт, в 1908-ом в схеме появляется сумматор для сортировальной машины, использующий ступенчатый валик Лейбница. В 1911 году появляются табуляторы, дополненные печатающим устройством. Растет география использования табуляторов – поставки машин начинаются в страны Европы, Российскую Империю. Появляется ряд компаний в Европе, производящих подобные счетно-аналитические машины. В 1920-ых годах появляются счетно-аналитические комплексы – счетные станции, состоящие из множества табуляторов, обслуживающие множество организаций, предприятий, банков. Табуляторы и перфокарты оказали огромное влияние на дальнейшее развитие ВТ. Первые поколения ЭВМ долгое время использовали перфокарты как средство хранения информации и как средство для ввода-вывода информации.
В конце 1930-х годов появляются первые электромеханические компьютеры и аналоговые вычислители, способные производить сложные расчеты со скоростью значительно превосходящей арифмометры и в автоматическом режиме. В 1938 году немецкий инженер Конрад Цузе во дворе дома построил вычислительную машину, названную им Z-1. Машина была построена на механической основе, имела клавиатуру для ввода данных (сделанную на основе печатающей машинки), устройство для чтения перфокарт, и приводилась в действие от двигателя пылесоса[18]. Несмотря на нестабильную работу вычислителя и ненадежной механической памяти, Цузе продолжал работу над усовершенствованием машины. В 1939 выпускает модель Z-2, в которой увеличивает надежность вычислителя, заменив механические переключатели на электромагнитные телефонные реле.