Экскурс в историю развития вычислительной техники (Паскаль, Лейбниц, Бэббидж, Холлерит, Буль, Шеннон).

История возникновения вычислительной техники

С развитием торговли начали возрастать потребности в средствах вычисления. Это привело к созданию новых счетных инструментов. Одним из них является абак.

Абак - это греческое слово, переводится оно как счетная доска. Простейшая форма абака действительно представляла собой специальную доску. На ней острой палочкой проводили линии, и какие-нибудь предметы, например камешки или палочки, размещались в получившихся колонках по позиционному принципу, а чтобы они не скатывались, доска покрывалась слоем песка или пыли.

В V в. до н. э. абак получил широкое распространение в Греции и Египте.

С давних времен в Китае использовался счетный прибор суан-пан (китайская разновидность абака), по конструкции напоминающий современные русские торговые счеты.

Японский соробан происходит от китайского суан-пана, который был завезен в Японию в XV - XVI вв.

Русские счеты появились примерно на рубеже XVI - XVII вв.

Суммирующая машина Паскаля

Первые идеи механизировать вычислительный процесс появились еще в XVII в. В 1623 г. Профессор математики и астрономии университета в Тюбингене Вильгельм Шиккард описал устройство и принцип действия первой счетной машины, суммирующее устройство которое является соединением зубчатых передач. Оно имело несколько осей с десятизубыми шестернями и вспомогательными однозубыми колесами для передачи десятка в следующий разряд. Изобретение В. Шиккарда не нашло применения.

Впрочем, как оказалось позже, машина Шиккарда была не первой. Это выяснилось в 1967 г., когда в Национальной библиотеке в Мадриде были обнаружены два тома неопубликованных рукописей Леонардо да Винчи. Среди чертежей I тома имелся эскиз тринадцатиразрядного суммирующего устройства с десятизубыми колесами. Такая машина была построена по эскизу и оказалась работоспособной. Тем не менее известность получила только механическая суммирующая машина знаменитого французского ученого Блеза Паскаля, изготовленная им в 1642 г., которую и следует рассматривать как первую из действующих механических вычислительных машин.

 

Арифметическая машина Лейбница

Арифметическая машина Лейбница, созданная в 1670 г., была первым в мире арифмометром-машиной, предназначенной для выполнения четырех действий арифметики.

Вклад русских изобретателей

Большой вклад в развитие счетной техники внес известный русский математик академик П. Л. Чебышев (1821-1894). Среди многочисленных изобретенных им механизмов имеется арифмометр, сконструированный в 1878 г., который в то время был одной из самых оригинальных вычислительных машин.

Во всех счетных машинах до Чебышева после счета десяти единиц младшего разряда мгновенно дискретно изменялась на единицу цифра следующего старшего разряда. В предложенной Чебышевым конструкции счетчика специальная система зубчатых передач

производила передачу единицы переноса, так что единица следующего старшего разряда появлялась постепенно, по мере увеличения числа в предыдущем разряде. Такой арифмометр был надежен и позволял увеличивать скорость счета без механических толчков, неизбежных при дискретной передаче.

Не менее интересным и важным изобретением русских ученых, только уже в области механических машин непрерывного действия, являлся интегратор для решения дифференциальных уравнений. Он был изобретен и построен в 1912 г. великим русским математиком и инженером А. Н. Крыловым (1863-1945). Это была первая интегрирующая машина непрерывного действия, позволявшая решать дифференциальные уравнения до четвертого порядка.

Прообраз современных ЭВМ

Идея полностью автоматической вычислительной машины с программным управлением принадлежит профессору Кембриджского университета, замечательному английскому ученому, инженеру и изобретателю Чарльзу Бэббиджу. Изобретение это настолько опередило свое время, что не было реализовано при жизни его автора.

В 1834 г. Бэббидж изобрел универсальную вычислительную машину с программным управлением, которую назвал аналитической, способную выполнять вычислительные алгоритмы любой сложности. Аналитическая машина Бэббиджа по проекту включала четыре основные части.

Первая часть - блок для хранения исходных чисел и промежуточных результатов. Он состоял из набора колес, где каждая цифра обозначалась, как и в арифмометрах, углом поворота колеса. Эти колеса собирались в регистры для хранения многоразрядных десятичных чисел. Бэббидж называл такое устройство «складом» (в современной терминологии это память). Ученый считал, что запоминающее устройство должно иметь емкость в 1000 чисел по 50 десятичных знаков, с тем чтобы был некоторый запас в точности и емкости.

