Файл: История развития средств вычислительной техники (подробно).pdf

ВВЕДЕНИЕ

Неотъемлемое стремление человечества улучшить качество собственной жизни, облегчить себе труд привели к развитию самых разных инструментов и приспособлений, в том числе и к появлению современных компьютеров.

Данная работа посвящена основным моментам в истории развития средств вычислительной техники, а также дальнейшим ее перспективам.

Объектом исследования в работе выступают средства вычислительной техники, применяемые человечеством на всем протяжении своей истории. Предметом исследования данной работы являются способы, методы и алгоритмы, различные устройства и машины для проведения вычислительных операций.

Цель работы – проведение всестороннего комплексного анализа истории развития средств вычислительной техники, выявление общих закономерностей, тенденций и принципов ее развития. Для достижения поставленной цели проведена периодизация отрезков исторического развития средств вычислительной техники.

Работа включает в себя на Структурно работы включает в себя 3 главы, посвященных предмету исследования, связанных между собой эпохами развития средств вычислительной техники, после каждый из которых следуют краткие выводы. Тщательный анализ динамики развития средств и способов организации вычислений, устройств и механизмов арифметического счета, алгоритмов функционирования различных устройств и приспособлений позволяют выявить основные направления модернизации таких предметов, их возможности по решению различных прикладных задач. Исторический вклад средств вычислений в развитие человеческой цивилизации трудно оценить, он глобален, так как предоставил возможности по открытию не только новых континентов земного шара, но и шанс человечеству покорять космическое пространство.

ГЛАВА 1. Истории развития средств и способов вычислений с древних времен до конца XIX века

Еще задолго до появления письменности возникло понятие «число», человек учился считать на протяжении столетий, накапливая и передавая и свой многолетний опыт. Со временем, объемы производимых вычислений постепенно возрастали, а их процедура – усложнялась. Все это приводило к изобретению и разработкам различных приспособлений, устройств, соответственно и алгоритмов работы с ними.

---

Развитие человеческой цивилизации, возникновение права собственности на земельные участки способствовало становлению и развитию различных способов вычисления площадей участков, и, как следствие, возникновению основ геометрии.

Формирование торгово-денежных отношений и развитие торговли также обуславливали все новые задачи – классический учет товаров и денежных сумм уже сопровождались процедурами расчета налоговых нагрузок (например, церковных десятин), анализа процентной нагрузки в случае займа.

1.1. Домеханический период (с древних времен до середины XVII века).

Самым древним инструментом, позволяющим производить примитивные вычисления, который в распоряжение человечества предоставила сама природа, является рука (прил. А, рис. 1). Стоит отметить, что от пальцевого счета сформировалась и повсеместно применяемая в настоящее время десятичная система счисления – как сумма всех пальцев двух рук.

Несомненно, у пальцевого счета имеются и недостатки, самый существенный – неудобство хранения каких-либо результатов даже в течение короткого времени, ввиду применения рук человеком в повседневной жизни. В качестве выхода из сложившегося положения, человек начал применять вместо пальцев рук небольшие камни, кости животных, ракушки и иной природный материал. Уже в средневековье для организации учета и сборов налоговых платежей человечество пользовалось бирками – разделенными на две продольные части дощечки, одна из которых оставалась у крестьянина, другая – у сборщика подати. При складывании бирок производился подсчет и сравнение зарубок на обеих ее частях, тем самым производился учет уплаты налога.

Индийцы, персы, китайцы – применяли для счета веревки или различные ремни с узелками на них. У американских индейцев такие счетные веревки носили название «куиру». Связанные определенным образом между собой различные хлопчатобумажные или шерстяные нитки представляли собой узелковое письмо. Самое массовое распространение узелковое письмо получило в Южной Америке в XV в. н.э. Данный способ записи чисел инки именовался «кипу», в переводе на современный язык – узел. В зависимости от объекта счета (количество воинов или золота) применялись нити разных цветов, счет имел градацию по уровням (нижний – единицы, средний – десятки, верхний – сотни), а различные формы узлов свидетельствовали о записи разных чисел (1 – узел в виде восьмерки, запись чисел от 2 до
9 применялся узел с соответствующим количеством витков).

---

Очередной виток в развитии примитивных вычислительных приспособлений человечества обусловлен появлением государств Средиземноморья. Формирование и расширение торговых взаимоотношений между ними способствовало созданию нового инструментов, широко известных практически у всех народов (прил. А, рис. 2).

Истинная история происхождения термина «абак» не ясна, большинство современных историков связывают его с греческим словом «пыль». Данный факт обусловлен тем, что изначально на подготовленной деревянной доске в определенном порядке раскладывали различные однородные предметы – семена, орехи, ракушки или камушки, пересчитывали их. Непосредственно перед указанной процедурой, чтобы они не скатывались, доска покрывалась слоем песка или пыли.

Со временем на досках для подсчета начали появляться полосы (колонки), что позволило ускорить процедуры вычислений, при этом количество предметов в колонках соотносилось разрядам чисел
(1 – единицы, 2 – десятки, 3 – сотни и т.д.). Именно так человечество совершило огромный рывок в произведении расчетов, а абак в дальнейшем многие сотни лет по всему миру помогал экономить время в действиях с большими числами, считаясь первым и основным счетным прибором древних народов.

Известно самые различные виды абака, отличающиеся как временем (VI-IV века до н.э., V-VI, X-XI века н.э.) и местом их изобретения (Древний Вавилон, Древняя Греция, Древний Рим и т.д.), так и устройством и принципом функционирования, но уже незначительно (рис. 1.2).

