Эволюция средств вычислительной техники

Выделяют следующие этапы развития вычислительной техники:

Ÿ Домеханический – с 30–40-го тысячелетия до н.э.

Ÿ Механический – с середины XVII в.

Ÿ Электромеханический – с 90-х годов XIX в.

Ÿ Электронный – со второй половины 40-х годов XX в.

Средства, созданные на одном из этапов, эффективно развивались и использовались на последующих.

Более трех тысяч лет назад в Средиземноморье было распространено простейшее приспособление для ручного счета: доска с прорезями, по которым перемещались камешки или косточки. Такая счетная дощечка называлась абак. В Древнем Риме абак назывался calculi или abaculi и изготавливался из бронзы, камня, слоновой кости, а в прорезях передвигались маленькие камешки, По латыни эти камешки назывались calculus. От этого слова впоследствии произошло латинское слово calculatore (вычислять). Позднее так стали называть человека, производящего расчеты. Основное отличие вычислений на абаке от перекладывания и группировки предметов состоит в том, что на абаке счет ведется по разрядам, т. е. наличие абака, по существу, предполагает наличие позиционной системы счисления. Первое упоминание об абаке относится к V в. до н. э. До нашего времени дошёл бронзовый римский абак.

В странах Дальнего Востока был распространён китайский аналог абака – суаньпан. Суаньпан представляет собой прямоугольную раму, в которой параллельно друг другу протянуты проволоки или веревки числом от девяти и более; перпендикулярно этому направлению суаньпань перегорожен на две неравные части. В большом отделении («земля») на каждой проволоке нанизано по пять шариков, в меньшем («небо») - по два. Проволоки соответствуют десятичным разрядам.

Более 1500 лет назад в странах Средиземноморья появились счеты – набор костяшек, нанизанных на стержни. Каждая костяшка на первом стержне имеет достоинство 1, на втором стержне – достоинство 10 и т. д. Счеты оказались очень эффективным инструментом и вскоре распространились по всему свету. Попали они и в Россию, где были доведены до того вида, в котором использовались вплоть до конца XX в.

Абак	Счеты

Первое описание суммирующей машины было обнаружено в записках, принадлежащих Леонардо да Винчи. Подобное устройство также было описано в 1623 г. Немецким ученым Вильгельмом Шиккардом.

В 1642 г. великий французский математик, физик и философ Блез Паскаль, наблюдая бесконечные утомительные расчеты своего отца, сборщика налогов, сконструировал суммирующую машину, которая представляла собой ящик с многочисленными шестеренками. Числа водились путем соответствующего поворота наборных колесиков. Каждое колесико с нанесенными на него делениями от 0 до 9 соответствовало одному десятичному разряду числа – единицам, десяткам, сотням и т.д. Избыток над 9 колесико «переносило», совершая полный оборот и продвигая соседнее «старшее» колесико на единицу вперед. Другие операции совершались при помощи довольно неудобной процедуры повторных сложений. Изобретенный Паскалем принцип связанных колес явился основой, на которой строилось большинство вычислительных устройств на протяжении следующих трех столетий.

Первая машина, позволяющая производить все четыре действия, была изобретена в Германии в 1673 г. Готфридом Вильгельмом Лейбницем. Сложение на ней производилось по существу так же, как и на машине Паскаля, однако Лейбниц включил в конструкцию движущуюся часть (прообраз подвижной каретки будущих настольных калькуляторов) и ручку, с помощью которой можно было крутить ступенчатое колесо или – в последующих вариантах машины – цилиндры, расположенные внутри аппарата. Этот механизм с движущимся элементом позволял ускорить повторяющиеся операции сложения, необходимые для перемножения или деления чисел. Само повторение также было автоматическим. Лейбниц продемонстрировал свою машину во Французской академии наук и в Лондонском королевском обществе. Один экземпляр машины попал к Петру Великому. Лейбниц прославился также созданием дифференциального и интегрального исчисления (которое независимо разрабатывал в Англии Исаак Ньютон) и заложил основы двоичной системы счисления, которая широко используется в современных ЭВМ. Однако при всей своей гениальности он не смог найти практического применения своим исследованиям в области двоичной системы счисления. Вместо этого он наделил ее мистическим смыслом. Цифра 1 ассоциировалась у него с богом, а нуль означал пустоту – Вселенную до того, как в ней появились иные существа, кроме бога. Из единицы и нуля, считал Лейбниц, произошло все; точно так же любое математическое понятие можно выразить двумя этими числами.

