Файл: История развития средств вычислительной техники (1 Развитие средств вычислительной техники до 20 столетия).pdf

Последний шаг в эволюции цифровых вычислительных устройств (механического типа) сделал английский ученый Чарльз Бэббидж (1791-1871). Блестящий математик, прекрасно знающий методы вычислений, уже имел опыт создания технических средств для облегчения вычислительного процесса (разностная машина Бэббиджа для табуляции многочленов 1812-1822). Он сразу же увидел в вычислительном принципе, предложенном Г. Прони, возможность дальнейшего развития их работы.

Рисунок 9 – Рабочая разностная машина Ч. Бэббиджав музее компьютерной истории в Маунтейн Вью, Калифорния

Аналитическая машина (как называл ее Бэббидж), проект, разработанный в 1836-1848 годах, был механическим прототипом компьютеров, появившихся спустя столетие. Предполагалось, что у нее такие же базовые компоненты, как в компьютере, пять основных устройств: арифметическое, память, управление, ввод, вывод. Для арифметического устройства Ч. Бэббидж использовались зубчатые колеса, аналогичные используемым ранее. На них Ч. Бэббидж предполагал выполнить устройство из 1000 50-битных регистров (по 50 колес в каждом!). Программа вычислений была основана на перфокартах (перфорации), на них были записаны исходные данные и результаты расчетов. В числе операций, за исключением четырех арифметических операций, была операция условного переноса.

Автоматическое выполнение программ расчета обеспечивалось устройством управления. Время добавления двух 50-битных десятичных чисел было, согласно расчетам ученого, 1 секундой, умножение - 1 минута. Механический принцип построения и использования системы десятичных чисел, из-за которой трудно было создать простую базовую конструкцию, не позволил Ч. Бэббиджу полностью реализовать свое намерение, ему пришлось ограничиться скромными макетами. В противном случае машина была бы равна размеру локомотива, и для управления его устройствами потребовался бы паровой двигатель.

Вычислительные программы на машине Ч. Бэббиджа, составленные дочерью Байрона Адой Аугуста Лавлейс (1815-1852), на удивление похожи на программы, скомпилированные для первых компьютеров. Не случайно это замечательная женщина имеет статус первого программиста. Но, несмотря на все усилия Ч. Бэббидж и А. Лавлейс, машина так и не была построена.

Ученый опередил свое время, и он понял это: ««Вероятно, пройдет половина столетия, прежде чем кто-либо возьмется за такую малообещающую задачу без тех указаний, которые я оставил после себя. ... Только он один полностью сможет понять характер моих усилий и ценность их результатов».

Джордж Буль (1815-1864), который жил в те же годы, также не был понят современниками. Алгебра логики, разработанная им (булева алгебра), использовалась в следующем столетии, когда нужна была бинарная система чисел для написания программ для ЭВМ.

«Соединил» математическую логику с двоичной системой счисления и электрическими цепями американский ученый Клод Шеннон в своей знаменитой диссертации (1936 г.).

Широкое использование счетных механических машин было получено только в 1820 году, когда француз Чарльз Калмар изобрёл машину, которая могла производить четыре основных арифметических действия. Машину Калмара назвали арифмометр. Благодаря своей универсальности арифмометры использовались довольно длительное время до 60-х годов ХХ века.

2 Развитие средств вычислительной техники в 20 столетии

2.1 Цифровые вычислительные машины Конрада Цузе и Говарда Айткена

Через 63 года после смерти Ч. Беббиджа нашелся «некто», взявший на себя задачу создать машину, подобную по принципу действия той, которой отдал жизнь Ч. Бэббидж. Им оказался немецкий студент Конрад Цузе (1910-1995). Работу по созданию машины он начал в 1934г., за год до получения инженерного диплома. Конрад ничего не знал ни о машине Бэббиджа, ни о работах Лейбница, ни про алгебру Буля, которая словно создана для того, чтобы проектировать схемы с использованием элементов, имеющих лишь два устойчивых состояния.

