С чего все началось?
Задолго до появления первых счетных устройств люди искали различные возможности для проведения вычислений. Они использовали пальцы рук, камни, которые складывали в кучки или располагали в ряд. Число предметов фиксировалось с помощью черточек, которые рисовались на земле, зарубки, которые делались на палках, и узелков, которые завязывались на веревках. 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 периферийное устройство, состоящее из деревянных кружочков, нанизанных на деревянный или металлический стержень. Такое устройство позволяло быстро и точно производить простые арифметические действия над большими числами, такие как сложение, умножение, вычитание 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 может быть древний Китай, и древний Египет, и древняя Греция.
Первые счетные машины
В 1642 году девятнадцатилетний французский математик Блез Паскаль сконструировал первую в мире механическую счетную машину, известную как суммирующая машина Паскаля(«Паскалина»). Эта машина представляет собой комбинацию взаимосвязанных колесиков и приводов. На колесах были были нанесены цифры от 0 до 9. Когда первое колесо давало полный оборот от 0 до 9, в действие автоматически приводилось второе колесо. 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. Отсутствие инструмента, позволяющего быстро и точно осуществлять сложные и громоздкие вычисления привело к тому, что многие поставленные эксперименты так никогда и небыли завершены, а те которые все-таки удалось завершить потребовали месяцы и даже годы работы.
Такое положение сохранялось 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 — и тем самым позволила бы им заниматься чисто научными вопросами, а не математическими вычислениями. Кроме того, Лейбниц был уверен, что подобная машина найдет применение не только в науке, но и в различных сферах жизни.
В отличие от Паскаля Лейбниц использовал в своей машине цилиндры, а не колесики и приводы. На цилиндры были нанесены цифры. Каждый цилиндр имел девять выступов или зубцов. При этом первый ряд содержал один выступ, второй ряд два выступа и так до девятого ряда, который содержал соответственно девять выступов. Цилиндры с выступами были подвижными и приводились в определенные положения оператором. Будучи более сложной машина Лейбница была способна выполнить не только сложение и вычитание, но и умножение, деление и извлечение квадратного корня.
Вычислительные машины 19-го века
Следующий важный этап развития вычислительной техники приходится на 19-й 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.
Один из выдающихся ученых того времени был англичанин Чарльз Бебидж. 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. Бебиджу 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 Бебидж 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 применял отверстия, пробитые в карточках. Карточки с разным расположением отверстий давали различные узоры на плетении ткани. Жаккар даже не мог предположить, что его идея будет в последствии использована для обработки информации с помощью компьютеров. По сути дела Бебидж был первым, кто использовал перфокарты применительно к вычислительной машине.
В те времена технологии были хуже развиты чем аналитические средства. Бэбидж был не в состоянии сделать и собрать многие высокоточные детали, которые требовались для его машины. Тем не менее его изобретение сыграло важное значение: многие последующие изобретатели использовали идеи придуманных им устройств.
Среди ученых, которые отчетливо понимали важность аналитических методов, была математик Ада Августа Лавлейс — дочь английского поэта лорда Байрона. Именно она убедила Бэбиджа в необходимости использовать в его изобретении двоичной системы счисления вместо десятичной. Она так же 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.
Обработка данных с использованием перфокарт
Если Чарльз Бебидж 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. Сейчас подобная операция занимает считанные месяцы. Но в 19-м веке это был длительный и изнурительный процесс: не смотря на то что в 1880 году население США составляло всего лишь пятую часть современной численности населения, результаты переписи обрабатывались в течении 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, что бы 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 три года. При этом был получен характерный и впечатляющий результат: по сравнению с предыдущей переписью численность населения страны возросла на 25%.
Холерит не только реализовал идею Бэбиджа относительно перфокарт, но и в первые применил для расчетов электричество. Карты использовались для кодирования данных переписи, причем на каждого человека была заведена своя карта. Кодирование велось путем определенного расположения отверстий, пробитых в карте, по строкам и колонкам. Например, отверстие пробитое в третей колонке и четвертой строке, могло означать, что человек состоит в браке. Аналогичным образом другие отверстия могли означать пол, число членов семьи, образование и тд. Все эти данные потом «прочитывались» машиной. Когда карта, имевшая размеры банкноты в один доллар, пропускалась через машину, она прощупывалась системой игл. Если на против 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(код используемый для записи данных на этих перфокартах получил название кода Холлерита). Только спустя 70 лет перфокарты начали заменять магнитными лентами и дисками.
Первые ЭВМ
Первые электронные компьютеры появились в первой половине 20 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.