Ни одна из вышеописанных машин не была автоматической и требовала непрерывного вмешательства человека.

Следующая ступень в развитии вычислительных устройств первоначально не имела ничего общего с числами. На протяжении всего XVIII в. на французских фабриках по производству шелковых тканей велись эксперименты с различными механизмами, управлявшими станком при помощи перфорационных лент, перфорационных карт или деревянных барабанов. Во всех трех системах нить поднималась и опускалась в соответствии с наличием или отсутствием отверстий – так создавался желаемый рисунок ткани. В 1804 г. инженер Жозеф Мари Жаккар построил полностью автоматизированный станок, способный воспроизводить сложнейшие узоры. Работа станка программировалась с помощью целой колоды перфокарт, которую можно было просто заменить при переходе к новому рисунку. Положенные в основу станка Жаккара принципы используются по сей день. Однако самую важную роль перфокартам суждено было сыграть в вычислительных устройствах.

В 1820 г. француз Чарльз Калмар изобрел машину для выполнения четырех основных арифметических действий, которая получила название арифмометр. Благодаря своей универсальности, арифмометры использовались довольно длительное время и совершенствовались многими учеными и изобретателями. В 1880 г. русский изобретатель шведского происхождения Вильгодт Однер создал арифмометр, в котором использовалось переменное число зубцов. Позднее на основе арифмометра Однера был создан арифмометр «Феликс», выпускавшийся в СССР вплоть до 70-х гг. XX в.

Начало эры компьютеров в том виде, в котором они существуют сейчас, связано с именем английского математика Чарльза Бэббиджа, который в 1822 г. опубликовал научную статью с описанием машины, способной рассчитать и печатать большие математические таблицы. В том же году он построил пробную модель своей Разностной машины, состоящую из шестеренок и валиков, вращаемых вручную с помощью специального рычага. На протяжении следующего десятилетия Бэббидж без устали работал над своим изобретением. Первоначально он рассчитывал завершить свою машину за три года, но Разностная машина становилась все сложнее по мере того, как он ее модифицировал, совершенствовал и конструировал заново. В 1833 г. Бэббидж уже был готов отказаться от своих планов, связанных с Разностной машиной. Однако, продолжая размышлять на ту же тему, он пришел к идее создания еще более мощной машины. Аналитическая машина Бэббиджа в отличие от своей предшественницы должна была не просто решать математические задачи, а выполнять разнообразные вычислительные операции в соответствии с инструкциями, задаваемыми оператором. По замыслу, говоря современным языком, это было не что иное, как первый универсальный программируемый компьютер.

Аналитическая машина должна была иметь такие компоненты как «мельница» для производства арифметических действий и «склад» для хранения чисел (по современной терминологии – арифметическое устройство и память), состоящие из механических рычажков и шестеренок. Память машины вмещала до 100 чисел, которые должны были храниться в памяти, пока до них не дойдет очередь в арифметическом устройстве. Результаты операции либо отправлялись в память, чтобы также ждать своей очереди, либо распечатывались. Инструкции, или команды, вводились в Аналитическую машину с помощью перфокарт. Для повторения операций в машине Бэббиджа должна была использоваться энергия пара. Таким образом, процесс вычислений был автоматизирован, т. е. должен был проходить без участия человека.

Однако Аналитическую машину невозможно было построить и запустить в работу. В своем окончательном виде машина должна была быть не меньше железнодорожного локомотива. Ее внутренняя конструкция представляла собой беспорядочное нагромождение стальных, медных и деревянных деталей, часовых механизмов, приводимых в действие паровым двигателем. Все, что дошло от Аналитической машины до наших дней, – это ворох чертежей и рисунков, а также небольшая часть арифметического устройства и печатающее устройство, сконструированное сыном Бэббиджа.

Чарльз Бэббидж	Ада Лавлейс

По иронии судьбы Разностной машине повезло больше. Хотя сам Бэббидж больше не возвращался к ней, шведский изобретатель Пер Георг Шойц, прочтя как-то об этом устройстве, построил его слегка видоизмененный вариант, Детище Бэббиджа успешно прошло испытания в Лондоне в 1854 г., а годом позже Разностная машина Шойца была удостоена золотой медали на выставке в Париже. Спустя еще несколько лет британское правительство, отказавшее в свое время Бэббиджу в финансовой поддержке, заказало одну из таких машин для правительственной канцелярии.

