Краткая история вычислительной техники

Вступление

Научная и инженерная мысль с давних пор приносили людям всё новые и новые возможности, которые меняли условия их существования и самый стиль их жизни. Изобретение паровой машины, двигателя внутреннего сгорания, электродвигателя позволило механизировать практически все трудоемкие работы и создать удобные и быстрые виды транспорта. Изобретение телефона и радио обеспечило оперативную связь, независимо от расстояния между абонентами.

Особую роль в истории цивилизации играет изобретение электронных вычислительных машин (ЭВМ), которые мы сейчас называем компьютерами. Это изобретение совпадает по времени с серединой 20 века. До этого момента все человеческие изобретения, в том числе самые выдающиеся и очень полезные, служили для механизации или автоматизации работ, связанных с физическими процессами. С появлением ЭВМ (а затем и других средств информатики) впервые возникла возможность автоматизации умственной работы и, в каком-то смысле, даже творческой деятельности человека.

Предыстория ЭВМ

В средние века, по мере развития математики и роста объема вычислений, возникает стремление упростить и облегчить вычислительные работы.

В 1645 году молодой французский математик Блез Паскаль (1623–1662) построил «арифметическую машину» (так он называл свою счетную машину). Эта десятичная 8-разрядная машина была снабжена оригинальным и эффективным механизмом переноса, изобретенным Паскалем.

Машина Паскаля имела большой успех. Он демонстрировал её при дворе и получил поддержку. В частности, ему было разрешено производить и продавать свои машины. С 1646 по 1652 год он построил около 50 машин. Некоторые из них сохранились до наших дней.

Машина Паскаля вызвала к жизни целый ряд изобретений в области вычислительной техники. Блез Паскаль был не только математиком и изобретателем счетных машин. Он был также незаурядным физиком и философом. Современники называли его «французским Архимедом». В наши дни имя Паскаля увековечено в названии языка программирования паскаль.

В истории науки, открытий, изобретений встречаются самые удивительные и неожиданные события. Так случилось с созданием первых вычислительных машин.

Более 300 лет считалось, что первым был Паскаль. Но вот, в 1957 году германский ученый доктор Франц Гаммер обнаружил в Штутгарте, в архиве городской библиотеки, чертежи неизвестной ранее счетной машины. Гаммер установил, что это – приложение к письму Вильгельма Шиккарда Иоганну Кеплеру, отправленному 24 февраля 1624 года. В этом же письме были подробно описаны устройство и работа машины.

Итак, первым был не Паскаль, а Шиккард? Доктор Гаммер безусловно доказал это: первая механическая вычислительная машина была создана в 1623–1624 гг. профессором Тюбингенского университета Вильгельмом Шиккардом (1592–1636). Эта машина была десятичной, 6-разрядной. Каждый разряд имел соответствующее зубчатое (счетное) колесо с 10 зубьями, а также однозубое колесо для передачи переноса в старший разряд. В. Шиккард смог изготовить только два экземпляра своей машины, но они не сохранились и были забыты в дальнейшем.

Но вот, через 10 лет после открытия Гаммера, из Мадрида пришло известие о новом открытии: здесь были обнаружены чертежи 13-разрядного десятичного суммирующего устройства с зубчатыми колесами … в неопубликованных рукописях Леонардо да Винчи (1452–1519).

Такова история техники! Изучая историю информатики, мы ещё не раз вынуждены будем задать вопрос: «Кто был первым?».

Важную роль в истории вычислительной техники сыграла машина Лейбница. Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646–1716) – великий немецкий ученый, философ, изобретатель, государственный деятель, математик, один из создателей дифференциального и интегрального исчислений. Лейбниц оказал решающее влияние на развитие европейской науки. Арифметическая машина, которую он построил в 1672 году, была первым в мире арифмометром, то есть машиной, выполняющей все четыре арифметические действия. Умножение и деление оказалось возможным благодаря «ступенчатому валику», который изобрел Лейбниц. Эта идея оказалась весьма плодотворной: в дальнейшем на принципе ступенчатого валика было построено большинство арифмометров.

Электромеханические вычислительные машины

В 30-е годы 20-го века происходит развитие и совершенствование счетно-аналитической техники. Наряду с табуляторами фирма IBM (США) начинает серийный выпуск множительных перфораторов (для сложения, вычитания и умножения) и вычислительных перфораторов (для выполнения четырех арифметических действий). Разрабатываются ленточные перфораторы, вводные устройства для автоматической записи показаний различных приборов, итоговые перфораторы и т. п. Во второй половине 30-х годов в Германии и США начинается работа над проектами универсальных вычислительных машин с программным управлением для выполнения сложных расчетов. Первая такая машина была создана германским инженером Конрадом Цузе в 1941 г. (машина «Ц-3», работа над проектами автоматических вычислительных машин велась с 1935 г.). В 1939 г. Г. Айкен (Гарвардский университет, США) возглавил работу над проектом MARK-1 и в 1944 г. завершил разработку машины. С 1938 г. работу над автоматическими цифровыми машинами на контактных реле ведет Дж. Стибиц (фирма «Bell», США). Результатом работ явилось создание нескольких специализированных машин (Bell-I, 1939 г., Bell-II, 1943 г., Bell-III, 1944 г.) и мощной универсальной машины Bell-V, которая была закончена в 1946 г., уже после постройки первой ЭВМ.