Однако он оказался достойным наследником В. Лейбница и Дж. Буля, поскольку вернул к жизни уже забытую двоичную систему счисления, а при расчете схем использовал нечто подобное булевой алгебре. В 1937г. машина Z1 (что означало «Цузе 1») была готова и заработала

Рисунок 10 – Модель вычислительной машины Z1 в Немецком техническом музее Берлина

Она была, подобно машине Бэббиджа, чисто механической. Использование двоичной системы создало чудо - машина занимала всего два квадратных метра на столе в квартире изобретателя. Числа и программа вводилась вручную. Еще через год в машине появилось устройство ввода данных и программы, Цузе использовал киноленту, на которую перфорировалась информация, а механическое арифметическое устройство он заменил на аналоговое последовательного действия на телефонных реле. В этом К. Цузе помог австрийский инженер Гельмут Шрайер, специалист в области электроники. Усовершенствованная машина получила название Z2.

В 1941 г. Цузе с участием Г. Шрайера создает релейную вычислительную машину с программным управлением Z3, содержащую 2000 реле и повторяя основные характеристики Z1 и Z2. Она стала первой в мире полностью релейной цифровой вычислительной машиной с программным управлением и успешно эксплуатировалась. Ее размеры лишь немного превышали размеры Z1 и Z2.

Рисунок 11 – Воссозданный Z3 в Немецком музее г. Мюнхена

Еще в 1938 г. Г. Шрайер предложил использовать для построения Z2 электронные лампы вместо телефонных реле. Тогда К. Цузе усомнился в этом решении.

Но в годы Второй мировой войны он сам пришел к выводу о возможности лампового варианта машины. Они представили свои соображения в военное ведомство, указав, что новая машина могла бы использоваться для расшифровки радиограмм союзников. Однако немецкое правительство, надеясь на скорую победу, не поддержала этот проект.

Так был упущен шанс создать в Германии не только первую релейную, но и первую в мире электронную вычислительную машину.

К этому времени К. Цузе организовал небольшую фирму, и ее усилиями были созданы две специализированные релейные машины S1 и S2. Первая - для расчета деталей крыльев «летающих торпед» - самолетов-снарядов, которыми обстреливался Лондон, вторая - для управления ими. Она оказалась первой в мире управляющей вычислительной машиной.

К концу войны К. Цузе создает еще одну релейную вычислительную машину - Z4. Она окажется единственной сохранившейся из всех машин, разработанных им. Другие будут уничтожены при бомбардировке Берлина и заводов, где они выпускались.

Рисунок 12 – Z4 в экспозиции Немецкого музея в Мюнхене

Итак, К. Цузе установил несколько вех в истории развития компьютеров: первым в мире использовал при построении вычислительной машины двоичную систему счисления (1937 г.), создал первую в мире релейную вычислительную машину с программным управлением (1941 р.) и цифровую специализированную управляющую вычислительную машину (1943 г.).

Эти поистине блестящие достижения, однако, существенного влияния на развитие вычислительной техники в мире (за исключением Германии) не предоставили. Дело в том, что публикаций о них и какой-либо рекламы из-за секретности работ не было, и поэтому о них стало известно только через несколько лет после окончания Второй мировой войны.

По-другому развивались события в США. В 1944 г. ученый Гарвардского университета Говард Айкен (1900-1973) создает первую в США (тогда считалось первую в мире) релейно-механическую цифровую вычислительную машину МАРК-1. По своим характеристикам (производительность, объем памяти) она была близка к Z3, но существенно отличалась размерами (длина 17 м, высота 2,5 м, вес 5 тонн, 500 000 механических деталей).

Рисунок 13 – Релейно-механическая цифровая вычислительная машина
МАРК-1

В машине использовалась десятичная система счисления. Как и в машине Бэббиджа использовались зубчатые колеса. Управление и связь между ними осуществлялась с помощью реле, число которых превышало 3000. Г. Айкен не скрывал, что многое в конструкции машины он заимствовал у Ч. Бэббиджа. «Если бы был жив Бэббидж, мне ничего было бы делать», - говорил он. Превосходным качеством машины была ее надежность. Установленная в Гарвардском университете, она проработала там 16 лет.

В отличие от работ Цузе, разработка МАРК-1 проводилась открыто, и о создании необычной по тем временам машины быстро узнали во многих странах. За день машина выполняла вычисления, на которые раньше тратилось полгода. Дочь К. Цузе, которая работала в военной разведке и находилась в то время в Норвегии, прислала отцу вырезку из газеты, сообщая о грандиозном достижении американского ученого.