Первые программы для вычислительной машины Бэббиджа создавала Ада Лавлейс – дочь известного поэта Джорджа Байрона, в честь которой впоследствии был назван один из языков программирования. В 1843 г., выражаясь современным языком, Лавлейс составила программу вычисления чисел Бернулли. Она разработала основные принципы программирования, которые остаются актуальными до настоящего момента времени. Ряд терминов, введенных Адой Лавлейс, используются и сейчас, например, «цикл», «рабочие ячейки».

В 1847 г. английский математик-самоучка Джордж Буль написал статью на тему «Математический анализ логики», а в 1854 г. развил свои идеи в работе «Исследование законов мышления». Буль изобрел алгебру логики – систему обозначений и правил, применимую им ко всевозможным объектам, от чисел и букв до предложений. Предмет рассмотрения в алгебре логики – так называемые высказывания, т.е. любые утверждения, о которых можно сказать, что они либо истинны, либо ложны: «Москва – столица России», «15 – четное число». Первое высказывание истинно, второе - ложно.

Три основные операции булевой алгебры – это отрицание (НЕ), конъюнкция (И), дизъюнкция (ИЛИ). Они позволяют строить сложные высказывания из простых, которые также могут быть истинными или ложными

Логические действия двоичны по своей сути, они оперируют лишь с двумя сущностями – «истина» или «ложь», «да» или «нет», «открыт» или «закрыт», ноль или единица.

Спустя 20 лет американский логик Чарльз Сандерс Пирс осознал, что бинарная логика Буля хорошо подходит для описания электрических переключательных схем. Например, ток в цепи может либо протекать, либо отсутствовать, подобно тому, как утверждение может быть либо истинным, либо ложным.

В 1890 г., американский служащий конторы по переписи населения Герман Холлерит сконструировал статистический табулятор. В нем нашел действующее воплощение один из принципов Аналитической машины – использование перфокарт. На каждой карте Холлерита имелось 12 рядов, в каждом из которых можно было побить по 20 отверстий, соответствующих таким данным, как возраст, пол, место рождения, количество детей, семейное положение и прочие сведения, включенные в вопросник переписи американского населения. Агенты, проводившие перепись, записывали ответы опрашиваемых в специальные формуляры, которые отсылались в Вашингтон, где содержащуюся в них информацию переносили на карты путем соответствующего перфорирования. Затем перфокарты загружались в специальные устройства, соединенные с табуляционной машиной, где они нанизывались на ряды тонких игл, по одной игле на каждую из 240 перфорируемых позиций. Когда игла попадала в отверстие, она замыкала контакт в соответствующей электрической цепи машины, а это, в свою очередь, приводило к тому, что счетчик, состоящий из вращающихся цилиндров, продвигался на одну позицию вперед.

Машина Холлерита оказалась настолько быстродействующей, что предварительные подсчеты были завершены за 6 недель, а полный статистический анализ занял два с половиной года. За истекшие с предыдущей переписи 10 лет население США возросло почти на 13 млн. человек, но обработка результатов переписи 1890 г. потребовала втрое меньше времени по сравнению с предыдущей.

Позднее Холлерит организовал фирму Tabulation Machine Company по производству табуляционных машин. Эти машины закупила царская Россия, решив провести перепись населения на современном уровне. Предприятию Холлерита сразу же сопутствовал успех, и в дальнейшем оно становилось все более преуспевающим. В 1924 г. после серии слияний и переименований, оно превратилось в знаменитую фирму ИБМ (IBM, International Business Machines Corporation).

В конце XIX века была изобретена перфолента – бумажная лента или целлулоидная пленка, на которую информация наносилась перфоратором в виде совокупности отверстий.

Перфокарта	Перфоленты

В 1936 г. английский математик Алан Тьюринг опубликовал работу «О вычислимых числах», заложив теоретические основы теории алгоритмов. Работа Тьюринга стимулировала возникновение абстрактной теории автоматов. Тьюринг описал абстрактную вычислительную машину, которая представляла собой автоматическое устройство, способное находиться в конечном числе внутренних состояний и снабженное бесконечной внешней памятью – лентой. Лента разделена на клетки. Каждая клетка либо содержала один из символов некоторого алфавита, либо была пустой. В каждый момент времени машина Тьюринга находится в одном из своих состояний и, рассматривая одну из клеток ленты, обрабатывает записанный в ней символ, причем машина могла также изменять символы, стирать старые и записывать новые в соответствии с инструкциями, хранимыми в ее внутренней памяти. Тьюринг не преследовал цели изобрести компьютер. Тем не менее, описанная им машина определила некоторые характеристики современных компьютеров.