Вторая часть - блок, в котором осуществлялись необходимые операции над числами, взятыми из «склада». Бэббидж называл его «мельницей», сейчас же подобное устройство называют арифметическим. Время на производство арифметических операций оценивалось Бэббиджем следующим образом: сложение или вычитание - 1 секунда; умножение (двух пятидесятиразрядных чисел) - 1 минута; деление (сторазрядное число на пятидесятиразрядное) 1 минута.

Третью часть составлял блок, управляющий последовательностью операций, выполняемых над числами (в нашей терминологии устройство управления).

И четвертая часть - блок для ввода исходных данных и печати результатов, т. е. устройство ввода-вывода.

Для устройства управления Бэббидж предложил применять механизм, аналогичный механизму ткацкого станка Жаккара. Идея заключалась в том, чтобы заставить два жаккаровских механизма с цепочкой карт в каждом управлять действиями машины. Один механизм с картами операций должен был соединяться с «мельницей» и приводить ее в состояние готовности для выполнения арифметических операций, заданных пробитыми отверстиями в соответствующей карте. Второй механизм предназначался для управления переносом чисел из «склада» в «мельницу» и обратно. Таким образом, с помощью карт Жаккара - прообраза современных перфокарт - Бэббидж предполагал осуществлять автоматическое управление процессом механических вычислений.

Премерно через 20 лет после смерти Чарльза Бэббиджа был сделан следующий важный шаг на пути автоматизации вычислений американцем Германом Холлеритом (1860 - 1929). Он изобрел электромеханическую машину для вычислений с помощью перфокарт, получившую название счетно-аналитической.

Релейные машины

В конце 30-х годов нашего столетия появляются первые проекты электронных вычислительных машин. В 1937 г. в США в университете штата Айова профессор Дж. В. Атанасов, болгарин по происхождению, начал работу по созданию электронной вычислительной машины, предназначенной для решения некоторых задач математической физики. Атанасовым были разработаны и запатентованы первые электронные схемы, которые применялись при создании устройств ЭВМ. Начавшаяся вторая мировая война не позволила ученому и его сотрудникам полностью завершить проект. После войны работа над проектом уже не возобновлялась.

Первые универсальные вычислительные машины с программным управлением были построены на базе электромагнитных реле. В 1941 г. немецкий инженер К. Цузе закончил работу над третьим вариантом своей универсальной машины Ц-3 на электромагнитных реле. Она выполняла восемь команд, в том числе четыре арифметических действия и извлечение квадратного корня. Все действия выполнялись над десятичными числами, каждая цифра которых представлялась в двоичной системе счисления. Машина состояла из 2600 реле. Программа для работы машины задавалась с помощью двухдорожечной перфоленты.

В 1944 г. в США завершалась работа над созданием машины «Марк-1» по проекту американского физика Говарда Айкена из Гарвардского университета. Проект большой релейной машины был предложен Айкеном еще в 1937 г. независимо от Цузе.

Как и в аналитической машине Бэббиджа, числа в машине «Марк-1» хранились в регистрах из десятичных счетных колес. Таких регистров было 72. Кроме них, машина имела 60 дополнительных регистров, куда можно было вручную вводить числа перед началом вычислений, но они должны были оставаться там неизменными.

Для управления операциями использовались электромеханические элементы реле -переключатели. Машина управлялась специальной программой, задаваемой на 24-дорожечной управляющей перфоленте. Быстродействие машины «Марк-1» от 0,3 до 15 секунд на одну операцию. Это была очень большая машина, приводившаяся в действие молотом в 5 лошадиных сил.

Одной из наиболее совершенных релейных вычислительных машин была советская релейная вычислительная машина РВМ-1, сконструированная в начале пятидесятых годов талантливым инженером Н. И. Бессоновым (1906-1963) и построенная в 1956 г. Машина содержала пять с половиной тысяч реле. Скорость работы ее составляла 50 сложений или 20 умножений в секунду.

Из-за ряда недостатков релейные машины просуществовали недолго. Главными же недостатками можно считать отсутствие хранимой в памяти программы, что обусловливалось небольшим объемом оперативной памяти, и невысокую скорость работы, вызванную низким быстродействием электромеханических релейных переключателей. Несмотря на это, в истории вычислительной техники релейные машины занимают почетное место среди первых автоматически действовавших универсальных вычислительных машин с программным управлением.

