Файл: История развития средств вычислительной техники (Начало вычислений – ручной счёт).pdf

До нашего времени дошло только 8 машин Паскаля, из которых одна является 10-разрядной. Именно машина Паскаля положила начало механического этапа развития вычислительной техники.

2.2 Калькулятор Лейбница

Изначально, немецкий философ, логик, математик, механик, физик, юрист, историк, дипломат, изобретатель и языковед - Лейбниц (Лейбниц, Готфрид Вильгельм (Gottfried Wilhelm von Leibniz (1.07.1646- 14.11.1716)))^[12] пытался лишь улучшить уже существующее устройство Паскаля, но вскоре он понял, что операция умножения и деления требуют принципиально нового решения, которое бы позволяло вводить множимое только один раз.

К концу 1685 года вышла в свет компьютерная рукопись, с характерным для Лейбница названием «Machina arithmetica in qua non additio tantum et subtractio sed et multiplicatio nullo, divisio vero paene nullo animi labore peragantur», в которой он писал о ценности компьютера;

«...the astronomers surely will not have to continue to exercise the patience which is required for computation. It is this that deters them from computing or correcting tables, from the construction of Ephemerides, from working on hypotheses, and from discussions of observations with each other. For it is unworthy of excellent men to lose hours like slaves in the labour of calculation which could safely be relegated to anyone else if machines were used. »^[13]

(«... астрономам, конечно, не придется продолжать проявлять терпение, необходимое для вычислений. Именно это удерживает их от вычисления или исправления таблиц, от построения Эфемерид, от работы над гипотезами и от обсуждений наблюдений друг с другом. Ибо достойные люди недостойны терять часы, как рабы, в труде расчета, который можно было бы безопасно отнести к кому-либо еще, если бы использовались машины.»)^[14]

Это стало возможно, благодаря разработанному Лейбницем цилиндру, на боковой поверхности которого, параллельно образующей, располагались зубья различной длины. Этот цилиндр получил название «Ступенчатый валик».

К ступенчатому валику крепится зубчатая рейка. Эта рейка входит в сцепление с десятизубым колесом №1, к которому прикреплялся циферблат с цифрами от 0 до 10. Поворотом этого циферблата задается значение соответствующего разряда множимого.

Например, если второй разряд множимого равнялся 5, то циферблат, отвечающий за установку этого разряда, поворачивался в положение 5. В результате десятизубое колесо № 1, с помощью зубчатой рейки, так перемещало ступенчатый валик, что при повороте на 360 градусов он входит в зацеплении с десятизубым колесом № 2 только пятью наиболее длинными ребрами. Соответственно, десятизубое колесо №2 поворачивалось на пять частей полного оборота, на столько же поворачивался и связанный с ним цифровой диск, отображающий результирующее значение выполненной операции (Рисунок 3).

Рисунок 3 Механизм работы валика Лейбница

При следующем обороте валика на цифровой диск снова перенесется пятерка. Если цифровой диск совершал полный оборот, то результат переполнения переносился на следующий разряд.

Поворот ступенчатых валиков осуществлялся с помощью специальной ручки – главного приводного колеса.

Таким образом, при выполнении операции умножения не требовалось многократно вводить множимое, а достаточно вести его один раз и повернуть ручку главного приводного колеса столько раз, на сколько необходимо произвести умножение. Однако, если множитель будет велик, то операция умножения займет длительное время. Для решения этой проблемы Лейбниц использовал сдвиг множимого, т.е. отдельно происходило умножение на единицы, десятки, сотни и так далее множителя.

Для возможности сдвига множимого, устройство было разделено на две части - подвижную и неподвижную. В неподвижной части размещался основной счетчик и ступенчатые валики устройства ввода множимого. Установочная часть устройства ввода множимого, вспомогательный счетчик и, главное, приводное колесо располагаются на подвижной части. Для сдвига восьмиразрядного множимого использовалось вспомогательное приводное колесо.

Рисунок 4 Модель калькулятора Лейбница

Так же для облегчения умножения и деления Лейбниц разработал вспомогательный счетчик, состоящий из трех частей.

Наружная часть вспомогательного счетчика - неподвижная. На ней нанесены числа от 0 до 9 для отсчета количества сложений множимого при произведении операции умножения. Между цифрами 0 и 9 расположен упор, предназначенный остановить вращение вспомогательного счетчика, когда штифт достигнет упора.