Алан Тьюринг

В 1936 г. молодой сотрудник Массачусетского технологического института (США) Клод Шеннон выполнял обязанности оператора на неуклюжем механическом вычислительным устройством под названием «дифференциальный анализатор», который построил в 1930 г. научный руководитель Шеннона профессор В. Буш. Это была первая машина, способная решать сложные дифференциальные уравнения, на решение которых вручную уходили иногда целые месяцы. Подобно Аналитической машине Бэббиджа механический анализатор Буша представлял собой сложную систему валиков, шестеренок и проволок, соединенных в серию больших блоков, которые занимали целую комнату. Анализатор был аналоговым устройством, которое само измеряло скорость и расстояние, а затем на основе измеренных величин производило расчеты. Чтобы поставить машине задачу, оператор вынужден был вручную подбирать множество шестереночных передач, на что уходило 2-3 дня.

Вспомнив булеву алгебру, Шеннон поразился ее сходством с принципами работы электрических схем. Шеннон пришел к выводу, что если построить электрические цепи в соответствии с принципами булевой алгебры, то они могли бы выражать логические отношения, определять истинность утверждений, а также выполнять сложные вычисления. Электрические схемы несомненно были бы удобнее шестеренок и валиков, щедро смазанных машинным маслом.

Свои идеи относительно связи между двоичными числами, булевой алгеброй и электрическими схемами Шеннон развил в докторской диссертации, опубликованной в 1938 г. Эта блестящая работа, которая немедленно отразилась на принципах разработки телефонных станций, по праву считается поворотным пунктом в истории развития современной информатики и вычислительной техники. Десятилетием позже Шеннон опубликовал еще одну основополагающую работу – «Математическая теория связи», где изложил идеи, которые впоследствии легли в основу новой отрасли науки – теории информации. Шеннон ввел понятие количества информации как меры неопределенности состояния системы, снимаемой при получении информации. Он назвал эту меру неопределенности энтропией по аналогии с подобным понятием в статистической механике. При получении наблюдателем информации энтропия, то есть степень его неосведомленности о состоянии системы, уменьшается.

Шеннон предложил метод, позволяющий определять и измерять информацию в математическом смысле, путем сведения ее к выбору между двумя значениями: «да» и «нет», или двоичными разрядами. По определению Шеннона, наименьшая единица информации в двоичном коде, – это бит (bit – сокращение от binary digit, что означает «двоичный разряд»).

Потребность в удобной машине, способной решать сложные дифференциальные уравнения, была настолько велика, что еще трое исследователей – двое в США и один в Германии – практически одновременно и независимо друг от друга поняли, что булева алгебра может послужить очень удобной основой для конструирования вычислительных устройств.

Профессор физики колледжа штата Айова Джон Атанасофф решил создать машину на основе двоичной системы. Первоначально он опасался, что студенты и другие пользователи машины столкнутся с определенными трудностями при переводе чисел из десятичной системы в двоичную и наоборот. И все же простота двоичной системы в сочетании с простотой представления двух символов (вместо десяти) в электрических схемах перевесила все эти неудобства. К тому же все преобразования могла выполнять сама машина. И к осени 1939 г. Атанасофф построил грубую модель своей машины и стал искать финансовой помощи для продолжения работы.

На другом конце страны математик из фирмы Bell Telephone Laboratories Джордж Стибиц пришел к выводу, что булева логика – это естественный язык, на котором должна основываться работа систем электромеханических телефонных реле. Работая по вечерам на кухонном столе, он собрал аппарат из старых реле, пары батареек, лампочек, проводов и т.п. Созданное им устройство, в котором использовались логические вентили, управляемые электрическим током, было электромеханической схемой, выполняющей операцию двоичного сложения. В наши дни двоичный сумматор по-прежнему остается одним из основных компонентов любого цифрового компьютера. Еще через пару лет Стибиц разработал устройство, способное производить операции вычитания, умножения и деления, а также сложения двоичных чисел. Машину Стибица начали использовать в управлении фирмы на Манхэттене.

