Файл: История развития средств вычислительной техники..pdf

ВВЕДЕНИЕ

Во все времена людям нужно было считать. До изобретения речи и письменности они считали на пальцах или делали насечки на костях. Примерно около 4000 лет назад, на заре человеческой цивилизации, были изобретены уже довольно сложные системы счисления, позволявшие осуществлять торговые сделки, рассчитывать астрономические циклы, проводить другие вычисления. Несколько тысячелетий спустя появились первые ручные вычислительные инструменты. А в наши дни с помощью вычислительных систем различной сложности решаются как элементарные, так и сложнейшие вычислительные задачи, причем не связанные с числами.

Компьютер – это еще один инструмент, еще одно устройство, придуманное для того, чтобы облегчить наш труд. Ведь он, по существу, обладает одним-единственным талантом – реагировать с молниеносной быстротой на импульсы электрического напряжения. Истинное величие заключено в человеке, его гении, который нашел способ преобразовывать разнообразную информацию, поступающую из реального мира, в последовательность нулей и единиц двоичного кода, т.е. записывать ее на математическом языке, идеально подходящем для электронных схем компьютера.

И все же, пожалуй, ни одна другая машина в истории не привнесла в наш мир столь быстрых и глубоких изменений. Благодаря компьютерам стали возможными такие знаменательные достижения, как посадка аппаратов на поверхность Луны и исследование планет Солнечной системы. Компьютеры создают тысячи удобств и услуг в нашей повседневной жизни. Они управляют различной аппаратурой в операционных, помогают детям учиться в школах, реализуют видеоэффекты для кино. Компьютеры взяли на себя функции пишущих машинок в редакциях газет и счетных аппаратов в банках. Они улучшают качество телевизионного изображения, управляют телефонными станциями и определяют цену покупок в кассе универсального магазина. Иными словами, они столь прочно вошли в современную жизнь, что обойтись без них практически невозможно.

В последние годы в мощности компьютеров и широте их применения достигнуты поистине головокружительные успехи. В основном это стало возможным благодаря появлению в начале 70-х гг. крошечного технологического чуда, называемого микропроцессором. На маленьком кремниевом кристалле - размером меньше, чем ноготок грудного младенца, - помещаются сотни тысяч электронных компонентов, превосходящих по своей производительности занимавших целые залы «динозавров», которые господствовали в мире компьютеров еще несколько лет назад.

Современному человеку сегодня трудно представить свою жизнь без электронно-вычислительных машин (ЭВМ). В настоящее время любой желающий, в соответствии со своими запросами, может собрать у себя на рабочем столе полноценный вычислительный центр. Так было, конечно, не всегда. Путь человечества к этому достижению был труден и тернист. Много веков назад люди хотели иметь приспособления, которые помогали бы им решать разнообразные задачи. Многие из этих задач решались последовательным выполнением некоторых рутинных действий, или, как принято говорить сейчас, выполнением алгоритма. С попытки изобрести устройство, способное реализовать простейшие из этих алгоритмов (сложение и вычитание чисел), все и началось.

Целью работы является изучение истории развития средств вычислительной техники.

Для решения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

- изучить этапы развития вычислительной техники;

- рассмотреть поколения ЭВМ;

- изучить перспективные направления развития вычислительной техники.

Объектом работы является история развития средств вычислительной техники.

Предметом работы являются перспективы развития вычислительной техники.

При подготовке работы были использованы такие информационные источники как специализированная профессиональная литература, материалы из СМИ, данные интернет-ресурсов. Применены такие методы и приемы исследования как анализ, синтез, сравнение.

1. Этапы развития вычислительной техники

В истории вычислительной техники выделяют четыре периода:

1. Домеханический (с древних времен до середины XVII в.).

2. Механический (с середины XVII в. до конца XIX в.).

3. Электромеханический (с конца XIX в. до 40-х гг. XX в.).

