Файл: История развития средств вычислительной техники (Неэлектронные вычисления).pdf

Понятие числа возникло задолго до появления письменности. Люди учились счету в течение многих веков, передавая и увеличивая из поколения в поколение свой опыт.

Люди всегда испытывали потребность в счете. Для этого издавна они использовали подручные средства: пальцы рук, камешки, которые складывали в кучки или располагали в ряд. Количество предметов фиксировалось с помощью черточек, которые проводились по земле, с помощью зарубок на палках и узелков, которые завязывались на веревке.

С древних времен перед человечеством стояли задачи, которые требовали все возрастающих объемов вычислений. Еще во времена Античности некоторые области математики были настолько развиты, что образованный человек того времени по уровню знаний вряд ли уступал современному выпускнику школы.

С увеличением количества подлежащих подсчету предметов, развитием наук и ремесел появилась необходимость в проведении простейших вычислений. История вычислительной техники связана тесным образом с попытками человека облегчить и автоматизировать большие объёмы вычислений.

Появление компьютеров (от англ. слова “compute” – вычислять) – одна из характерных особенностей современного мира.

Изначально смысл английского слова «компьютер» – это человек, который производит расчеты. Широкое распространение компьютерной техники привело к тому, что большое количество людей начали изучать основы вычислительной техники, а программирование постепенно превращается из рабочего инструмента узкого специалиста в элемент культуры.

В истории вычислительной техники выделяют четыре основных периода развития, это домеханический, который берет свое начало с древних времен до середины XVII в., механический, начавшийся в середине XVII в. И длившийся до конца XIX в., электромеханический, берущий начало с конца XIX в. до 40-х гг. XX в. и электронный, который длится с 40-х гг. XX в. по настоящее время.

В данной работе будут рассмотрены средства, которые на протяжении всей истории развития человечества облегчали вычислительные операции, и перечисленные этапы их развития от самых простых и неэлектронных до современных ЭВМ.

1. Неэлектронные вычисления

Несомненно, счет на пальцах является самым древним и наиболее простым способом вычисления. Обнаруженная в раскопках так называемая "вестоницкая кость" с зарубками, оставленная древнем человеком ещё 30 тысяч лет до нашей эры, позволяет историкам предположить, что в то время предки современного человека освоили зачатки счета. У многих народов пальцы рук остаются по сей день инструментом счета и на более высоком уровне развития. К числу этих народов принадлежали и греки, сохранявшие очень долгое время счет на пальцах в качестве практического средства.

Первобытный человек взялся использовать небольшие камни вместо пальцев, чтобы сделать процесс счета более удобным. Из камней складывалась пирамида и определяли количество камней в ней, в случае если число велико, то подсчитать количество камней на глаз было затруднительно. Поэтому складывали из камней более мелкие пирамиды одинаковой величины из десяти камней по количеству пальцев рук.

В Древней Греции и в Древнем Риме был создан абак (от греческого слова abakion – “дощечка, покрытая пылью”), приспособление для счета. Абак называют также римскими счетами. Вычисления проводились на них путем перемещения счетных костей и камешков (калькулей) в полосковых углублениях досок из бронзы, слоновой кости, камня, цветного стекла. Изначально абак представлял собой дощечку, а позднее он принял вид доски, разделенной перегородками на колонки. На ней проводились линии-разделители для формирования колонок, а камешки раскладывались в эти колонки по тому же позиционному принципу, по которому кладется число на наши счеты. Эти счеты сохранились до эпохи Возрождения.

В странах Древнего Востока (Китай, Япония, Индокитай) были китайские счеты. На каждой проволоке или нити в счетах имелось по пять и по две костяшки. Счет производился единицами и пятерками.

Для арифметических вычислений в России использовались русские счеты, появившиеся в 16 веке, но кое-где счеты можно встретить и сегодня.

Первым устройством для выполнения умножения были палочки Непера, которые представляли собой набор деревянных брусков. Они были созданы шотландцем Джоном Непером (1550-1617гг.). На таком наборе из деревянных брусков была размещена таблица умножения. Также Джон Непер изобрел логарифмы.

Эскиз механического тринадцатиразрядного суммирующего устройства с десятью колесами был разработан еще Леонардо да Винчи (1452— 1519).

В 1623 г. профессором математики Вильгельмом Шиккардом (1592—1636) была изготовлена первая механическая счетная машина. В ней были механизированы операции сложения и вычитания, а умножение и деление выполнялось с элементами механизации.

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

В 1880г. в России В. Т. Однер создает 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.

В 1820-1822 гг. математик Чарльз Бэббидж (1791—1864) построил машину, которая могла вычислять таблицы значений многочленов второго порядка.

Первую механическую машину, которая могла выполнять сложение и вычитание, изобрел в 1646 г. 18-летний французский физик и математик Блез Паскаль. Формой машина представляла собой длинный сундучок. Она была громоздка, имела несколько специальных рукояток, которыми осуществлялось управление, и 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 в развитии было изобретение машины для выполнения умножения и деления. Такая машина была изобретена в 1671 г. немцем Готфридом Лейбницом. Машина Лейбница отчасти была похожа на "Паскалину", имела движущуюся часть и ручку, с помощью которой можно было крутить специальное колесо или цилиндры, расположенные внутри аппарата. Такой механизм ускорил повторяющиеся операции сложения, необходимые для умножения.