К. Цузе мог торжествовать. Он во многом опередил соперника. Позже он направит ему письмо и скажет об этом.

А правительство Германии в 1980 г. выделит ему 800 тыс. марок для воспроизведения Z1, что он и осуществил вместе с помощью своих студентов. Своего «воскресшего» первенца К. Цузе передал на вечное хранение в музей вычислительной техники в Падеборне.

2.2 Первые в мире ЭВМ

В 1941 году сотрудники Лаборатории баллистических исследований на Абердинском испытательном полигоне в США обратились в ближайшую техническую школу при Пенсильванском университете за помощью в составлении стрелковых таблиц для артиллерийских орудий, надеясь на дифференциальный анализатор Буша в школе, громоздкое механическое аналоговое вычислительное устройство. Однако физик школы Джон Мочли (1907-1986), который любил метеорологию и сделал несколько простых цифровых устройств на электронных лампах для решения проблем в этой области, предложил что-то еще.

Они составил (в августе 1942 года)и послал в военный отдел США создать мощный компьютер (в то время) на электронных лампах. Сотрудники полигона получили финансирование для проекта, а в апреле 1943 года был подписан контракт между полигоном и Пенсильванским университетом на создание компьютера под названием электронный цифровой интегратор и компьютер (Eniak). На это было отпущено 400 тысяч долларов. В работе приняли участие около 200 человек, в том числе десятки математиков и инженеров. Руководителями работы были Дж. Мочли и талантливый инженер-электронщик Препер Экерт (1919-1995). Именно он предложил использовать электронные лампы для машины (их можно было получить бесплатно).

Учитывая, что необходимое количество ламп приближается к 20 000, а средства, выделенные для создания машины, очень ограничены, это было мудрое решение. Он также предложил снизить напряжение ламп, что значительно повысило надежность их работы. Тяжелая работа закончилась в конце 1945 года. Eniak был представлен для тестирования и успешно выдержал их.

Рисунок 14 – ЭВМ ENIAC

В начале 1946 года машина начала рассматривать реальные проблемы. По размеру он был более впечатляющим, чем МАРК-1: 26 м в длину, 6 м в высоту, вес 35 тонн. Но это было по производительности в 1000 раз выше MARK-1. Это было результатом использования электронных ламп.

В 1945 году, когда была завершена работа по созданию ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), и ее создатели уже разработали новый электронный цифровой компьютер EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer), в котором они предусмотрели устройство с размещением программ в ОЗУ, Джон фон Нейман (1903-1957), выдающий математик и участник проекта Манхеттен для создания атомной бомбы, был отправлен им в качестве консультанта, чтобы устранить главный недостаток Eniak, сложность внедрения вычислительных программ.

В 1946 году Нейман, Гольдштейн и Беркс (все трое работали в Принстонском институте углубленных исследований) составили отчет, содержащий подробное описание принципов построения цифровых электронных компьютеров. Принципы, изложенные в докладе, были следующими.

1. Машины на электронных элементах не должны работать в десятичной системе, но в двоичной системе счисления.

2. Программа должна быть расположена в одном из блоков машины - памяти.

3. Программа, а также данные должны быть представлены в двоичном коде. Таким образом, форма представления команды и числа одинаковы. Это обстоятельство приводит к следующим важным последствиям:

результаты вычислений, константы и другие числа могут быть помещены в одно и то же запоминающее устройство, что и программа;

числовая форма программы.

4. Трудности физической реализации логических цепей требуют иерархической организации памяти.

5. Арифметическое устройство машины выполняется на основе схем, выполняющих операцию сложения, создание специальных устройств для выполнения других операций нецелесообразно.

6. Машина использует параллельный принцип вычислительного процесса (операции над словами выполняются одновременно на всех цифрах).

Нельзя сказать, что перечисленные принципы построения компьютеров были впервые высказаны Дж. Нейманом и остальными авторами. Их заслуга в том, что они, обобщили накопленный опыт. Имя Дж. Неймана привлекло внимание к отчетам, а принципы и структуры компьютеров, выраженных в них, стали называть Неймановскими.