Файл: История развития средств вычислительной техники..pdf

Десять оборотов первого колеса, по замыслу ученого, должны были приводить к одному полному обороту второго, а десять оборотов второго – к одному обороту третьего и т.д. Вся система, состоящая из 13 стержней с зубчатыми колесами, должна была приводиться в движение набором грузов.

В 1969 году по чертежам Леонардо да Винчи фирма IBM по производству компьютеров в целях рекламы построила работоспособную машину. Специалисты воспроизвели машину в металле и убедились в полной состоятельности идеи учёного [12, с. 38].

Машина В. Шиккарда

Однако потребность в механизации счёта была настолько малой, что лишь через сто с лишним лет после смерти Леонардо да Винчи немецкий учёный В. Шиккард предложил своё решение данной задачи [13, с. 73].

В. Шиккард разработал счётную машину для умножения и суммирования шестиразрядных десятичных чисел. Причиной, побудившей В. Шиккарда разработать данную машину, было его знакомство с польским астрономом И. Кеплером. Работа астронома в основном была связана с вычислениями. В. Шиккард решил оказать ему помощь в нелёгком труде. В своих письмах к И. Кеплеру в 1623 году Шиккард описывает проект суммирующей машины, которую он назвал «счётными часами» [15, с. 147].

Суммирующая машина Б. Паскаля

Первую машину, которая могла считать сама, создал французский учёный Б. Паскаль. Он задумал её ещё в детстве. Его отец работал сборщиком налогов и все вечера занимался подсчётами.

Сын видел, как отец уставал от данного занятия, и мечтал подарить отцу машину, которая бы облегчила его труд. В 1642 году Паскаль сконструировал первый механический вычислитель, позволяющий вычитать и складывать числа [15, с. 148].

Для выполнения арифметических операций Паскаль заменил поступательное перемещение костяшек в абаковидных инструментах на вращательное движение оси (колеса). Таким образом, в его машине сложению чисел соответствовало сложение пропорциональных им углов.

Эта машина вошла в историю вычислительной техники под названием «Паскалина» (рис. 2). За время работы над устройством Паскаль сделал более 50 разных моделей данной машины, в которых он экспериментировал не только с материалами, но и с формой деталей машины. До наших дней сохранилось восемь его машин [13, с. 75].

Рисунок 2 - Паскалина: а – вид спереди; б – вид сзади

Счётная машина Г. В. Лейбница

Немецкий математик, философ, физик Г. В. Лейбниц в 1673 году создал «ступенчатый вычислитель» – счётную машину, позволяющую вычитать, складывать, делить, умножать, извлекать квадратные корни. Машина работала с 12-разрядными числами [12, с. 39].

К зубчатым колёсам Лейбниц добавил ступенчатый валик, позволяющий выполнять деление и умножение.

Машины Ч. Бэббиджа

Два новшества – программное (с помощью перфокарт) управление и технология вычислений при ручном счёте – явились базой для работ профессора Кембриджского университета Ч. Бэббиджа.

Из всех изобретателей прошлых столетий, внесших тот или иной вклад в развитие вычислительной техники, он ближе всего подошёл к созданию компьютера в современном его понимании [12, с. 41].

В начале 1820-х годов Ч. Бэббидж написал специальную работу, в которой показал, что полная автоматизация процесса создания математических таблиц гарантированно обеспечит точность данных, т. к. исключит все три источника порождения ошибок. Фактически вся остальная жизнь учёного была связана с воплощением этой идеи в жизнь [13, с. 77].

Наивысшим достижением Ч. Бэббиджа была разработка принципов, положенных в основу современного компьютера, за целое столетие до того, как появилась техническая возможность их реализации. Им были созданы две машины – разностная (1822 г.) и аналитическая (1830 г.).

1.3. Электромеханический период

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

Вспомним, с какими объектами работали первые механические предшественники современного электронного компьютера [15, с. 151].

Числа представлялись:

- или в виде линейных перемещений реечных и цепных механизмов;

- или в виде угловых перемещений рычажных и зубчатых механизмов.