4. Электронный (с 40-х гг. XX в. по настоящее время).

1.1. Домеханический период

Понятие числа возникло задолго до возникновения письменности. Люди учились считать в течение множества веков, обогащая и передавая из поколения в поколение этот опыт [7, с. 45].

С древнейших времен перед людьми стояли задачи, которые требовали всё возрастающих объёмов вычислений. Со временем большая часть из них находило решения. Ещё в античные времена некоторые области математики были настолько развиты, что образованные люди того времени по уровню знаний вряд ли уступали нынешним выпускникам школ.

Возникновение собственности на землю требовало определения методов вычисления площади участков, это привело к появлению геометрии. Общеизвестны достижения Пифагора, Евклида и других древнегреческих учёных в данном направлении [1, с. 117].

Формирование торговли также ставило всё новые задачи. Помимо учёта денежных сумм и товаров, возникали и более сложные проблемы. Купцам приходилось предпринимать всё более дальние путешествия, а для этого требовались средства навигации [5, с. 129].

В древности астрономы решали и данные задачи. Всё в конечном итоге сводилось к расчётам, и чем точнее они были, тем успешнее решались текущие задачи. Также было нужно управлять запасами урожая, осуществлять торговые сделки, проводить землемерные работы.

Вычислительные способности большей части людей весьма ограничены. Даже сложить в уме стоимость нескольких мелких покупок и посчитать сумму сдачи не так уж просто, и тем более о расчёте орбиты планеты или координат звезд и говорить не приходится. Поэтому наряду с развитием теории учёные работали и над проблемой автоматизации вычислений. Но тут развитие шло гораздо медленнее [5, с. 131].

Для вычислений использовались различные средства, которые имели разные возможности и по-разному назывались. Тут имеется своеобразная классификация [7, с. 47]:

1) примитивные средства;

2) первые приспособления;

3) первые приборы.

Примитивные средства. Древнейшим счётным инструментом, который сама природа предоставила в распоряжение людей, была их собственная рука – великолепный естественный компьютер. Она обладает немаловажными преимуществами, которыми современные инженеры стремятся наделить разрабатываемые счётные устройства [1, с. 119].

Чтобы сделать процесс счёта более удобным, люди начали использовать вместо пальцев небольшие камни. Они складывали из камней пирамиду и определяли, сколько в ней камней, но если количество велико, то посчитать число камней на глаз трудно.

Различные народы вместо камней использовали различные приспособления – бобы, кости, ракушки.

Некоторые народы – индийцы, китайцы, перуанцы, персы – использовали для представления чисел и счёта ремни или веревки с узелками. Американские индейцы называли счётные веревки куиру, и в перуанских городах до вторжения в Южную Америку европейцев городской казначей именовался куиру комоуокуна, т.е. чиновник узелков.

Первые приспособления. Следующий этап в эволюции вычислительных устройств связывался со становлением государств Средиземноморья. Усиление торговых отношений между ними привело к созданию нового инструмента, известного практически у всех народов [1, с. 121].

Происхождение термина «абак» не установлено. Большая часть историков полагают, что это слово греческое и буквально означает «пыль». Первоначально на специальной доске в определённом порядке раскладывали однородные предметы (ракушки, камешки, бобы, орехи и т. д.) и пересчитывали их. Для того, чтобы они не скатывались, доска покрывалась слоем пыли или песка. Поэтому абак означает дощечку, покрытую слоем пыли [7, с. 48].

На рубеже XVI–XVII вв. появляется русский абак – счёты. Долгое время считалось, что русские счёты ведут свое происхождение от китайского суаньпаня. Лишь в начале 60-х гг. XX столетия ленинградский учёный Спасский И. Г. убедительно доказал русское происхождение данного счётного прибора. Доказательством служили такие аргументы:

1) у него горизонтальное расположение спиц с косточками;

2) для представления чисел использована десятичная (а не пятеричная) система счисления.