Средняя часть вспомогательного счетчика – подвижная, которая служит для отсчета количества сложений при умножении и вычитаний при делении. На ней имеется десять отверстий, напротив цифр внешней и внутренней частей счетчика, в которые вставляется штифт для ограничения вращения счетчика.

Внутренняя часть - неподвижная, которая служит для отчета количества вычитаний при выполнении операции деления. На ней нанесены цифры от 0 до 9 в обратном, относительно наружной части, порядке.

При полном повороте главного приводного колеса средняя часть вспомогательного счетчика поворачивается на одно деление. Если предварительно вставить штифт, например, в отверстие напротив цифры 4 внешней части вспомогательного счетчика, то после четырех оборотов главного приводного колеса этот штифт наткнется на неподвижный упор и остановит вращение главного приводного колеса (Рисунок 4).^[15]

2.3 Аналитическая машина Бэббиджа

В начале 1836 г. английский математик и изобретатель Чарлз Бэббидж (Charles Babbage (26.12.1791- 18.10.1871))^[16] уже четко представлял себе основную конструкцию машины, а в 1837 г. он достаточно подробно описывает свой проект. Его аналитическая машина состояла из следующих четырех основных частей:

1) блок хранения исходных, промежуточных данных и результатов вычислений;

2) блок обработки чисел из склада, названный мельницей;

3) блок управления последовательностью вычислений;

4) блок ввода исходных данных и печати результатов.^[17]

Для функционирования аналитической машины была необходима программа, первый пример которой был написан другим английским математиком - Адой Лавлейс (Augusta Ada King Byron, Countess of Lovelace (10.12.1815 – 27.11.1852)). В 1842 году на итальянском языке была опубликована статья Л.Ф. Менабреа по аналитической машине Бэбиджа, переводом которой на английский язык и занялась А. Лавлейс. В августе 1843 года вышел перевод статьи Менебреа, но с примечаниями переводчика, которые не только в 2.5 раза превзошли по объему оригинал, но и, по сути дела, заложили основы программирования на ЭВМ за столетие до начала действительного развития этого базового раздела информатики.

3. Электромеханический этап развития вычислительной техники

3.1 Первые электромеханические компьютеры

Z-серия Конрада Цузе

В 1936 году, работая в изоляции в нацистской Германии, немецкий инженер Конрад Цузе (Konrad Ernst Otto Zuse (22.06.1910 - 18.12.1995)) начал работу над своим первым вычислителем серии Z, имеющим память и (пока ограниченную) возможность программирования. Созданная, в основном, на механической основе, но уже на базе двоичной логики, модель Z1, завершённая в 1938 году, так и не заработала достаточно надёжно, из-за недостаточной точности выполнения составных частей. В 1939 году Цузе создал второй вычислитель Z2, но её планы и фотографии были уничтожены при бомбардировке во время Второй Мировой Войны, поэтому о ней почти ничего не известно. Z2 работала на электромагнитных переключателях, созданных в 1831 году ученым Джозефом Генри. Следующая машина Цузе — Z3, была завершена в 1941 году. Она была построена на телефонных реле и работала вполне удовлетворительно. Тем самым, Z3 стала первым работающим компьютером, управляемым программой. Во многих отношениях Z3 была подобна современным машинам, в ней впервые был представлен ряд новшеств, таких как арифметика с плавающей запятой. Замена сложной в реализации десятичной системы на двоичную, сделала машины Цузе более простыми, а значит, более надёжными; считается, что это одна из причин того, что Цузе преуспел там, где Бэббидж потерпел неудачу.

Программы для Z3 хранились на перфорированной плёнке. Условные переходы отсутствовали, но в 1990-х было теоретически доказано, что Z3 является универсальным компьютером (если игнорировать ограничения на размер физической памяти). В двух патентах 1936 года, Конрад Цузе упоминал, что машинные команды могут храниться в той же памяти что и данные — предугадав тем самым то, что позже стало известно, как архитектура фон Неймана^[18] и было впервые реализовано только в 1949 году в британском EDSAC.