Однако еще в 1934 г. в Берлине студент технического вуза Конрад Цузе, не имея не малейшего представления о работах Чарльза Бэббиджа, начал разрабатывать универсальную вычислительную машину, во многом подобную Аналитической машине Бэббиджа. Поэкспериментировав сначала с десятичной системой, Цузе предпочел все же двоичную. Зная о работах Буля не более, чем о машине Бэббиджа, он использовал в задуманном им вычислительном устройстве принципы булевой алгебры.

В 1936 г. в маленькой квартирке своих родителей Цузе завершил постройку своей машины, которая занимала площадь около 4 кв.м и представляла собой хитросплетение реле и проводов. Цузе назвал ее Z1. Машина имела клавиатуру, с которой вводились в нее условия задач. По завершению вычислений результат высвечивался на панели со множеством маленьких лампочек. Позднее Цузе придумал очень хитроумное и дешевое устройство ввода: он стал кодировать инструкции для машины, пробивая отверстия в использованной 35-миллиметровой фотопленке. Машина, работавшая с перфорированной лентой, получила название Z2. В 1941 году К. Цузе построил действующий компьютер Z3, а позднее и Z4, основанные на двоичной системе счисления. Они использовались для расчетов при создании самолетов и ракет.

На этом эра механических счетных устройств закончилась. И наступило время великих открытий, которые привели к созданию ЭВМ (электронных вычислительных машин), которые теперь принято называть компьютерами.

В 1939 г. началась вторая мировая война. Цузе, Стибиц и другие пионеры вычислительной техники по обе стороны Атлантического океана оказались втянутыми в лихорадочную гонку, целью которой было создание на основе их разработок принципиально нового вида вооружений. Война дала мощный импульс дальнейшему развитию вычислительной теории и техники. Она также способствовала тому, что были собраны воедино разрозненные достижения ученых и изобретателей, внесших свой вклад в развитие двоичной математики, начиная с Лейбница. Двухсимвольное представление информации в конце концов было принято за основу языка электронных вычислительных машин.

В 1943 г. английские инженеры, воплотив в реальность некоторые идеи А. Тьюринга, создали вычислительную машину для дешифровки сообщений немецкой армии, названную «Колосс». В ней вместо электромеханических реле содержалось около 2000 электронных вакуумных ламп. Это было первое устройство, получившее название «компьютер».

В 1944 г. американский инженер Говард Эйкен при поддержке фирмы IBM сконструировал автоматическую вычислительную машину «Марк-1» с программным управлением. Она была построена на электромеханических реле, а программа обработки данных вводилась с перфоленты. Первоначально машина использовалась для выполнения сложных баллистических расчетов. На сложение и вычитание тратилось 0,3 с, а на умножение – 3 с. Такое быстродействие было беспрецедентным, хотя лишь незначительно превосходило показатели, запланированные Ч. Бэббиджем. За день машина выполняла вычисления, на которые раньше уходило полгода. После война «Марк-1» проработал еще 15 лет в Гарвардском университете, решая самые разнообразные задачи от создания экономических моделей до конструирования электронных схем компьютера.

Компьютер «Марк-1»	Джон фон Нейман

В 1945 г.Джон фон Нейман в отчёте «Предварительный доклад о машине «EDVAC» определил и детально описал следующие основные принципы работы и элементы того, что ныне называют «архитектурой фон Неймана».

1. Принцип двоичного кодирования – вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов;

2. Принцип программного управления – работа ЭВМ регламентируется программой, что позволяет, вводя разные программы, решать разные задачи. Программа состоит из набора команд, которые выполняются устройством управления автоматически друг за другом в определенной последовательности;

3. Принцип размещения программы в памяти – программа, требуемая для работы ЭВМ, предварительно размещается в памяти компьютера, а не вводится команда за командой;

4. Принцип однородности памяти – программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными;

5. Согласно фон Нейману, ЭВМ состоит из следующих основных блоков:

Ÿ Устройства ввода/вывода информации;

Ÿ Память компьютера;

Ÿ Процессор, состоящий из устройства управления (УУ) и арифметико-логического устройства (АЛУ).

Функциональная схема ЭВМ, предложенная Дж. Фон Нейманом