И в том и в другом случае это были перемещения, что в значительной степени сказывалось на скорости их работы и габаритах устройств. Только переход от регистрации перемещений к регистрации сигналов позволил серьезно уменьшить габариты и увеличить быстродействие. Однако на пути к данному достижению требовалось ввести ещё несколько важнейших понятий и принципов. К ним относят: двоичную систему счисления и математическую логику Дж. Буля.

Необходимость проведения массовых расчётов в разных областях и развитие электротехники привели к созданию электромеханической вычислительной техники. Помимо этого, были введены ещё очень важные понятия и принципы – двоичная система счисления и математическая логика Дж. Буля [15, с. 153].

Наиболее известным изобретением электромеханического периода является статистический табулятор, построенный американцем Г. Холлеритом для ускорения обработки результатов переписи населения, проводимой в США в 1890 году [13, с. 78].

Главными устройствами табулятора были:

- вычислительный механизм, в котором использовались реле;

- перфоратор;

- сортировальная машина.

Г. Холлерит стал «отцом-основателем» целого направления вычислительной техники – счётно-перфорационного. На базе созданных им устройств создавались целые машиносчетные станции для механизированной обработки информации, послужившие прообразом грядущих вычислительных центров [12, с. 43].

В 1924 году появилась всемирно известная компания International Business Machines Corp (IBM).

С точки зрения преодоления разных инженерных трудностей и применения целого ряда прогрессивных принципов (двоичная система счисления, программное управление, операции условного перехода и т. п.) такие машины, как Z-3 и «Марк-1», были выдающимися достижениями того времени. Однако вычислительные машины с таким быстродействием не могли стать основой для серьёзных изменений в области автоматизации вычислительных работ. Вычисления они выполняли крайне медленно, т. к. были основаны на медленно работающих элементах. Хотя время срабатывания реле и составляет 0,1 с, но в двоичной системе каждое действие требует во много раз больше тактов работы, чем в десятичной.

Только появление электронных вычислительных машин привело к постепенному закату эры электромеханических средств вычисления, развивавшихся вплоть до середины 50-х гг. XX века. Но успешно апробированные Г. Холлеритом источники ввода информации на перфокартах широко использовались в нескольких поколениях первых ЭВМ.

1.4. Электронный период

В течение механического, электромеханического и в начале электронного периода развития цифровая вычислительная техника оставалась областью техники, научные основы которой только закладывались [12, с. 45].

Предпосылки возникновения электронной вычислительной техники

1. Математические предпосылки:

- двоичная система счисления, которую Г. В. Лейбниц предложил использовать для организации вычислительных машин,

- алгебра логики, разработанная Дж. Булем.

2. Алгоритмические предпосылки – абстрактная машина Тьюринга, использованная для доказательства возможности машинной реализации любого алгоритма, имеющего решение.

3. Технические предпосылки – развитие электроники.

4. Теоретические предпосылки – результаты работ К. Шеннона, соединившего электронику и логику [15, с. 155].

Электронно-вычислительные машины появились, когда возникла острая необходимость в очень трудоёмких и точных расчётах, особенно в таких областях, как атомная физика, теория динамик полета и управления летательными аппаратами [13, с. 79].

В связи с переходом на электронные безынерционные элементы произошёл качественный скачок быстродействия. Работы, которые привели к созданию совершенно новой области техники – электроники, были начаты ещё в конце XIX в.

В 1884 году Т. Эдисон описал открытое им явление термоэлектронной эмиссии. В 1897 году немецкий физик Г. Браун изобрёл электронно-лучевую трубку. Триод – одна из самых популярных электронных ламп – был создан в 1906 году американцем Ли де Форстером. В 1918 году наш соотечественник М. Бонч-Бруевич изобрёл ламповый триггер, сыгравший впоследствии огромную роль в развитии вычислительной техники [13, с. 81].

К началу 40-х годов, т. е. ко времени возникновения первых автоматических вычислительных машин, электронные устройства получили уже серьезное распространение и развитие. Они широко применялись во многих областях техники, прежде всего радиотехники. Зарождались телевидение и радиолокация, развивалась электронная контрольно-измерительная техника [15, с. 157].