Британский «Колосс»

Рисунок 5 "Колосс"

Во время Второй мировой войны, Великобритания достигла определённых успехов во взломе зашифрованных немецких переговоров. Код немецкой шифровальной машины «Энигма» был подвергнут анализу с помощью электромеханических машин, которые носили название «бомбы». Такая «бомба», разработанная Аланом Тьюрингом и Гордоном Уэлшманом (англ. Gordon Welchman), исключала ряд вариантов путём логического вывода, реализованного электрически. Большинство вариантов приводило к противоречию, несколько оставшихся уже можно было протестировать вручную.

Позднее немцы также разработали серию телеграфных шифровальных систем, несколько отличавшихся от «Энигмы». Их машина Lorenz SZ 40/42 использовалась для армейской связи высокого уровня. Первые перехваты передач с таких машин были зафиксированы в 1941 году. Для взлома этого кода, в обстановке секретности, в Британии была создана машина «Колосс» (Colossus). Проект разработали профессор Макс Ньюман (Maxwell Herman Alexander Newman) и его коллеги; сборка Colossus Mk I выполнялась в исследовательской лаборатории Почтового департамента Лондона и заняла 11 месяцев.

«Колосс» стал первым полностью электронным вычислительным устройством. В нём использовалось большое количество электровакуумных ламп, ввод информации выполнялся с перфоленты. «Колосс» можно было настроить на выполнение различных операций булевой логики, но он не являлся тьюринг-полной^[19] машиной. Помимо Colossus Mk I, было собрано ещё девять моделей Mk II. Информация о существовании этой машины держалась в секрете до 1970-х гг. Уинстон Черчилль лично подписал приказ о разрушении машины на части, не превышающие размером человеческой руки. Из-за своей секретности, «Колосс» не упомянут во многих трудах по истории компьютеров.

Американские разработки

В 1937 году Клод Шеннон (Claude Elwood Shannon (30.04.1916 – 24.02.2001.) показал, что существует соответствие один-к-одному между концепциями булевой логики и некоторыми электронными схемами, которые получили название «логические вентили» и в настоящее время повсеместно используются в цифровых компьютерах. Работая в Массачусетском технологическом институте, в своей основной работе (A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits^[20]) он продемонстрировал, что электронные связи и переключатели могут представлять выражение булевой алгебры и создал основу для практического проектирования цифровых схем.

В ноябре 1937 года Джорж Стибиц (Stibitz, George R Robert 1904-1995^[21]) завершил в Лаборатории Белла (Bell Labs) создание компьютера «Model K» на основе релейных переключателей. В конце 1938 года Bell Labs санкционировала исследования по новой программе, возглавляемые Д. Р. Стибицем. В результате этого, 8 января 1940 года был завершён «Калькулятор комплексного числа» (Complex Number Calculator), умеющий выполнять вычисления над комплексными числами. 11 сентября 1940 года в Дартмутском колледже, на демонстрации в ходе конференции Американского математического общества, Стибиц отправлял компьютеру команды удалённо, по телефонной линии с телетайпом. Это был первый случай, когда вычислительное устройство использовалось удалённо. Среди участников конференции и свидетелей демонстрации были Джон фон Нейман (John von Neumann), Джон Моучли (John William Mauchly) и Норберт Винер (Norbert Wiener), написавшие об увиденном в своих мемуарах.

В 1939 году Джон Винсент Атанасов (John Vincent Atanasoff) и Клиффорд Берри (Clifford E. Berry) из Университета штата Айова разработали Компьютер Атанасова-Берри (Atanasoff-Berry Computer (ABC)) (Рисунок 1Рисунок 6). Это был первый в мире электронный цифровой компьютер. Конструкция насчитывала более 300 электровакуумных ламп, в качестве памяти использовался вращающийся барабан. Несмотря на то, что машина ABC не была программируемой, она была первой, использующей электронные лампы в сумматоре. Соизобретатель ENIAC (Рисунок 7) Джон Моучли изучал ABC в июне 1941 года, и между историками существуют споры о степени его влияния на разработку машин, последовавших за ENIAC. ABC был почти забыт, до тех пор, пока в центре внимания не оказался иск «Хоневелл против Sperry Rand»^[22], постановление по которому аннулировало патент на ENIAC (и некоторые другие патенты), из-за того, что помимо других причин, работа Атанасова была выполнена раньше.