В процессе развития вычислительных операций с использованием абака отдельное внимание стоит уделить работам по модернизации данного приспособления Гербертом Аврилакского (X век н.э.), который реализовал замену камешков нумерованными жетонами, что имело значение для развития математики, а также разработал соответствующие правила вычисления. Таким образом, им были заложены предпосылки к дальнейшему развитию алгоритмизации задач.

В XV-XVI веках особое распространение в Европе получил счет на линиях и счетные таблицы, порой отличающиеся большим разнообразием (горизонтальные и вертикальные линии как основы табличной системы, применение клеток, различных жетонов и т.п.). Однако в Европе счет на линиях постепенно вытеснялся письменными вычислениями на бумаге, в России же «счет костьми» заменялся на русский абак – счеты.

Уже в начале XVIII века счеты уже имели привычный современному человеку вид, за малым исключением – в них осталось лишь одно счетное поле, на спицах которого размещалось либо 10, либо 4 косточки (своеобразная дань «полушке» – денежной единице в 1/4 копейки).

---

Естественно, после изобретения абака довольно много различных изобретателей во всем мире пытались придумать самые разные приспособления, способные облегчить процесс вычислений. Особое внимание при этом уделялось процедурам умножения и деления чисел, которые с помощью абака гораздо сложнее реализовать.

Шотландскому математику Джону Неперу (1550-1617) удалось изобрести довольно уникальный инструмент, позволяющий сводить операцию умножения к сложению, посредством складывания особым способом изготовленных палочек (прил. Б, рис. 1).

Стоит отметить, что на этот же инструмент позволял извлекать квадратные и кубические корни, умножать и делить большие числа. Кроме того, Непер предложил счетную доску для операций умножения, деления, возведения в квадрат и извлечения корня в двоичной системе счисления.

Второе изобретение великого шотландского математика – логарифмы, которым он в 1614 г. посвятил целый научный труд «Описание удивительной таблицы логарифмов». Непер самый первый в мире понял, что с помощью логарифмов можно выразить любое число, им были открыты и удивительные свойства логарифмов, благодаря которым сложное действие умножения сводилось к простой операции сложения. Разработанные логарифмические таблицы существенно упростили труд математиков, однако операции с ними оставались достаточно трудоемкими и утомительными, что послужило толчком к механизации логарифмических вычислений.

Одной из самых удачной идей в то время была реализована профессором астрономии Грэшемского колледжа Эдмундом Гюнтера, который построил логарифмическую шкалу, применяемую вместе с двумя циркулями-измерителями. Именно Гюнтер впервые в математическом мире ввел обозначение log и тригонометрические термины «косинус» и «котангенс».
В свою очередь, логарифмическая шкала дала развитие к появлению и повсеместному применению логарифмических линеек, в которые своеобразным образом «встраивали» логарифмические таблицы, широко известные еще со времен Непера.

Первые логарифмических линейки появились между 1620-1630 гг благодаря трудам Уильяма Отреда и Ричарда Деламейна, и изначально имели круглые формы, а уже в 1654 г. англичанином Робертом Биссакером была предложена классическая по форме прямоугольная логарифмическая линейка, известная и в наши дни. Неотъемлемый классический элемент современной логарифмической линейки своеобразный «бегунок» был впервые обоснован в трудах Исаака Ньютона, однако появился лишь спустя век, когда Джон Робертсон разработал линейку для навигационных расчетов.

---

1.2. Механический период (середина XVII века – до конца XIX века).

В средние века потребность в автоматических вычислениях в крайней степени стала актуальной в связи с резко возросшими торговыми операциями, открытием новых континентов, океаническим судоходством и океаническим судоходством. Для облегчения и ускорения различных расчетных операций разрабатывались самые разнообразные вычислительные устройства. Именно в средневековье появляются различные механизмы – первые суммирующие машины и арифмометры.

В течение почти пяти столетий цифровая вычислительная техника сводилась к простейшим устройствам для выполнения арифметических операций над числами. Основой практически всех изобретений служило зубчатое колесо, рассчитанное на фиксацию 10 цифр десятичной системы счисления (прил. Б, рис. 2).

Леонардо да Винчи в своих трудах «Codex Madrid», «Codex Atlanticus» привел описание и изображение 13-разрядного суммирующего устройства, основу которого составляют стержни с крепящимися на зубчатыми колесами, с одной стороны стержня с большим диаметром, с другой – с меньшим. Расположение стержней устройства обеспечивает вхождение в зацепление колес, при этом 10 оборотов колеса приводит к 1 полному обороту следующего и т.д., обеспечивая рекурсию.

Интересный факт, что в 1969 г. фирма IBM по чертежам Леонардо да Винчи построила работоспособную машину в металле и доказала состоятельность идеи великого ученого. Именно Суммирующую машину Леонардо да Винчи можно считать изначальной вехой в истории цифровой вычислительной техники. Она представляла собой первый цифровой сумматор, прообраз (пока что еще механический и очень примитивный) будущего электронного сумматора – важнейшего элемента современных компьютеров.

Еще один вариант суммирующей машины описал уже через сто с лишним лет после смерти Леонардо да Винчи описал в своих письмах к Иоганну Кеплеру немецкий ученый Вильгельм Шиккард (1592–1636), которую он назвал «счетными часами». Данная машина включала в себя три основных части: суммирующее устройство, множительное устройства, механизм для записи промежуточных результатов. Суммирующее устройство было шестиразрядным, в каждом разряде использовались шестерни с
10 зубцами и колесо с 1 зубом (пальцем), обеспечивающее передачу десятка в следующий разряд. В своих письмах в 1624 г. В. Шиккард сообщал
И. Кеплеру, что изготовил два работающих образца своей машины, однако обе они сгорели во время пожара.

---