История развития вычислений до появления ЭВМ

Оглавление

1. Цель и создание средств автоматизированных вычислений 3

1.1. Абак (греч. ábax, abákion, латинский abacus - доска, счётная доска) 4

1.2. Счеты 4

1.3. Дощаный счёт 4

1.4. Суаньпан 5

1.5. Соробан 5

1.6. Антикитерский механизм 6

2. Древние вычислительные машины 6

2.1. Перфоратор 6

2.2. Арифмометр 7

2.3. Машина Паскаля 8

2.4. Вычислительная машина Чарльза Бэббиджа 9

2.5. Механическая счетная машина Шикарда (1623) 11

3. Создание первых компьютеров 12

4. Поколения и развитие вычислительной техники 16

4.1. Поколение первое. Компьютеры на электронных лампах. 16

4.2. Поколение второе. Транзисторные компьютеры. 17

4.3. Поколение третье. Интегральные схемы. 18

4.4. Поколение четвертое. Большие интегральные схемы. 18

4.5. Пятое поколение 19

4.6. Шестое и последующие поколения ЭВМ 21 

1. Цель  и создание средств  автоматизированных вычислений

     История вычислений уходит глубокими корнями  в даль веков так же, как и  развитие человечества. Накопление запасов, делёж добычи, обмен — все подобные действия связаны со счётом. Для  подсчёта люди использовали собственные  пальцы, камешки, палочки и узелки. Потребность в поиске решений  всё более и более сложных  и сложных задач и, как следствие, все более сложных и длительных вычислений, поставила человека перед  необходимостью находить способы, изобретать приспособления, которые могли бы ему в этом помочь. Исторически  сложилось так, что в разных странах  возникли собственные денежные единицы, меры веса, длины, объёмов и расстояний. Для перевода из одной системы  измерения в другую требовались  вычисления, которые чаще всего могли  производить специально обученные  люди, которых иногда приглашали из других стран. Это естественно привело  к созданию изобретений, помогающих счёту.

     Одним из первых устройств (V—VI вв. до н. э.), облегчающих  вычисления, можно считать специальную  доску для вычислений, названную  «абак». Вычисления на ней производились  перемещением камешков или костей в  углубления досок из бронзы, камня  или слоновой кости. Со временем эти  доски стали расчерчивать на несколько  полос и колонок. В Греции абак существовал уже в V веке до н. э., у японцев он назывался «серобян», у китайцев — «суанпан».

     В Древней  Руси при счёте применялось устройство, похожее на абак, называемое «русский шот». В XVII веке этот прибор уже обрёл  вид привычных русских счёт.

     В начале XVII столетия, когда математика стала  играть ключевую роль в науке, всё  острее ощущалась необходимость  в изобретении счётной машины. И в середине века молодой французский  математик и физик Блез Паскаль  создал «суммирующую» машину, названной  Паскалиной, которая кроме сложения выполняла и вычитание.

     В 1670—1680 гг. немецкий математик Готфрид Лейбниц  конструировал счётную машину, которая  выполняла все арифметические действия. В течение следующих двухсот  лет было изобретено и построено  ещё несколько подобных счётных  устройств, которые, однако, из-за своих  недостатков, том числе из-за медлительности в работе, не получили широкого распространения.

     Лишь  в 1878 году русский ученый П. Чебышёв  предложил счётную машину, выполнявщую  сложение и вычитание многозначных чисел. Наибольшую популярность получил  тогда арифмометр, сконструированный петербургским инженером Однером в 1874 году Конструкция прибора оказалась весьма удачной, так как позволяла довольно быстро выполнять все четыре арифметические действия.

     В 30-е  годы XX столетия в нашей стране был  разработан более совершенный арифмометр — «Феликс». Эти счётные устройства использовались несколько десятилетий, став основным техническим средством  облегчения человеческого труда. 

