История развития ЭВМ

1. История развития ЭВМ.

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.     

1.1. Абак 

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.

1.2. 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.

1.3. 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.

1.4. 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.

1.5. 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.

1.6. 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

2.1. 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.

2.2. 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».

2.3. 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.