Файл: История развития средств вычислительной техники.pdf

Индийская нумерация только лишьь через многие годы попала в арабские страны. Широкое распространение она получила благодаря арабскому матемаику Мухаммеду бен Муса ал — Хорезми.

В своей книге он подробно описал индийскую арифметику. Триста лет спустя (в 1120 году) эту книгу перевели на латинский язык, и она стала первым учебником арифметики для европейских городов, так как она была переведена с арабского, то получила распространение под названием арабская арифметика, соответственно нумерация стала называться так же арабской. Тем не менее, только в 16 в. новая нумерация получила широкое распространение в науке и в житейском обиходе. В России она начинает распространяться в 17 в. С введением десятичных дробей десятинная позиционная система С. стала универсальным средством для записи всех действительных чисел.

Глава 2. Механический этап развития вычислительной техники

2.1 Механическая вычислительная техника

Впервые модификацию абака спроектировал Леонардо да Винчи в конце XV - начале XVI века. Он нарисовал эскиз 13 - разрядного устройства для суммирования с десятизубными шестернями. Это устройство напоминает счетную машинку в основе которой с двух сторон находятся валы, и при помощи правильно подобранного передаточного соотношения при 10 вращениях вала отвечающего за младший разряд, на старшем валу делался 1 полный оборот. Однако чертежи данного устройства были утрачены и найдены спустя годы среди документов изобретателя.В 17 веке, когда уже началось активное развитие механики,

тогда Впервые появились рабочие прототипы приборов использующих механический принцип вычислений. Такие устройства, как и аппарат да Винчи, строились на механических элементах и обеспечивали автоматический перенос старшего разряда. Но в отличие от неё эти машины уже могли выполнять целых четыре арифметических действия. Такие машины получили название Арифмометры.

Ещё одна механическая машина, которая по некоторым версиям считается первой, была описана в 1623 г. профессором математики Тюбингенского университета Вильгельмом Шиккардом, реализована она была в единственном экземпляре и предназначалась для выполнения тех же четырех арифметических операций над 6-разрядными числами.

Машина Шиккарда содержала суммирующее и множительное устройства, а также механизм для записи промежуточных результатов. Первый блок - шестиразрядной суммирующей машины представлял собой соединение зубчатых передач. На каждой оси имелись шестерня с десятью зубцами и вспомогательное однозубцевое колесо - палец. Палец служил для того, чтобы передавать единицу в следующий разряд (поворачивать шестеренку на десятую часть полного оборота, после того как шестеренка предыдущего разряда сделает такой оборот). При вычитании шестеренки следовало вращать в обратную сторону. Контроль хода вычислений можно было вести при помощи специальных окошек, где появлялись цифры. Для перемножения использовалось устройство, чью главную часть составляли шесть осей с «навернутыми» на них таблицами умножения. Хотя из-за недостаточной известности машина Шиккарда и принципы ее работы не оказали существенного влияния на дальнейшее развитие вычислительной техники (ВТ), она по праву открывает эру механической ВТ.

Первая действующая модель счетной суммирующей машины, получившей распространение, была создана в 1642 г. одним из самых знаменитых французских ученых Блезом Паскалем. Принцип действия счетчиков в машине Паскаля прост и очень схож с машиной Шиккарда. В основе него лежит идея простой зубчатой пары - двух зубчатых колес, сцепленных между собой. Для каждого разряда имеется шестерня с десятью зубцами. При этом каждый из десяти зубцов