1. Абак (греч. ábax, abákion, латинский abacus - доска, счётная доска)

     Абаком  называлась счётная доска, применявшаяся  для арифметических вычислений в  Древней Греции, Риме, затем в  Западной Европе до 18 в. Доска разделялась  на полосы, счёт осуществлялся передвижением  находящихся в полосах счётных  марок (костяшек, камней и т.п.).    

       В Древнем Риме абак появился, вероятно в V-VI вв н.э., и назывался  calculi или abakuli. Изготовлялся абак  из бронзы, камня, слоновой кости  и цветного стекла.    

       До нашего времени дошёл бронзовый  римский абак, на котором камешки  передвигались в вертикально  прорезанных желобках. Внизу помещались  камешки для счета до пяти, а в верхней части имелось  отделение для камешка, соответствующего  пятёрке.    

       В странах Дальнего Востока  распространён китайский аналог  абака - суан-пан, в России - счёты.

2. Счеты

     Счёты, прибор для арифметических вычислений. Несмотря на применение совершенных счётных машин, счёты не утратили своего значения при практической счётной работе.

     Прообразом  современных счёт явился так называемый дощаный счёт, возникший впервые  в России в 16 в. Большое влияние  на создание дощаного счёта оказала  система налогового обложения в  России 15—17 вв. (сошное письмо), при  которой, наряду со сложением, вычитанием, умножением и делением целых чисел, надо было производить те же операции и с дробями, поскольку условная единица обложения — соха, делилась на части.

3. Дощаный счёт

     Дощаный счёт представлял собой два складывающихся ящика. Каждый ящик разгораживался надвое (позже только внизу); второй ящик был необходим ввиду особенностей денежного счёта. Внутри ящика на натянутые шнуры или проволоку нанизывались кости. В соответствии с десятичной системой счисления ряды для целых чисел имели по 9 или 10 костей; операции с дробями производились на неполных рядах: ряд из трёх костей составлял три трети, ряд из четырёх костей — четыре четверти (чети). Ниже располагались ряды, в которых было по одной кости: каждая кость представляла половину от той дроби, под которой она располагалась (например кость расположенная под рядом из трех костей, составляла половину от одной трети, кость под ней — половину от половины одной трети, и т. д.).

     Дроби суммировались без приведения к  общему знаменателю, например «четь  да полтрети, да полполчети» (1/4 + 1/6 + 1/16) иногда операции с дробями производились  как с целыми при помощи приравнивания  целого (сохи) к определённой сумме  денег. Например, при равенстве соха = 48 денежным единицам приведённая выше дробь составит 12 + 8 + 3 = 23 денежные единицы. С переходом к арабским цифрам и отменой сошного письма счёты утратили в конце 17 в. ряды для дробей, а в начале 18 в. лишились второго ящика и приобрели свой современный вид (сохранившийся в счётах один неполный ряд, обычно из четырёх костей, отделяет два ряда для десятых и сотых единицы, а также иногда служит для счёта четвертей и половинок).    

       За границей русские счёты  применяются в Иране, а в  Западной Европе — созданные  на их основе в 19 в. наглядные  пособия для школы. Китайские счёты (суан-пан), принятые также в Индокитае и Японии, значительно старше русских и поныне сохраняют своё древнее устройство со счётом единиц до 5, а далее пятками.

4. 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.

5. Соробан

     Соробан - японский абак, происходит от китайского суаньпаня, который был завезен в Японию в XV- XVI веках. Соробан проще своего предшественника, у него на "небе" на один шарик меньше, чем у суаньпаня.

6. Антикитерский механизм

     Антикитерский механизм датируется от 150 до 100 г. до н.э. Это древняя механическая аналоговая вычислительная машина для расчета астрономических позиций. Устройство обнаружено в 1902 году среди останков затонувшего античного корабля рядом с островом Антикитера (между Критом и Китерой). В настоящее время хранится в греческом Национальном археологическом музее в Афинах, в виде большого количества обломков бронзовых шестерен, которые, как предполагается, располагались в деревянном корпусе.

     Антикитерский механизм состоит из 32-х бронзовых шестеренок и нескольких циферблатов со стрелками. Размеры устройства:  высота - 33 см, ширина - 17 см, глубина - 9 см. Антикитерский механизм по внешнему виду напоминает часы. В механизме используется дифференциальная передача, которая, как считалось ранее, была изобретена не ранее XVI века. Сложность механизма сопоставима с механическими часами XVIII века.

     На  внешней стороне прибора расположены  два диска, отвечающие за календарь  и знаки Зодиака. Оперируя дисками, можно узнать точную дату и изучить  положение зодиакальных созвездий  относительно Солнца, Луны и пяти известных  в древности планет – Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера и Сатурна.

     На  обратной стороне антикитерского механизма  также расположено два диска, которые позволяют вычислить  лунные фазы и предсказать солнечные  затмения. Механизм способен учитывать  эллиптичность лунной орбиты. Антикитерский  механизм также может производить  операции сложения, вычитания и деления.

     В настоящий  момент неизвестно был ли антикитерский  механизм единичных изделием или  же подобные устройства были доступны многим.

2. Древние вычислительные машины
7. Перфоратор

     Перфоратор (от лат. perforo — пробиваю, прокалываю) в системах обработки информации, устройство для пробивания отверстий (перфораций), например в бумаге, киноленте и т.п., с целью записи информации (перфорационная карта, перфорационная лента). Наиболее распространены перфораторы для записи цифровой, алфавитной и алфавитно-цифровой информации на перфолентах и перфокартах. Перфораторы различаются по назначению, производительности, устройству привода и перфорирующего механизма, а также способами управления.

     Скорость  перфорирования различных перфораторов составляет от нескольких десятков (в  карточных перфораторах) до нескольких сотен (в ленточных перфораторах) перфораций в 1 сек. В состав перфораторов входят: собственно перфорирующий механизм, привод с ручным (клавишным) или автоматическим управлением, клавиатура или входной  преобразователь электрических  сигналов в код, в соответствии с  которым производится перфорация, и  механизм подачи (перемещения) носителя записи. Важнейшими деталями перфорирующего механизма являются: пуансоны (обычно круглого или прямоугольного сечения), матрицы с отверстиями для  пуансонов, установочный (блокирующий) рычаг для предотвращения пробивки отверстий. Привод перфораторов может  быть механическим, электромагнитным, пневматическим или гидравлическим. К перфораторам часто относят  также вспомогательные устройства — компостеры, щипцы, ручные перфораторы, служащие для исправления информации на перфокартах.

8. Арифмометр

     Арифмометр (от греч. arithmys — число и ...метр), настольная вычислительная машина для выполнения арифметических действий. Машина для арифметических вычислений была изобретена Б. Паскалем (1641), однако первую практическую машину, выполняющую 4 арифметические действия, построил немецкий часовой мастер Ган (1790). В 1890 петербургский механик В. Т. Однер наладил производство русских счётных машин, послуживших прототипом последующих моделей арифмометров. Арифмометр снабжен механизмом для установки и переноса чисел в счётчик, счётчиком оборотов, счётчиком результата, устройством для гашения результата, ручным или электрическим приводом. Арифмометр наиболее эффективен при выполнении операций умножения и деления. С развитием вычислительной техники. Арифмометры заменяются более совершенными клавишными вычислительными машинами. 
    В 1833 английский учёный Ч. Беббидж разработал проект «аналитической машины» — гигантского арифмометра с программным управлением, арифметическим и запоминающим устройствами. Однако полностью осуществить свой проект ему не удалось, главным образом из-за недостаточного развития техники в то время; материалы об этой машине были опубликованы лишь в 1888, уже после смерти автора. Исследования Беббиджа лишь спустя 100 лет привлекли внимание инженеров, но математики отметили их сразу. В 1842 итальянский математик Менабреа опубликовал записи лекций Беббиджа, прочитанных в Турине и посвящённых «аналитической машине».

9. Машина Паскаля

     Первым  изобретателем, механических счетных  машин, стал гениальный француз Блез Паскаль. Сын сборщика налогов, Паскаль  задумал построить вычислительное устройство, наблюдая бесконечные утомительные расчеты своего отца. В 1642 г., когда  Паскалю было всего 19 лет, он начал  работать над созданием суммирующей  машины. Паскаль умер в возрасте 39 лет, но, несмотря на столь короткую жизнь, навечно вошел в историю  как выдающийся математик, физик, писатель и философ. В его честь назван один из самых распространенных современных  языков программирования.

     Суммирующая машина Паскаля, «паскалина», представляла собой механическое устройство - ящик с многочисленными шестеренками. Всего приблизительно за десятилетие  он построил более 50 различных вариантов  машины. При работе на «паскалине»  складываемые числа вводились путем  соответствуюшего 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 слева «старшее» колесико на 1 вперед. Другие операции выполнялись при  помощи довольно неудобной процедуры  повторных сложений.

     Хотя  машина вызвала всеобщий восторг, она  не принесла Паскалю богатства. Тем  не менее изобретенный им принцип  связанных колес явился основой, на которой строил ось большинство  вычислительных устройств на протяжении следующих трех столетий.

     Основной  недостаток «паскалины» состоял  в неудобстве выполнения на ней всех операций, кроме простого сложения. Первая машина, позволявшая легко  производить вычитание, умножение  и деление, была изобретена позже  в том же XVII в. в Германии. Заслуга  этого изобретения принадлежит  гениальному человеку, творческое воображение  которого казалось неисчерпаемым. Готфрид  Вильгельм Лейбниц родился в 1646 г. в Лейпциге. Он принадлежал к  роду, известному своими учеными и  политическими деятелями. Его отец, профессор этики, умер, когда ребенку  было всего 6 лет, но к этому времени  Лейбницем уже овладела жажда  знаний. Дни напролет он проводил в  отцовской библиотеке, читая книги  и занимаясь историей, латинским  и греческим языками и другими  предметами.

     Поступив  в Лейпцигский университет в  возрасте 15 лет, он по своей эрудиции, пожалуй, не уступал многим профессорам. И все же теперь перед ним открылся совершенно новый мир. В университете он впервые познакомился с работами Кеплера, Галилея и других ученых, стремительно расширявших границы  научного познания. Темпы научного прогресса поразили воображение  молодого Лейбница, и он решил включить в свою учебную про грамму математику.

     В возрасте 20 лет Лейбницу предложили должность  профессора в Нюрнбергском университете. Он отклонил это предложение, предпочтя  жизни ученого дипломатическую  карьеру. Однако, пока он разъезжал  в карете из одной европейской  столицы в другую, его беспокойный  ум терзали всевозможные вопросы  из самых различных областей науки  и философии - от этики до гидравлики и астрономии. В 1672 г., находясь в  Париже, Лейбниц познакомился с голландским  математиком и астрономом Христиан ом Гюйгенсом. Видя, как много вычислений приходится делать астроному, Лейбниц  решил изобрести механическое устройство, которое облегчило бы расчеты. «Поскольку это недостойно таких замечательных  людей, - писал Лейбниц, - подобно  рабам, терять время на вычислительную работу, которую можно было бы доверить кому угодно при использовании машины».

     В 1673 г. он изготовил механический калькулятор. Сложение производил ось на нем по существу так же, как и на «паскалине», 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 тоже было автоматическим.

     Лейбниц продемонстрировал свою машину в Французской академии наук и Лондонском королевском обществе. Один экземпляр машины Лейбница попал к Петру Великому, который подарил ее китайскому императору, желая поразить того европейскими техническими достижениями. Но Лейбниц прославился прежде всего не этой машиной, а созданием дифференциального и интегрального исчисления (которое независимо разрабатывал в Англии Исаак Ньютон). Он заложил также основы двоичной системы счисления, которая позднее нашла применение в автоматических вычислительных устройствах.

10. Вычислительная машина Чарльза Бэббиджа

     Чарльз  Беббидж считается основателем  современной вычислительной техники. В работе Чарльза Бэббиджа прослеживается два направления: разностная и аналитическая  вычислительная машины. Аналитическая  машина Чарльза Бэббиджа использует принцип программного управления и  является предшественницей современных  ЭВМ.

     В 1822 году Чарльз Бэббидж создал первую небольшую модель своего аппарата, получившего название "разностная машина". Механизм разностной машины состоял из валиков и шестерней, вращаемых вручную при помощи специального рычага. Разностная машина могла управлять шестизначными  числами и выражать в числах любую  функцию, которая имела постоянную вторую разность. Ценность разностной машины Чарльза Бэббиджа в том, что  он впервые предложил машину, которая  в отличие от всех предыдущих могла  не только производить один раз заданное действие, но и осуществлять целую  программу вычислений. Сам Бэббидж  достаточно ясно представлял назначение своей машины. Он пропагандировал  использование математических методов  в различных областях науки и  предсказывал при этом широкое применение вычислительных машин.

     Бэббидж обратился к правительству Великобритании с просьбой о финансировании полномасштабной  разработки. Правительство Великобритании, заинтересовавшись идеей, выделило деньги на дальнейшее развитие проекта. В 1834 году Бэббидж занялся разработкой  еще более сложного агрегата - аналитической  машины, способной выполнять определенные действия в соответствии с инструкциями, задаваемыми оператором. Модель аналитической  машины фактически можно считать  прообразом современного компьютера. Главное отличие аналитической  машины от разностной заключается в  том, что она программируемая  и может выполнять любые заданные ей вычисления.

     Аналитическая машина Чарльза Бэббиджа использует принцип программного управления и  является предшественницей современных  ЭВМ.

     Аналитическая машина состояла из следующих четырех  основных частей:

- блок хранения  исходных, промежуточных данных  и результатов вычислений. (состоял  из набора зубчатых колес, идентифицирующих  цифры подобно арифмометру); 
- блок обработки чисел из склада, названный мельницей (в современной терминологии - это арифметическое устройство); 
- блок управления последовательностью вычислений (в современной терминологии - это устройство управления УУ); 
- блок ввода исходных данных и печати результатов (в современной терминологии - это устройство ввода/вывода ).

     Аналитическая машина так и не была изготовлена  Чарльзом Бэббджем. Кроме хронической нехватки финансовых средств, важнейшая из причин — технологическая. Тогда не умели обрабатывать металл с высокой степенью точности и с высокой производительностью — а для реализации проекта требовались тысячи одних только зубчатых колес.

     Большое влияние на посмертную судьбу машины оказал генерал Бэббидж, сын изобретателя. Выйдя в отставку в 1874 году, он несколько лет посвятил изучению отцовского наследия, а в 1880 году начал работу по восстановлению Difference Engine в «железе». Работа продолжалась с переменным успехом до 1896 г.  В конце концов к 1904 году был создан небольшой фрагмент машины,  который печатал результаты вычислений. Кроме того, Бэббидж-младший сделал несколько мини-копий Difference Engine  и разослал их по всему миру.

     В 1991 году, к двухсотлетию со дня рождения ученого, сотрудники лондонского Музея науки воссоздали по его чертежам 2,6-тонную «разностную машину № 2», а в 2000 году — еще и 3,5-тонный принтер Бэббиджа. Оба устройства, изготовленные по технологиям середины XIX века, превосходно работают — в  расчётах Бэббиджа было найдено всего две ошибки.

11. Механическая счетная машина Шикарда (1623)

     Причиной, побудившей Шиккарда разработать счетную  машину для суммирования и умножения  шестиразрядных десятичных чисел, было его знакомство с польским астрономом И. Кеплером. Ознакомившись с работой  великого астронома, связанной в  основном с вычислениями, Шиккард  загорелся идеей оказать ему  помощь в нелегком труде. В письме на его имя, отправленном в 1623 г., он приводит рисунок машины и рассказывает, как она устроена.

     Машина  немецкого ученого Шиккарда содержала  суммирующее и множительное устройства, а также механизм для записи промежуточных  результатов. Первый блок – шестиразрядная суммирующая машина – представлял  собой соединение зубчатых передач. На каждой оси имелись шестерня с  десятью зубцами и вспомогательное  однозубое колесо – палец. Палец  служил для того, чтобы передавать единицу в следующий разряд (поворачивать шестеренку на десятую часть полного  оборота после того, как шестеренка предыдущего разряда сделает  такой оборот). При вычитании шестеренки следовало вращать в обратную сторону. Контроль хода вычислений можно было вести с помощью специальных окошек, где появлялись цифры. Для перемножения использовалось устройство, чью главную часть составляли шесть осей с «навернутыми» на них таблицами умножения.

     В наши дни рабочая модель устройства Шиккарда была воспроизведена по чертежам и  подтвердила свою работоспособность.

3. Создание первых компьютеров

     В 1812 году английский математик и экономист  Чарльз Бэббидж начал работу над  созданием, так называемой «разностной» машины, которая, по его замыслам, должна была не просто выполнять арифметический действия, а проводить вычисления по программе, задающей определённую функцию. В качестве основного элемента своей  машины Бэббидж взял зубчатое колесо для запоминания одного разряда  числа (всего таких колёс было 18). К 1822 году учёный построил небольшую  действующую модель и рассчитал  на ней таблицу квадратов.

     В 1834 году Бэббидж приступил к созданию «аналитической» машины. Его проект содержал более 2000 чертежей различных  узлов. Машина Бэббиджа предполагалась как чисто механическое устройство с паровым приводом. Она состояла из хранилища для чисел («склад»), устройства для производства арифметических действий над числами (Бэббидж назвал его «фабрикой») и устройства, управляющего операциями машины в нужной последовательности, включая перенос чисел из одного места в другое; были предусмотрены  средства для ввода и вывода чисел. Бэббидж работал над созданием  своей машины до конца своей жизни (он умер в 1871 году), успев сделать  лишь некоторые узлы своей машины, которая оказалась слишком сложной  для того уровня развития техники.

     В 1842 году в Женеве была опубликована небольшая  рукопись итальянского военного инженера Л.Ф. Менабреа «Очерк об аналитической  машине, изобретённой Чарльзом Бэббиджем», переведённая в последствии ученицей и помощницей Бэббиджа дочерью Дж. Г. Байрона — леди Адой Лавлейс. При  содействии Бэббиджа Ада Лавлейс  составляла первые программы для  решения систем двух линейных уравнений  и для вычисления чисел Бернулли. Леди Лавлейс стала первой в мире женщиной-программистом.

     После Бэббиджа значительный вклад в развитие техники автоматизации счёта  внёс американский изобретатель Г. Холлерит, который в 1890 году впервые построил ручной перфоратор для нанесения цифровых данных на перфокарты и ввёл механическую сортировку для раскладки этих перфокарт в зависимости от места пробива. Им была построена машина — табулятор, которая прощупывала отверстия на перфокартах, воспринимала их как соответствующие числа и подсчитывала их. Табуляторы Холлерита были использованы при переписи населения в США, Австрии, Канаде, Норвегии и в др. странах. Они же использовались при первой Всероссийской переписи населения в 1897 году, причём Холлерит приезжал в Россию для организации этой работы. В 1896 году Холлерит основал всемирно известную фирму Computer Tabulating Recording, специализирующуюся на выпуске счетно-перфорационных машин и перфокарт. В дальнейшем фирма была преобразована в фирму International Business Machines (IBM), ставшую сейчас передовым разработчиком компьютеров.