«Эниак» - первенец ЭВМ

Электроника дала вычислительной технике качественно отличные от всех ранее известных элементы. Так, в 1913 г. русским ученым М. А. Бонч-Бруевичем была сконструирована электронная управляющая схема с двумя устойчивыми состояниями, названная триггером.

Триггер по принципу действия можно сравнить с обычным двухпозиционным выключателем, с которым мы ежедневно сталкиваемся при пользовании электронными приборами, с той лишь разницей, что управляется он не вручную, а электрическим сигналом, поступающим на его вход. Но это только принцип действия триггера. На самом же деле триггер представляет собой двухламповый симметричный усилитель с так называемой положительной обратной связью. В триггере обе лампы (под лампой здесь понимается электронная вакуумная лампа - троид) соединены таким образом: если левая открыта, то правая обязательно закрыта, и наоборот. Такое соединение ламп обеспечивается подачей напряжения с анода одной лампы на сетку другой. Так, например, если правая лампа открыта, т. е. через нее течет ток и происходит падение напряжения на аноде, то ее низкое анодное напряжение подается на сетку левой лампы и держит последнюю закрытой. Это первое устойчивое состояние триггера. Если же подать на сетку правой лампы отрицательный импульс, то лампа закроется и напряжение на ее аноде возрастет. Возросшее анодное напряжение правой лампы будет подано на сетку левой лампы, откроет последнюю, и триггер перейдет во второе устойчивое состояние. Состояние триггера запоминается на сколь угодно долгое время до прихода нового импульса, попадающего на сетку одной из ламп.

 

Создание триггера, который из-за своих свойств по праву носит название электронного реле, сделало реальным конструирование в середине 40-х годов быстродействующих вычислительных машин.

Вычислительные машины, построенные на электронных триггерных схемах, открыли новое направление в вычислительной технике, их стали называть электронными вычислительными машинами (ЭВМ).

Первой электронное вычислительной машиной принято считать машину ЭНИАК, которая была разработана американскими учеными Дж. В. Моучли и Д. П. Эккертом. Работа над машиной началась в середине 1943 г. и была закончена в 1945 г. Она предназначалась для военных целей: для расчета траекторий полетов снарядов.

Машина ЭНИАК представляла собой сложнейшее для середины XX в. инженерное сооружение длиной более 30 м, содержащее примерно 18 тысяч электронных ламп и полторы тысячи реле. Она потребляла мощность около 150 киловатт, достаточную для освещения целого рабочего поселка. Использование электронных ламп вместо механических и электромеханических элементов позволило резко увеличить скорость выполнения машинных операций. Так, ЭНИАК тратил на умножение всего 0,0028 секунды.

Ввод чисел в машину производился с помощью перфокарт, а программное управление последовательностью выполнения операций осуществлялось, как и в счетно-аналитических машинах, с помощью штекерно-коммутационного способа. Хотя такой способ программирования и требовал много времени для подготовки машины, т. е. для соединения отдельных блоков машины на коммутационной доске, но зато позволял реализовать высокие способности ЭНИАКа.

Распространение ЭВМ

Большой вклад в развитие электронно-вычислительной техники внес один из крупнейших американских математиков Джон фон Нейман. Он родился в 1903 г. вБудапеште, а в 1930 г. переехал в США. В 1946 г. была опубликована весьма важная для дальнейшего развития вычислительной техники статья Дж. Фон Неймана, Г. Голдстайна и А. Беркса «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства». В этой статье были высказаны два основных принципа, получивших практическое применение во всех современных электронных вычислительных машинах: переход к двоичной системе счисления для представления чисел и использование хранимой программы. Хранимая в памяти программа позволяла преодолеть важнейший недостаток ЭНИАКа - затраты времени на набор и подготовку программы на коммутационной доске. Программу, как и исходные числа, предлагалось хранить в памяти машины. Отдельные команды вызывались из памяти устройством управления, расшифровывались и использовались для извлечения чисел из памяти, выполнения требуемых операций и отсылки результатов в память. Статья также содержала ряд важных рекомендаций по конструированию машин и методике программирования.

Вскоре идеи Неймана нашли практическое воплощение. Уже в 1949 г. под руководством профессора М. В. Уилкса в Кембриджском университете была построена английская машина ЭДСАК, которая оказалась первой электронной вычислительной машиной с хранимой программой и промежуточной внутренней памятью. Скорость выполнения арифметических операций составляла: для сложения - 0,07 миллисекунды, умножения - 8,5 миллисекунды. Ввод данных в машину производился с помощью перфоленты, вывод с помощью пишущей машинки. Годом позже было завершено создание американской машины ЭДВАК.