Развитие вычислительной техники

Развитие вычислительной техники протекало в двух направлениях и представлено машинами двух принципиально различных классов: машинами непрерывного и машинами дискретного действия.

В машинах непрерывного действия математические переменные изображаются физическими величинами (изменяющимися углами поворота, длинами, скоростями, электрическими напряжениями и т. п.). Простейшими машинами непрерывного действия являются логарифмическая линейка, планиметр, интегратор.

Основой для создания машин непрерывного действия явился метод моделирования. Если два процесса различной физической природы описываются одинаковыми математическими средствами, то любой из них можно считать моделью другого, всякий реальный процесс можно считать моделью той математической зависимости, которая является его описанием.

Важнейшим видом машин непрерывного действия являются электронные интеграторы, предназначенные для решения систем дифференциальных уравнений. Конструктивно машины непрерывного действия состоят из отдельных блоков, предназначенных для выполнения отдельных математических операций и для моделирования отдельных математических функций. Для решения задачи необходимые блоки, из числа имеющихся в комплекте машины, соединяются между собой тем или иным способом, зависящим от характера задачи.

Таким образом, сложность задачи, поддающейся решению на машине непрерывного действия, ограничена наличным комплектом её оборудования. Точность результатов решения обусловлена качеством элементов, из которых построена машина непрерывного действия, и сравнительно невелика (три–четыре правильных значащих цифры). Повышение точности решения наталкивается на существенные технологические и эксплуатационные трудности. Наряду с перечисленными недостатками, машины непрерывного действия обладают ценной особенностью: их можно сочетать с реальной аппаратурой, заменяя, таким образом, натурные испытания этой аппаратуры лабораторными (например, электронная машина непрерывного действия, моделирующая сигналы, вырабатываемые приборами самолета, может быть применена для испытаний автопилота).

В машинах дискретного действия принят цифровой способ представления чисел, откуда и происходит их название – цифровые машины. Для изображения каждой цифры применяется какой-либо прибор (элемент машины), которому свойственно несколько устойчивых состояний, резко разграниченных между собой.

Каждому состоянию элемента поставлена в соответствие определенная цифра. Первые цифровые вычислительные машины появились в глубокой древности (например, абак древних греков). Их представителями являются широко известные конторские счеты, арифмометры и ручные электрифицированные счетно-клавишные машины.

При создании цифровой вычислительной машины всегда можно предусмотреть сколь угодно высокую точность её работы, что достигается включением в её состав достаточного количества элементов, изображающих разряды чисел. При этом не повышаются требования к точности изготовления и стабильности работы элементов, так что из сравнительно грубых элементов могут быть построены цифровые машины, обеспечивающие высокую точность вычислений.

На арифмометрах и ручных счетно-клавишных машинах производятся только арифметические действия. Однако разработанные к настоящему времени численные методы математики позволяют с помощью этих машин решать самые разнообразные математические задачи. Другими словами, в отличие от машин непрерывного действия, цифровые машины могут быть практически универсальными.

Перечисленные выше простейшие цифровые вычислительные машины являются средством механизации процесса выполнения вычислительных операций.

В начале 20-го столетия появились счетно-аналитические или перфорационные машины, предназначавшиеся для удовлетворения нужд статистики, бухгалтерского учета и банковского дела. В этих машинах механизирован и отделен от выполнения арифметических операций процесс ввода чисел. Числа изображаются в виде систем отверстий, пробитых на стандартных листах тонкого картона – перфокартах. На этих же перфокартах пробиты признаки («приказы»), указывающие какие операции и над какими числами должны быть произведены. Перфокарты, последовательно выбираемые машиной из колоды перфокарт, «ощупываются» системой электрических контактов, которые при наличии отверстий в перфокарте замыкаются и посылают сигналы в машину.

Настройка счетно-аналитической машины на решение определенной задачи производится заблаговременно, путем соответствующего соединения (коммутации) отдельных ее блоков. Постоянная коммутация не позволяет во время работы перестраивать машину. Результаты вычислений печатаются на рулоне бумаги или, если процесс вычислений должен быть продолжен при другой коммутации машины, пробиваются на так называемых итоговых перфокартах для нового ввода. Таким образом, процесс вычислений автоматизирован не полностью.