Дифференциальный анализатор
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 Бебидж.) Машина Буша была названа дифференциальным анализатором. Это был первый в мире компьютер. (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, для хранения информации в ней использовались электрические лампы, подобные тем, что использовались в те времена в радиоприемниках. Дифференциальный анализатор имел много составных частей, что фактически занимал целую комнату. Даже более поздняя модель такого анализатора, построенная в 1942 году, весила 200 тонн.
Машина Марк I
Необходимость в быстрых и точных расчетах особенно выросла во время второй мировой войны(1939 — 1945 гг.). 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 орудий? Как должен быть направлен снаряд, что бы 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 же 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 более 100 человек в армии занимаются только расчетами таких таблиц, на составление одной такой таблицы потребуется не менее двух месяцев. Для таких расчетов требовались 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, только через определенные промежутки времени.)
Работая над машиной Марк I, Айкен совместил технические возможности и зания 20-го века с методом перфокарт Холлерита. В результате появилась автоматическая вычислительная машина, которая была способна воспринимать входные данные, закодированные с помощью перфокарт или перфолент. 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.
Машина Марк I могла перемножить два 23-разрядных числа за четыре секунды и за один день выполняла расчет, которые вручную могли быть выполнены только за 6 месяцев. У неё 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.
Эниак
В то самое время, когда Говард Айкен создавал Марк I, профессор университета штата Айова физик Джон Атанасофф также работал над созданием более совершенной машины. Правда, она не получила столь же широкой известности, но многие из использованных в этой машине конструкторских идей были затем применены в первом полностью электронном цифровом компьютере, получившем название ENIAC (Electronic Nimerical Integrator and Calculator — Электронный численный интегратор и калькулятор).
Эниак был создан в 1946 году группой инженеров под руководством Джона Маушли и Дж. Преспера Эккерта по заказу военного ведомства США. Машина производила 5 000 операций сложения или 300 операций умножения в секунду. Она выполняла их в несколько сотен раз быстрее, чем любая из существующих в то время машин, и могла в считанные часы решить задачи, на которые пятидесяти инженерам потребовался бы год.
По габаритам Эниак был еще более громадным, чем Марк I: более 30 м в длину и 85 м 3 по занимаемому объему. Её вес равнялся весу четырех африканских слонов — 30 т. Вместо тысяч механических деталей, которыми был набит Марк I, в Эниаке были использованы 18 тыс. электронных ламп. Таким образом, компьютер осуществлял хранение и обработку данных с помощью электроники, а не механически.
Эксплуатация Эниака была значительно сложнее. Команды по программе вводились вручную; после введения программы порядок выполнения команд мог быть измене только после выполнения всей программы. Каждая новая программа требовала новой комбинации сигналов. В результате на создание и выполнение даже самой простой программы требовалось очень много времени.
Электронные лампы Эниака составляли самостоятельную проблему. Они не только занимали большой объем, но и выделяли большое количество тепла. А это требовало специальной системы охлаждения. Но еще больше важно то, что в 40-е годы электронные лампы не были такими же надежными компонентами электронных приборов, какими они являются в настоящее время. Нередко 6 или 7 ламп выходили из строя в течении одного часа. И все таки Эниак продемонстрировал всем широкие возможности электронного компьютера.
ЭВМ с хранимой программой
Существенный вклад в создание ЭВМ в нем американский математик Джон фон Нейман, принимавший участие в создании Эниака. Фон Нейман предложил идею хранения программы в памяти машины: ЭВМ с хранимой программой оказались значительным шагом вперед по пути создания более совершенных машин. Такую ЭВМ нет необходимости обеспечивать новой совокупностью управляющих сигналов для решения каждой новой задачи. Кроме того, она способна обрабатывать команды в различном порядке. Первая ЭВМ с хранимой программой получила название EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator — электронный калькулятор с памятью на линиях задержки). Она была создана в Кембриджском университете в 1949 году. С тех пор все ЭВМ являются компьютерами с хранимой программой.
После завершения работ над Эниаком Джон Маушли и Дж. Преспер Эккерт основали собственную компанию, которая приступила к разработке компьютеров с хранимой программой. В 1951 году они создали машину UNIVAC (Universal Automatic Computer — универсальная автоматическая вычислительная машина). Первый экземпляр Юнивака был передан в Бюро переписи населения США. Затем было создано много разных моделей Юнивака, которые нашли применение в различных сферах деятельности. Таким образом, Юнивак стал первым серийным компьютером. Кроме того, это был первый компьютер, в котором вместо перфолент и карт использовалась магнитная лента.
Источник: «Основы компьютерной грамотности» 1989 г. Б. Кёршан, А.Новембер,Дж Стоун