Первые приборы. После изобретения абака многие естествоиспытатели и изобретатели пытались придумать приспособления, которые способны упростить вычислительный процесс. Абак удобно использовать для выполнения операций вычитания и сложения. Деление и умножение выполнять при помощи абака гораздо сложнее [5, с. 133].

Революцию в области механизации деления и умножения совершил шотландский математик лорд Джон Непер. Он известен двумя изобретениями.

1. Первое изобретение – в 1617 г. Дж. Непер предложил инструмент, получивший название «счётные палочки Непера». Они выполнялись в виде прямоугольных брусков, разделённых на десять квадратов. Каждый квадрат, в свою очередь, кроме самого верхнего, делился по диагонали на две части, в каждой из которых в определённом порядке записывались числа.

2. Второе изобретение – изобретение логарифмов, о чем сообщалось в работе «Описание удивительной таблицы логарифмов», опубликованной в 1614 году [5, с. 135].

Логарифмическая шкала. Наиболее удачной была идея профессора астрономии Грэшемского колледжа Э. Гюнтера. Он построил логарифмическую шкалу, которая использовалась вместе с двумя циркулями-измерителями. Эта шкала («шкала Гюнтера») представляла собой прямолинейный отрезок, на котором откладывались логарифмы тригонометрических величин или чисел. (Несколько таких шкал наносились на деревянную или медную пластинку параллельно). Циркули-измерители нужны были для сложения или вычитания отрезков вдоль линий шкалы, что в соответствии со свойствами логарифмов позволяло находить частное или произведение [4, с. 33].

Таблицы Непера, расчёт которых требовал очень много времени, были позже «встроены» в удобное устройство, чрезвычайно ускоряющее процесс вычисления, – логарифмическую линейку. Она была изобретена в конце 20-х гг. XVII в. [14, с. 53]

1.2. Механический период

Настоящая потребность в автоматическом вычислении появилась в средние века в связи с резко выросшими в данный период торговыми операциями и океаническим судоходством. Торговля потребовала больших денежных расчётов, а судоходство – надёжных навигационных таблиц.

С древних времен человечество пыталось понять окружающий мир и использовать собственные знания для защиты от всевозможных бедствий. Заметили, к примеру, что отливы и приливы связаны с разными положениями Луны, и появился вопрос: «А можно ли построить математический закон изменения положения Луны и, используя его, прогнозировать приливы». Учёные составляли большие таблицы, где фиксировали изменение лунных положений, которые использовались для проверки правильности разных предлагаемых формул движения спутника Земли. Данная проверка опиралась на огромное число арифметических вычислений, требовавших от исполнителя аккуратности и терпения. Для ускорения и облегчения данной работы стали разрабатывать вычислительные устройства. Так появились разные механизмы – первые суммирующие машины и арифмометры [14, с. 54].

В течение почти 500 лет цифровая вычислительная техника сводилась к простым устройствам для выполнения арифметических операций над числами. Основой практически всех изобретённых за пять столетий устройств было зубчатое колесо, рассчитанное на фиксацию 10 цифр десятичной системы счисления [4, с. 34].

Машина Леонардо да Винчи

Среди двухтомного собрания рукописей итальянского учёного Леонардо да Винчи, известных как «Codex Madrid» и посвященных механике, уже в наше время были обнаружены чертежи и описание 13-разрядного суммирующего устройства (рис. 1). Похожие рисунки также были найдены и в рукописях «Codex Atlanticus». Основу машины по описанию составляют стержни, на которые крепится два зубчатых колеса, большее с одной стороны стержня, а меньшее – с другой [12, с. 37].

Рисунок 1 - Машина Леонардо да Винчи

Данные стержни должны были располагаться таким образом, чтобы меньшее колесо на одном стержне входило в зацепление с большим колесом на другом стержне. При этом меньшее колесо второго стержня сцеплялось с большим колесом третьего, и т. п.