Казалось, что достигнутая скорость вычислений будет достаточной для всех и надолго. Но действительность очень быстро заставила искать новые пути убыстрения счёта. Вторая мировая война поставила человеческую жизнь (артиллериста, летчика и т. п.) в зависимость от скорости вычислений. Кто точнее и быстрее принимал решения (а именно для этого нужно было производить вычисления), тот и побеждал!

Именно данная дилемма заставила человечество изобрести электронно-вычислительные машины и тем самым вступить в новый век – век ЭВМ. Это не означает, что без войны век ЭВМ не наступил бы. Эта тенденция привела бы к созданию ЭВМ в любом случае. Война лишь обострила потребность в быстром счёте и тем самым интенсифицировала работы по созданию ЭВМ.

За решение данной проблемы взялись крупнейшие учёные этого времени. Среди них был Н. Винер – известный американский математик.

Он указал, как по наблюдению траектории полёта самолета до выстрела орудия можно определить положение его ствола в момент выстрела, при котором вероятность поражения будет максимальна [7, с. 73].

Способ, предложенный Н. Винером, требовал большого объёма вычислений, которые необходимо было сделать за те мгновения, пока самолёт приближается к цели, т.е. за 2-3 с. С такой задачей арифмометр не справится. Нужна была электроника!

Н. Винер сформировал ряд требований к вычислительным машинам:

1) они должны состоять из электронных ламп (чтобы обеспечить достаточное быстродействие);

2) должна использоваться более экономичная двоичная, а не десятичная система счисления;

3) машина сама должна корректировать свои действия, в ней необходимо выработать способность к самообучению.

С переходом на безынерционные электронные элементы в вычислительной технике наступил существенный прогресс. Вычислительные машины, построенные на электронных триггерных схемах, использующих вакуумные триоды, открыли новое направление в вычислительной технике, их стали называть «электронные вычислительные машины» [7, с. 75].

2. Поколения ЭВМ

2.1. Первое поколение ЭВМ (1945-1954 гг.)

С абсолютной точностью дату рождения компьютеров первого поколения назвать сложно. Появлению на свет ENIAC, признанного родоначальника всех компьютеров, предшествовали почти полтора десятилетия подготовки. Еще в 1939 г. Джон Атанасов и Клиффорд Берри продемонстрировали электронный компьютер – прототип ABC. В 1941 г. Конрад Цузе разработал механическое счетное устройство, которое тоже можно назвать компьютером [8, с. 35].

В 1943 г. началась расшифровка немецких радиограмм с использованием электронно-механического компьютера Colossus. В 1944 г. Говард Айкен разработал механическое устройство Mark I для ВМФ США. Собственно, ENIAC признать полноценным компьютером также сложно: он не имел такого непременного атрибута, как хранимая в памяти программа. Так уж случилось, что его непосредственный наследник, действительно работающий по хранимой в памяти программе, компьютер EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer), который был построен в 1949 г., опоздал. Его опередили разработки, сделанные в Манчестерском и Кембриджском университетах. В июне 1948 г. первая программа была выполнена на машине Manchester Small-Scale Experimental Machine (SSEM), прозванной «Манчестерским Бэби», а в 1949 г. была запущена в эксплуатацию EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator), машина, созданная в математической лаборатории Кембриджского университета под руководством Мориса Уилкса. Показательно, что отечественные разработки на этом этапе велись независимо от зарубежных и примерно с такими же результатами, например, советские ученые построили под руководством С. А. Лебедева машину МЭСМ в 19501951 гг.

Хотя использование вакуумных ламп ознаменовало крупный шаг вперед в развитии вычислительной техники, «Колосс» все же был специализированной машиной, применение которой ограничивалось расшифровкой секретных кодов. Однако на другом берегу Атлантического океана, в Филадельфии, потребности военного времени способствовали появлению устройства, которое по принципам работы и применению было уже ближе к теоретической универсальной машине Тьюринга [8, с. 37].