Электронные вычислительные машины

В 1918 г. М.А. Бонч-Бруевич (СССР) и в 1919 г. независимо от него У. Икклс и Ф. Джордан изобретают триггер на электронных лампах. По мнению С. Лилли, «в любое время после 1919 г. можно было бы создать практически действующую электронную счетную машину». Теоретически это верно, однако на практике дело обстояло значительно сложнее. Необходимо было повысить надежность ламп и получить опыт проектирования устройств с большим числом ламп (в достаточно мощной ЭВМ количество ламп должно было составить несколько тысяч). В 20–30-е годы улучшаются характеристики электронных ламп, создаются новые типы ламп (тетроды, пентоды, комбинированные лампы и т. п.), развивается теория электронных цепей. В 30-е годы зарождаются телевидение и радиолокация, развивается электронная контрольно-измерительная техника. Электронные лампы впервые начинают применяться для выполнения счетных операций (в пересчетных схемах приборов ядерной физики для счета заряженных частиц). Первые электронные счетчики для данных целей были разработаны в 1930–1931 гг. Уинн-Уильямсом (Великобритания).

В сороковых годах 20-го века появилась существенно новая разновидность цифровых машин – электронные цифровые программно-управляемые машины.

Основные принципы построения таких машин были сформулированы известным американским математиком Джоном фон Нейманом в 1946 г.

Джон фон Нейман (1903−1957)

Джон фон Нейман (1903−1957)

Наряду с применением электронных приборов и элементов, обеспечивающих небывалую до сих пор быстроту выполнения операций, а также записи в запоминающее устройство и считывания из него чисел, для этих машин характерна полная автоматизация вычислительного процесса, исключающая участие в нём человека.

В программно-управляемой машине вычислительный процесс выполняется в соответствии с последовательностью так называемых команд, которые вводятся в запоминающее устройство машины вместе с исходными данными. Такие последовательности команд называются программами. Программы кодируются с помощью чисел, что позволяет подвергать их команды математическим операциям и, таким образом, автоматически видоизменять, модифицировать. Кроме того, программно-управляемые машины позволяют предусматривать в программах изменение порядка выполнения команд в зависимости от промежуточных результатов вычислений.

Перечисленные особенности электронных программно-управляемых машин позволили расширить область их применений далеко за первоначально намеченные рамки сверхбыстрых математических вычислений.

Первый проект электронной вычислительной машины был разработан Дж. Атанасовым (США) в 1939 г. Постройка машины велась Дж. Атанасовым и его единственным помощником Кл. Берри в 1939–1941 гг., но осталась незавершенной из-за вступления США в войну и перехода Дж. Атанасова на исследовательскую работу военного назначения. В 1940 г. с работой Атанасова над ЭВМ знакомится Дж. Мочли, а в 1942 г. он предлагает свой проект, существенно отличающийся от проекта Атанасова. В 1943 г. возможностями выполнения расчетов на ЭВМ заинтересовалась Баллистическая исследовательская лаборатория Армии США, и в том же году под руководством Дж. Мочли и Дж. Эккерта началась постройка машины. В 1945 г. эта машина, ЭНИАК * ЭНИАК (ENIAC) – Electronic Numerical Integrator and Computer (англ.). , была введена в действие, а в феврале 1946 г. проект был рассекречен, и состоялась первая публичная демонстрация работы ЭВМ. По сравнению с упомянутыми выше автоматическими вычислительными машинами на контактных реле в машине ЭНИАК была достигнута приблизительно в 1000 раз более высокая скорость выполнения операций.

В 1946 г. Дж. фон Нейман на основе критического анализа конструкции машины ЭНИАК предложил ряд новых идей организации ЭВМ, в том числе концепцию хранимой программы, т. е. хранения программы в запоминающем устройстве (в ЭНИАК программа задавалась штеккерным методом, т. е. коммутацией блоков машины в определенной последовательности). В результате реализации идей Неймана была создана структура машин, архитектура, во многих чертах сохранившаяся до настоящего времени. Первая ЭВМ с хранимой программой была создана в Великобритании в 1949 г. (машина ЭДСАК * ЭДСАК (EDSAC) – Electronic Delay Storage Automatic Computer (англ.). , конструктор М.В. Уилкс). В 1951 г. в США начался серийный выпуск ЭВМ с хранимой программой (машина ЮНИВАК * ЮНИВАК (UNIVAC) – Universal Automatic Computer (англ.). , проект Дж. Эккерта и Дж. Мочли).

Несмотря на то, что исследования в области электронной вычислительной техники в СССР были начаты на несколько лет позже, чем в США и Великобритании, в сжатые сроки был выполнен ряд проектов цифровых ЭВМ. Первые проекты были предложены в 1948 г. С.А. Лебедевым, И.С. Бруком и Б.И. Рамеевым.

Мы ещё расскажем об этих замечательных архитекторах вычислительных машин.

Страница 9 из 25 Все страницы