представляет одну из цифр от 0 до 9. Такое колесо назвали "десятичным счетным колесом". При прибавлении в разряде одной единицы - счетное колесо проворачивается на один зубец, или на 1/10 оборота. Требуемое число можно получить, проворачивая колесо до тех пор, пока зубец, представляющий эту цифру, не встанет напротив указателя или окошка. К примеру, три колеса показывают число 123. Допустим, для того что бы прибавить к этому числу 111, необходимо провернуть каждое колесо вправо на один зубец. Тогда против окошек встанут соответственно цифры 2, 3, 4, образуя сумму чисел 123 и 111, т. е. 234. Если с подобными расчетами все довольно просто, то задача переноса десятков являлась одной из основных проблем, которую пришлось решать Паскалю. Действительно, в машине, в которой сложение выполняется механическим способом, перенос должен осуществляться автоматически. Предположим, что оператор ввел в разряд девять единиц. Счетное колесо повернется на девять десятых оборота. Если теперь прибавить еще одну единицу, колесо "накопит" уже десять единиц. Их надо передать в старший разряд. Это и есть перенос десятков. В машине Паскаля, так же как и у машины Шиккарда, ее осуществляет удлиненный зуб. Он сцепляется с колесом старшего разряда и проворачивает его на 1/10 оборота. В окошке счетчика разряда десятков появится единица, а в окошке счетчика разряда единиц снова покажется нуль.

Механизм переноса действует только в одном направлении вращения колес и не допускает выполнения операции вычитания вращением колес в обратную сторону. Поэтому Паскаль заменил операцию вычитания операцией сложения с десятичным дополнением. Пусть, например, необходимо из числа 265 вычесть 11. Метод дополнения приводит к действиям: 265-11=265-(100-89)=265+89-100=254. Нужно только не забывать вычесть сотню. Но на машине, имеющей фиксированное число разрядов, об этом можно не заботиться. Вот как будет выполняться эта операция в шестиразрядной машине: 000285+999989=1000274; при этом единица слева выпадает, так как переносу из шестого разряда некуда деться. Фактически машина Паскаля была первым суммирующим механизмом, построенным на совершенно новом принципе, при котором считают колеса. Она производила на современников огромное впечатление, о ней слагались легенды, ей посвящались поэмы. Все чаще с именем Паскаля появлялась характеристика "французский Архимед". До нашего времени дошло только 8 машин Паскаля, из которых одна является 10-разрядной.

Практически параллельно с Паскалем строил свою машину немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц, и в 1694 г., он завершил свою разраотку. Его машина давала возможность механического выполнения операции умножения без последовательного сложения и вычитания. Главной частью ее был так называемый ступенчатый валик - цилиндр с зубцами разной длины, которые взаимодействовали со счетным колесом. Передвигая колесо вдоль валика, можно было его ввести в зацепление с необходимым числом зубцов и обеспечить установку определенной цифры.

Арифметическая машина Лейбница была по существу первым в мире арифмометром - машиной, предназначенной для выполнения четырех арифметических действий, позволяющей использовать 8-разрядное множимое и 9-разрядный множитель с получением 16-разрядного произведения. По сравнению с машиной Паскаля было создано принципиально новое вычислительное устройство, существенно ускоряющее выполнение операций умножения и деления. Однако, несмотря на все остроумие его изобретателя, арифмометр Лейбница не получил распространения по двум основным причинам: отсутствие на него устойчивого спроса и конструкционной неточности, сказывающейся при перемножении предельных для него чисел.Но основная идея Лейбница - идея ступенчатого валика оказалась весьма плодотворной. Вплоть до конца XIX века конструкция валика совершенствовалась и развивалась разными изобретателями механических машин.

Универсальная автоматическая машина, в структуру которой уже входили почти все основные части современных ЭВМ, была изобретена еще в тридцатых годах XIX века. И сейчас мы можем лишь поражаться, какую колоссальную работу, которая, без преувеличений, стала революционной в мире вычислительной техники, мог совершить практически без помощи, всего один человек. Имя этого человека, которому было суждено открыть новую и, пожалуй, одну из самых ярких страниц в истории вычислительной техники - Чарльз Бэббидж. За свою весьма продолжительную жизнь (1792-1871) профессор математики из кэмбриджа сделал большое количество открытий и изобретений, некоторые из которых сильно опередили его время. Круг интересов Бэббиджа был чрезвычайно широк, но все же главным увлечением его жизни, по словам самого ученого, были именно вычислительные машины, на создание которых он потратил почти 50 лет. Главным его достижением в этой области стала именно аналитическая машина, она представляла собой единый комплекс специализированных блоков. По проекту она включала следующие устройства: арифметическое устройство (названное им «мельницей»), регистры памяти, объединённые в единое целое («склад»), и устройство ввода-вывода.