Французским ткачом и механиком Жозефом Жаккаром был создан первый образец машины, которая управляла введением информации в нее. В 1802 г. он построил машину для облегчения процесса производства тканей со сложным узором. При изготовлении такой ткани нужно поднять или опустить каждую из ряда нитей. После этого ткацким станком протягивается между поднятыми и опущенными нитями другая нить. Затем каждая из нитей опускается или поднимается в определенном порядке и станок снова пропускает через них нить. Этот процесс многократно повторяется до получения нужной длины ткани с узором. Для задания узора на ткани Жаккаром использовались ряды отверстий на картах, сколько нитей столько и отверстий. Карта с отверстиями закреплялась на станке в устройстве, которое могло обнаруживать данные отверстия с помощью щупов. Информация на карте управляла станком.

В 1822 г. англичанин Чарльз Бэббидж построил счетное устройство, названное разностной машиной. В эту машину вводилась информация с помощью карт. В машине применялись цифровые колеса с зубьями для выполнения ряда математических операций.

В первой половине XIX века Чарльзом Бэббиджом была предпринята попытка построить универсальное вычислительное устройство – аналитическую машину, с помощью которой можно было бы выполнять вычисления без участия человека. Для этого машина должна была уметь выполнять программы, которые можно было вводить с помощью перфокарт (карт из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий), и иметь “хранилище” для хранения данных и промежуточных результатов (в современной терминологии - память). Работа Бэббиджа не была завершена, идея оказалась слишком сложной для техник того времени.

В 1985 г. сотрудники Музея науки в Лондоне решили провести эксперимент по построению вычислительной машины Бэббиджа. В ноябре 1991 г. незадолго до двухсотлетия знаменитого изобретателя, машина Бэббиджа впервые произвела серьезные вычисления.

2. Использование электрического тока

В конце XIX в. создавались более сложные механические устройства. Самым важным из них было устройство американца Германа Холлерита. Значимость его заключалась в том, что в данном устройстве впервые расчеты велись с помощью электрического тока и была употреблена идея перфокарт. Эти отличительные свойства делали машину настолько работоспособной, что она получила широкое применение в своё время. К примеру, в 1890 г. Холлерит с помощью своих машин при переписи населения в США смог выполнить за три года ту работу, которая вручную большим числом людей делалось бы в течении семи лет.

Лишь спустя 100 лет машине Бэбиджа удалось привлечь внимание инженеров. В конце 30-х годов 20 века немецким инженером Конрадом Цузе была разработана первая двоичная цифровая машина Z1. В ней широко использовались механические переключатели, приводимые в действие электрическим током, данный механизм назывался электромеханическое реле. В 1941 г. Конрад Цузе создал машину Z3 (рис. 2.1.), полностью управляемую с помощью программы.

Рис. 2.1. Вычислительная машина Цузе

Большой скачок в развитии вычислительной техники дала вторая мировая война: американские военные нуждались в компьютере.

В 1944 г. американцем Говардом Айкеном на одном из предприятий фирмы ІВМ была построена весьма мощная по тем временам вычислительная машина «Марк-1» (рис. 2.2.). В ней механические элементы (счетные колеса) были использованы для представления чисел, а управление производилось с помощью электромеханического реле. Программа обработки данных задавалась с перфоленты. Размеры: 15 X 2,5 м., 750000 деталей. "Марк-1" мог перемножить два двадцати трёх разрядных числа за 4 секунды.

Рис. 2.2. Вычислительная машина MARK-1

Последним наиболее крупным проектом в сфере релейной вычислительной техники считают РВМ-1 машину, построенную в 1957 г. в СССР, которая была вполне конкурентоспособна по целому ряду задач ЭВМ того времени. Но все же дни электромеханических устройств с появлением электронной лампы были сочтены. Электронные компоненты имели большее превосходство в быстродействии и надежности и это определило дальнейшую судьбу электромеханических вычислительных машин.

Электронно-вычислительный период начался с аналоговых вычислительных машин (АВМ).

2.1. Аналоговые вычислительные машины

В АВМ все математические величины представляются как непрерывные значения каких-либо физических величин. В первую очередь, напряжение электрической цепи выступает в качестве машинной переменной. Их изменения происходят по законам заданных функций. В данных машинах используется метод математического моделирования, он подразумевает под собой создание модели исследуемого объекта. Результаты решения фиксируются специальными измерительными приборами или выводятся в виде зависимостей электрических напряжений в функции времени на экран осциллографа. Решение линейных и дифференцированных уравнений является основным назначением АВМ.

Достоинства подобных вычислительных машин:

высокая скорость решения задач за счет скорость прохождения электрического сигнала;
простота конструкции;
лёгкость подготовки задачи, которую следует решить;
понятность прохождения исследуемых процессов, возможность изменять параметры исследуемых процессов.

Недостатки:

точность получаемых результатов до 10%;
решаемые задачи алгоритмически ограниченны;
решаемую задачу следует вводить в машину вручную;
с увеличением сложности задачи увеличивается объём задействованного оборудования.

2.2. Электронные вычислительные машины

В отличие от АВМ, в электронных вычислительных машинах (ЭВМ) числа представляют собой последовательность цифр. В современных ЭВМ числа представляются в виде двоичного кода, то есть в виде комбинаций нулей и единиц. В ЭВМ управление осуществляется программно. ЭВМ можно распределить на электрифицированные, цифровые и счётно-аналитические (перфорационные) вычислительные машины.

ЭВМ разделяются на большие ЭВМ, мини-ЭВМ и микро-ЭВМ. Их отличия заключаются в архитектуре, технических, эксплуатационных и габаритно-весовых характеристиках, областях применения.

Достоинства: