 |
Появление вычислительных машин на основе электроники
|
|
|
|
План
Введение
§1.Первые счетные машины
§2.Появление вычислительных машин на основе электроники
§3. Появление полностью электронных цифровых компьютеров. Принципы Неймана как основополагающие концепции построения ЭВМ
Заключение
Литература
Введение
Актуальность темы работы состоит в том, что информатизация общества в современных условиях предусматривает обязательное применение компьютеров в школьном образовании, что призвано обеспечить компьютерную грамотность и информационную культуру учащихся.
Внедрение компьютерной техники может позволить одновременно искать ответ на несколько вопросов. Следовательно, в обучении любым предметам возникает возможность применять такие педагогические приемы, которые позволяют одновременно работать по нескольким направлениям, за минимальное время обрабатывая огромную информацию, так как человеческая память и мышление получают существенную помощь на этапе отбора и сопоставления исходных данных. При этом существенно меняется положение как ученика, так и учителя, по-иному строится их познавательная и обучающая деятельность. Теперь среди важнейших задач совершенствования содержания образования прямо формулируется необходимость вооружать учащихся знаниями и навыками использования современной вычислительной техники, обеспечить широкое применение компьютеров в учебном процессе, создавать для этого специальные школьные и межшкольные кабинеты.
При развитии информационной культуры важное место занимает знание истории развития вычислительной техники в её тесной вязи с историей развития техники вообще.
Цель работы состоит в отслеживании развития вычислительных устройств до начала 50-х годов (появление серийных ЭВМ с хранимой программой). Задачи работы состоят в выделении основных этапов эволюции вычислительной техники и характеристике фундаментальных принципов её построения.
|
|
|
Первые счетные машины
Задолго до появления первых счетных устройств люди изыскивали различные возможности для проведения вычислений. Они пользовались для этого пальцами рук, камешками, которые складывали в кучки или располагали в ряд. Число предметов фиксировалось с помощью черточек, которые проводились по земле, зарубок, которые делались на палках, и узелков, которые завязывались на веревке.
С увеличением объема вычислений начался поиск способа выполнять их с помощью какого-нибудь инструмента. Самым древним и хорошо известным счетным инструментом являются счеты. Счеты - это переносное устройство, состоящее из деревянных кружочков, нанизанных на деревянный или металлический стержень. Такое устройство позволяет быстро и точно производить простые арифметические действия над большими числами, такие, как сложение, вычитание, умножение и деление.
До сих пор никто не может точно назвать время появления счетов. Историки сходятся во мнении, что их возраст составляет 2000- 5000 лет, а их родиной могут быть и древний Китай, и древний Египет, и древняя Греция. Счеты и по сей день используются во многих странах мира.
На протяжении сотен лет устройства, создававшиеся для облегчения выполнения вычислительных операций, по принципу действия были так же просты, как счеты. Однако в начале XVII века, когда математика стала играть ключевую роль в науке, специалисты в области физики и астрономии столкнулись с необходимостью проведения сложных и громоздких вычислений. Потребность в более совершенных вычислительных инструментах становилась все более очевидной. Требовались машины, которые были бы способны выполнять большой объем вычислений с высокой точностью и за малое время. Другими словами, это должны были быть машины, делающие процесс вычислений достаточно простым и экономящие время.
|
|
|
В 1642 году девятнадцатилетний французский математик Блез Паскаль сконструировал первую в мире механическую счетную машину, известную как суммирующая машина Паскаля («Паскалина»). Эта машина представляла собой комбинацию взаимосвязанных колесиков и приводов. На колесиках были нанесены цифры от 0 до 9. Когда первое колесико делало полный оборот от 0 до 9, в действие автоматически приводилось второе колесико. Когда и оно достигало цифры 9, начинало вращаться третье и так далее. Машина Паскаля могла только складывать и вычитать.
Потребовалось свыше 50 лет для создания более совершенного устройства, чем суммирующая машина Паскаля. И счеты, и суммирующая машина Паскаля имели ограниченные возможности. Отсутствие инструмента, позволяющего быстро и точно осуществлять сложные и громоздкие вычисления, привело к тому, что многие поставленные эксперименты так никогда и не были завершены, а те, которые все-таки удалось довести до конца, потребовали месяцы и даже годы.
Такое положение сохранялось вплоть до 1694 года, когда немецкий математик Готфрид Вильгельм фон Лейбниц сконструировал свою счетную машину. Основная цель, которую поставил перед собой Лейбниц, заключалась в том, чтобы создать такую счетную машину, которая полностью освободила бы ученых от рутинной работы - выполнения расчетов вручную - и тем самым позволила бы им заниматься чисто научными вопросами, а не математическими вычислениями. Кроме того, Лейбниц был убежден, что подобная машина найдет широкое применение не только в науке, но и в различных сферах жизни, включая торговлю, библиотечное дело, спорт, мореплавание и другие.
В отличие от Паскаля Лейбниц использовал в своей машине цилиндры, а не колесики и приводы. На цилиндры были нанесены цифры. Каждый цилиндр имел девять рядов выступов или зубцов. При этом первый ряд содержал один выступ, второй ряд - два выступа и так вплоть до девятого ряда, который содержал соответственно девять выступов. Цилиндры с выступами были подвижными и приводились в определенные положения оператором.
|
|
|
Будучи более сложной по конструкции, чем суммирующая машина Паскаля, машина Лейбница была способна выполнять не только сложение и вычитание, но и умножение, деление и извлечение квадратного корня. И все-таки даже такая машина оказалась не в состоянии удовлетворить растущие потребности в математических расчетах. Не прошло и ста лет, как вновь встал вопрос о создании более совершенной вычислительной машины.
Следующий важный этап развития вычислительной техники приходится на XIX век. Это был век выдающихся изобретений. Чтобы создать новое поколение счетных машин, причем таких машин, которые решали бы задачи быстрее и проще, чем это делают люди, в ход были пущены старые идеи и новые теории.
Одним из выдающихся ученых того времени был англичанин Чарлз Бэбидж. Многие именно его считают отцом современного компьютера. Как и Паскаль и Лейбниц, Бэбидж был математиком. Однако в отличие от них он больше преуспел в разработке вычислительных машин, чем в реализации своих проектов. Бэбиджу принадлежит изобретение первой программируемой вычислительной машины (1830 год). Этой идее он посвятил большую часть своей жизни. К сожалению, он так и не довел до конца создание работающей модели.
Свое изобретение Бэбидж назвал «Аналитической машиной». Согласно проекту, машина должна была приводиться в действие силой пара. При этом она могла воспринимать команды, выполнять вычисления и выдавать необходимые результаты в отпечатанном виде.
Программы в свою очередь должны были кодироваться и переноситься на перфокарты. Идею использования перфокарт Бэбидж позаимствовал у французского изобретателя Жозефа Жаккара. Дело в том, что для контроля ткацких операций Жаккар применил отверстия, пробитые в карточках. Карточки с разным расположением отверстий давали различные узоры на плетении ткани. Жаккар даже не мог предположить, что его идея будет впоследствии использована для обработки информации с помощью компьютеров. По сути дела Бэбидж был первым, кто использовал перфокарты применительно к вычислительной машине.
|
|
|
К сожалению, в те времена технология была значительно хуже развита, чем аналитические средства. Бэбидж не был в состоянии сделать и собрать многие высокоточные детали, которые требовались для его машины. Тем не менее его изобретение имело важное значение: многие последующие изобретатели использовали идеи придуманных им устройств, подобно тому как он воспользовался идеей Жаккара.
В 1823 году Бэббидж начал работать над своей вычислительной машиной, состоявшей из двух частей: вычисляющей и печатающей. Машина предназначалась в помощь британскому морскому ведомству для составления различных мореходных таблиц. Первая, вычисляющая часть машины была почти закончена к 1833 году, а вторую, печатающую, удалось довести почти до половины, когда расходы превысили 17000 фунтов стерлингов. Больше денег не было, и работы пришлось закрыть. Хотя машина Бэббиджа и не была закончена, ее создатель выдвинул идеи, которые и легли в основу устройства всех современных компьютеров. Бэббидж пришел к выводу - вычислительная машина должна иметь устройство для хранения чисел, предназначенных для вычислений, а также указаний (команд) машине о том, что с этими числами делать. Следующие одна за другой команды получили название «программы» работы компьютера, а устройство для хранения информации назвали «памятью» машины. Однако хранение чисел даже вместе с программой - только полдела. Главное - машина должна производить с этими числами указанные в программе операции. Бэббидж понял, что для этого в машине должен быть специальный вычислительный блок - процессор. Именно по такому принципу и устроены современные компьютеры.
Среди ученых, которые отчетливо понимали важность аналитических методов, была математик леди Ада Августа Лавлейс (её именем назван язык программирования Ада) - дочь английского поэта лорда Байрона. Именно она убедила Бэбиджа в необходимости использования в его изобретении двоичной системы счисления вместо десятичной. Она также разработала принципы программирования, предусматривающие повторение одной и той же последовательности команд и выполнение этих команд при определенных условиях. Эти принципы используются и в современной вычислительной технике.
Если Чарльз Бэбидж был первым, кому пришла идея использовать перфокарты применительно к вычислительной машине, то первым, кто практически реализовал эту идею, был Герман Холлерит. Его машина была предназначена для обработки результатов переписи населения.
Каждые 10 лет правительство США проводит перепись населения. В век компьютера подобная операция занимает считанные месяцы. Но в XIX-м веке это был длительный и изнурительный процесс; несмотря на то что в 1880 году население США составляло всего лишь пятую часть современной численности населения, результаты переписи обрабатывались в течение целых восьми лет. Правительство страны, едва закончив обработку данных одной переписи, было вынуждено почти сразу же приступать к новой переписи!
|
|
|
Потребность в средствах для более быстрой обработки данных была очевидной. Вы только подумайте, чтобы узнать, какова численность населения в 1890 году, надо было ждать наступления 1900 года. И вот тут на помощь американскому Бюро переписи населения пришел Холлерит, который предложил для обработки данных использовать его машину. С помощью счетно-аналитической машины Холлерита данные переписи 1890 года были обработаны менее чем за 3 года. При этом был получен характерный и впечатляющий результат: по сравнению с предыдущей переписью численность населения страны возросла на 25%.
Как же Холлериту удалось добиться успеха? Оказалось, что он не только реализовал идею Бэбиджа относительно перфокарт, но и впервые применил для расчетов электричество. Карты использовались для кодирования данных переписи, причем на каждого человека была заведена отдельная карта. Кодирование велось путем определенного расположения отверстий, пробитых в карте, по строкам и колонкам. Например, отверстие, пробитое в третьей колонке и четвертой строке, могло означать, что человек состоит в браке. Аналогичным образом другие отверстия могли означать пол, число членов семьи, образование и т. д. Все эти данные потом «прочитывались» машиной. Когда карта, имевшая размеры банкноты в один доллар, пропускалась через машину, она прощупывалась системой игл. Если напротив иглы оказывалось отверстие, то игла, пройдя сквозь него, касалась металлической поверхности, расположенной под картой. Возникавший таким образом контакт замыкал электрическую цепь, благодаря чему к результатам расчетов автоматически добавлялась единица.
Метод перфокарт Холлерита явился значительным этапом в создании быстро и точно считающих машин. Лишь через 70 лет перфокарты начнут заменяться магнитными лентами и дисками. Тем не менее и сегодня еще миллиарды перфокарт изготавливаются и применяются ежегодно. А код, используемый для записи данных на этих картах, как вы уже, наверно, догадались, получил название кода Холлерита.
Новинки техники ХХ века оказались неразрывно связанными с электричеством.
В 1883 г. Томас Альва Эдисон, пытаясь продлить срок службы лампы с угольной нитью ввёл в её вакуумный баллон платиновый электрод и положительное напряжение, то в вакууме между электродом и нитью протекает ток.
Не найдя никакого объяснения столь необычному явлению, Эдисон ограничивается тем, что подробно описал его, на всякий случай взял патент и отправил лампу на Филадельфийскую выставку. О ней в декабре 1884 г. в журнале «Инженеринг» была заметка «Явление в лампочке Эдисона».
Американский изобретатель не распознал открытия исключительной важности (по сути это было его единственное фундаментальное открытие - термоэлектронная эмиссия). Он не понял, что его лампа накаливания с платиновым электродом по существу была первой в мире электронной лампой.
Первым, кому пришла в голову мысль о практическом использовании «эффекта Эдисона» был английский физик Дж. А. Флеминг (1849 - 1945). Работая с 1882 г. консультантом эдисоновской компании в Лондоне, он узнал о «явлении» от самого Эдисона. Свой диод - двухэлектродную лампу Флейминг создал в 1904 г.
В октябре 1906 г. американский инженер Ли де Форест изобрёл электронную лампу - усилитель, или аудион, как он её тогда назвал, имевший третий электрод - сетку. Им был введён принцип, на основе которого строились все дальнейшие электронные лампы, - управление током, протекающим между анодом и катодом, с помощью других вспомогательных элементов.
В 1910 г. немецкий инженеры Либен, Рейнс и Штраус сконструировали триод, сетка в котором выполнялась в форме перфорированного листа алюминия и помещалась в центре баллона, а чтобы увеличить эмиссионный ток, они предложили покрыть нить накала слоем окиси бария или кальция.
В 1911 г. американский физик Ч. Д. Кулидж предложил применить в качестве покрытия вольфрамовой нити накала окись тория - оксидный катод - и получил вольфрамовую проволоку, которая произвела переворот в ламповой промышленности. В 1915 г. американский физик Ирвинг Ленгмюр сконструировал двухэлектронную лампу - кенотрон, применяемую в качестве выпрямительной лампы в источниках питания. В 1916 г. ламповая промышленность стала выпускать особый тип конструкции ламп - генераторные лампы с водяным охлаждением.
Вскоре после появления электронных ламп, в 1918 году М. А. Бонч-Бруевич (более известен как друг и соратник Ленина) изобрел ламповый триггер - электронное устройство, способное запоминать электрические сигналы. По принципу действия триггер похож на качели с защелками, установленными в верхних точках качания. Достигнут качели одной верхней точки - сработает защелка, качание остановится, и в этом устойчивом состоянии они могут быть как угодно долго. Откроется защелка - качание возобновится до другой верхней точки, здесь также сработает защелка, снова остановка, и так - сколько угодно раз. По тому, где окажутся качели через некоторое время после их установки в известном положении, можно судить, открывали защелку или нет. Качели как бы запоминают открывание защелки - также и электронный триггер запоминает, поступал на него электрический сигнал или нет.
Один триггер, запоминая один сигнал, позволяет считать только до одного, но уже несколько триггеров расширяют вычислительные возможности. Если теперь придумать способ регистрации с помощью группы триггеров не только единичных сигналов, но и их десятков, сотен, тысяч - появляется возможность применить этот способ в электронно-вычислительной машине.
Идея лампы с двумя сотками - тетрода была высказана в 1919 г. немецким физиком Вальтером Шоттки и независимо от него в 1923 г. - американцем Э. У. Халлом, а реализована эта идея англичанином Х. Дж. Раундом во второй половине 20-х г.г.
В 1929 г. голландские учёные Г. Хольст и Б. Теллеген создали электронную лампу с 3-мя сетками - пентод. В 1932 г. был создан гептод, в 1933 - гексод и пентагрид, в 1935 появились лампы в металлических корпусах. Дальнейшее развитие электронных ламп шло по пути улучшения их функциональных характеристик, по пути многофункционального использования.
Ламповая техника стала основой построения электромеханических компьютеров, а затем и полностью электронных компьютеров.
Появление вычислительных машин на основе электроники
Первые электронные компьютеры появились в первой половине ХХ века. Они могли делать значительно больше механических калькуляторов, которые лишь складывали, вычитали и умножали. Это были уже электронные машины, способные решать сложные задачи. Кроме того, они имели две отличительные особенности, которыми предыдущие машины не обладали. Одна из них состояла в том, что они могли выполнять определенную последовательность операций по заранее заданной программе или последовательно решать задачи разных типов. Другая особенность заключалась в способности хранить информацию в специальной памяти.
Первая счетная машина, которая появилась на пути создания электронных машин, была разработана американским ученым Ванневером Бушем в 1930 году. (По этой причине некоторые считают, что Буш является отцом современного компьютера, а не Бэбидж.) Машина Буша была названа дифференциальным анализатором. Это был первый в мире компьютер. (Напомним, что принцип действия аналогового компьютера основан на измерении непрерывных изменений физических величин, например атмосферного давления или температуры воздуха.)
Машина Буша оказалась способной быстро решать сложные математические задачи. Она приводилась в действие электричеством, а для хранения информации в ней использовались электронные лампы, подобные тем, что использовались в те времена в радиоприемниках.
Однако дифференциальный анализатор Буша имел так много составных частей, что фактически занимал целую комнату. Не трудно себе представить, что и вес такой машины был значительным. Даже более поздняя модель дифференциального анализатора, построенная в 1942 году, весила 200 тонн!
К концу 30-м годов XX века стала очевидной связь между релейными схемами и алгеброй логики. На электромагнитных реле создавали логические схемы для вычислительных машин, оперирующих перфокартами. Эти машины могли выполнять довольно сложные арифметические действия.
Во время второй мировой войны ускоренными темпами развивалась электронная техника. Первая чисто релейная машина была создана в 1941 году немецким инженером Цузе. Его машина Ц-3 состояла из 2600 электромагнитных реле, на которых было построено арифметическое устройство и память на 64 двоичных числа. Управлялась машина программой, задаваемой перфорированной ленты. Для каких же расчетов требовался компьютер военным? Прежде всего, для решения задач в области баллистики, т. е. науки о траектории полета артиллерийских и иных снарядов к цели.
При решении подобных задач необходимо учитывать множество факторов: Как далеко находится цель? Каковы типы используемых снарядов и орудий? Как должен быть направлен снаряд, чтобы он смог поразить данный объект? Какова плотность воздуха, сопротивление которого испытывает снаряд во время полета? Даже температура воздуха, и жесткость грунта, на котором установлено орудие, имеют существенное значение. Если все эти факторы не учесть, снаряд может упасть слишком далеко от цели.
Чтобы повысить прицельность стрельбы, в артиллерии применяют так называемые таблицы ведения огня. Они позволяют артиллеристам определять, каким образом надо вести стрельбу в различных условиях. Естественно, что подготовка подобных таблиц требует проведения очень сложной работы. Даже если больше ста человек в армии занимаются только расчетами таких таблиц, на составление одной таблицы может потребоваться не менее двух месяцев. Очевидно, что для выполнения подобной работы необходимы были более совершенные машины с большим быстродействием и более высокой точностью расчетов.
Одной из таких машин стал автоматический последовательно управляемый калькулятор, известный под названием Марк I. Он был изготовлен в 1944 году профессором Гарвардского университета Айкеном.
Марк I - первый в мире цифровой компьютер. Принцип действия цифровых компьютеров основан на счете чисел. Аналоговые компьютеры тоже имеют дело с числами. Но если они проводят непрерывное измерение изменений величин, то цифровые компьютеры - только через определенные промежутки времени.
Работая над машиной Марк I, Айкен совместил технические возможности и знания 20-го века с методом перфокарт Холлерита. В результате появилась автоматическая вычислительная машина, которая была способна воспринимать входные данные, закодированные с помощью либо перфокарт, либо перфолент. Однако машина Марк I не была полностью электронной. Она была электромеханической. Это означает, что в ней использовались электронные сигналы в комбинации с механическими приводами, колесиками и переключателями.
Машина Айкена имела громадные размеры: более 15 м в длину и около 2,5 м в высоту и состояла более чем из 750 тыс. деталей; использованные в ней провода можно было протянуть от Нью-Йорка до границы штата Мэн!
Машина Марк I могла перемножить два 23-разрядных числа за четыре секунды и за один день выполняла расчеты, которые вручную могли быть выполнены только за 6 месяцев. У нее был самый большой объем памяти среди машин того времени и значительно улучшенные программные возможности. И тем не менее уже через несколько лет она практически перестала использоваться.
|
|
|