Для хранения чисел Бэббидж решил использовать набор десятичных счетных колес. Каждое из колес могло останавливаться в одном из десяти положений и таким образом запоминать один десятичный знак. Колеса собирались в регистры для хранения многоразрядных десятичных чисел. По замыслу автора запоминающее устройство должно было иметь емкость в 1000 чисел по 50 десятичных знаков для того, чтобы иметь некоторый запас по отношению к наибольшему числу, которое может потребоваться. Для сравнения, запоминающее устройство одной из первых ЭВМ имело объем всего в двести пятьдесят десятиразрядных чисел.

Для создания памяти, где хранилась информация, Бэббидж использовал не только колесные регистры, но и большие металлические диски с отверстиями. На дисках хранились таблицы значений специальных функций, которые использовались в процессе вычислений.

Время на производство арифметических операций оценивалось автором: сложение и вычитание - 1с; умножение 50-разрядных чисел - 1 мин; деление 100-разрядного числа на 50-разрядное - 1 мин.

Управление вычислительным процессом осуществляться с помощью набора перфокарт, который представлял из себя картонные карточки с различным расположением пробитых (перфорированных) отверстий. Карты проходили под щупами, а они, в свою очередь, попадая в отверстия, приводили в движение механизмы, с помощью которых числа передавались из памяти устройства на вычислительный блок. Результат машина отправляла обратно в память. С помощью перфокарт так же была предусмотрена возможность осуществления операции ввода числовой информации и вывода полученных результатов. По сути такой подход и стал первым шагом к созданию автоматической вычислительной машины с программным управлением. Однако, только после смерти Бэббиджа его сын Генри закончил работу отца и построил по его чертежам центральный узел Аналитической машины - арифметическое устройство, которое в 1888 году смогло вычислить произведения числа "пи" на числа натурального ряда от одного до 32 с точностью до 29 знаков! Машина Бэббиджа оказалась работоспособной, но Чарльз, к сожалению, этого уже не увидел.

2.2 Электромеханический этап развития вычислительной техники

Век механических машин принес огромный вклад в развитие вычислительной техники. Но вскоре людям потребовались более быстрые помощники. Это заставило изобретателей искать пути совершенствования вычислительной техники, но уже не на механической, а на электромеханической основе. Наконец, на электромеханическом этапе была реализована идея Бэббиджа создания универсальной вычислительной машины с программным управлением, по сложности соизмеримая с наиболее сложными техническими системами того времени. Уже на этом этапе выявляется зависимость возможностей вычислительной техники от ее системной сложности; многие наработки данного этапа легли в основу развития современного этапа развития ВТ - электронного.

Небольшой электрический мотор освободил вычислителя от необходимости крутить ручку, при этом скорость счета многократно увеличилась. Сам механизм счетного устройства, поначалу остававшийся неизменным, стал также постепенно модернизироваться. Рычажный набор, который осуществлял медленную установку чисел и приводил к значительному проценту ошибок, заменили гораздо более удобным - клавишным. Появились машины, записывающие результат на бумажной ленте, а также другие комбинации счетных и пишущих устройств. Это был уже новый шаг - механизация вычислений, но не их автоматизация. Управление процессом счета все еще лежало на плечах человека.

Классическим типом средств электромеханического этапа был счетно-аналитический комплекс, предназначенный для обработки информации на перфокарточных носителях.

Первый такой комплекс был произведен в США Г. Холлеритом в 1887 г. и состоял из ручного перфоратора, сортировочной машины и табулятора. Он предназначался для обработки результатов переписи населения в нескольких странах, в том числе и в России. Управление механическими счетчиками и сортировкой осуществлялось электрическими импульсами, возникающими при замыкании электрической цепи при наличии отверстия в перфокарте. Эти импульсы использовались и для ввода чисел, и для управления работой машины. Благодаря этим особенностям машина Г. Холлерита была впоследствии признана первой электромеханической счетной машиной с программным управлением. Хоть счетная машина задумывалась Г. Холлеритом как Census Machine (машина для переписи), она по праву считается "первой статистической".