Файл: История развития средств вычислительной техники ( Домеханический этап развития, использование простейших счётных приспособлений ).pdf
Добавлен: 29.02.2024
Просмотров: 52
Скачиваний: 0
Для устройства управления Бэбидж намеревался применить разновидность карт Жаккара. Перфокарты, с помощью которых Бэбидж предполагал автоматизировать работу аналитической машины, могут быть разделены на две основные группы: операционные (или перфокарты операций) и управляющие.
С помощью операционных перфокарт осуществлялись сложение, вычитание, умножение и деление чисел, находящихся в арифметическом устройстве. Операционные перфокарты выглядели так:
Для обозначения управляющих перфокарт, с помощью которых осуществлялась передача чисел между памятью и арифметическим устройством, Бэбидж использовал термин «карты переменных». В аналитической машине «используются только три вида карт переменных: 1) «нулевая карта» (для вызова числа из регистра памяти с одновременной установкой нуля в регистре – по современной терминологии «считывание с разрушением информации»); 2) «удерживающая карта» (для вызова числа из регистра памяти без изменения содержания регистра – по современной терминологии «неразрушающее считывание»); 3) «доставляющая карта» (для передачи числа из арифметического устройства в память). [[37], с.43]. Названия карт были предложены графиней Адой Лавлейс, другом и ученицей Бэбиджа, женщиной математиком вскоре раскрывшей огромный потенциал аналитической машины, её считают первым программистом.
Применение перфокарт не только обеспечивало автоматическое решение задачи на аналитической машине, но и существенно облегчало подготовительную работу для решения другой однотипной или сходной задачи. Так как одни и те же карты не требовалось создавать заново. Так же с помощью жаккаровских карт, прообраза современных перфокарт, Бэбидж предполагал осуществить автоматическое управление процессом механических вычислений. Он предполагал также с помощью карт осуществлять ввод числовой информации в машину, благодаря чему в машину могли подаваться логарифмические и другие таблицы. Бэбидж впервые предложил идею программного управления ходом вычислений. В связи с этим самой важной характеристикой аналитической машины, которую не оценил сам ученый, стала возможность выполнения команды, получившая в настоящее время название команды условного перехода. Кто бы из числа учёных не соприкасался с идеей Бебиджа о аналитической машине, все восторгались ею.
Но если у разностной машины были сомнительные шансы на успех, то аналитическая машина выглядела нереалистичной. Ее просто невозможно было построить и запустить в работу. В своем окончательном виде машина должна была быть не меньше железнодорожного локомотива. Ее внутренняя конструкция представляла собой нагромождение стальных, медных и деревянных деталей, часовых механизмов, приводимых в действие паровым двигателем. Любая нестабильность какой-нибудь мелкой детали приводила бы к стократно усиленным нарушениям в других частях. Только зубчатых колес для нее понадобилось бы более пятидесяти тысяч [[38], с43].
После смерти Бэбиджа Комитет Британской ассоциации в небольшом составе, куда входили такие видные ученые, как А. Кейли и У. Клиффорд, рассмотрел вопрос, что можно сделать с неоконченной аналитической машиной и для чего она может быть рекомендована. К чести комитета в своем заключении он отметил, что «возможности аналитической машины простираются так далеко, что их можно сравнить только с пределами человеческих возможностей, кроме того, машина может работать достаточно долго. Успешная реализация машины может означать эпоху в истории вычислений, равноценную введению логарифмов». Однако вследствие большой стоимости машины комитет в конце своего заключения записал: "У нас есть причины думать, что стоимость машины может быть выражена по меньшей мере в десятках тысяч фунтов... Мы пришли, не без трений, к заключению, что не можем советовать Британской ассоциации сделать какие-либо шаги ... по производству аналитической машины мистера Бебиджа". Подводя итог своей деятельности, Ч. Бэбидж писал о работе над вычислительными машинами: «Вероятно, пройдет половина столетия, прежде чем кто-нибудь возьмется за такую малообещающую задачу без тех указаний, которые я оставил после себя» [[39], с.190].
Только в 1906 году сын Бебиджа Генри Бебидж разработал и создал часть аналитической машины при поддержке фирмы "Мунро". Эта модель включает арифметическое устройство и устройство печати результатов десятичный чисел до двадцать девятого разряда (рис.14).
Рис. 14 Модель части аналитической машины
Механический период развития вычислительной техники начинался в период Эпохи Возрождения когда механизация счета требовалась уже не только торговцам, хотя их объем расчетов увеличился, но появляются расчеты иного толка, такие как построение математических моделей приливов и отливов, движения небесных тел, астрономам приходилось составлять огромные таблицы с данными наблюдения за Луной, её положений, эти наблюдения требовали большого объема арифметических вычислений, зарождающаяся промышленность так же требовала большого количества точных расчетов. В то время созданы первые механические счетные машины, таки как машина Леонардо да Винчи и машина В. Шиккарда, работы этих учёных были забыты и их современники не могли пользоваться их трудами но прогресс не остановился. В XVII веке Паскаль создает свою "Паскалину", с возможностью сложения и вычитания. В следующем веке Лейбниц производит на свет первый арифмометр позволявший производить не только операции сложения но и умножать, делить, извлекать квадратные корни. Заложенные в счетной машине Лейбница идеи дожили 80х годов XX века. Развитие вычислительной техники шло рука об руку с развитием механики и промышленности, это хорошо видно на примере самого революционного изобретения разностной и аналитической машин Чарльзом Бебиджом. По сути эта связь была одной из причин по которой машины Бэбиджа не могли быть построены. Т.к. машины требовали такой точности в изготовлении деталей какой ранее не требовалось даже в изготовлении часов и иных механических изделий. Работающий на Бебиджа механик Дж.Клемент решая эту задачу смог в дальнейшем организовать одно из ведущих производств точного станкостроения. Но проблемы этого этапа развития были конечно и в финансовой сфере, а именно в ужасной дороговизне готовых изделий, что не давало их создателем возможности распространять плоды своих изобретений, разве только в виде идей, что конечно тоже было ценным. Экономические проблемы преследовали практически всех создателей первых механических вычислителей Паскалина и арифмометр Лейбница оказались дорогими игрушками, а производство машин Бебиджа не смогла финансово осилить одна из велики держав - Великобритания. И все же в механический этап развития появились на свет такие идеи как замена операции вычитания операцией сложения с дополнением вычитаемого, арифметико-логическое устройство, принцип программного управления вычислительным процессом, использование перфокарт для управления работой вычислительной машины, введение команды условного перехода, принцип разделения информации на команды и данные.
ГЛАВА 3. Электромеханический и Электронный этапы развития
Электромеханический этап развития вычислительной техники продолжался сравнительно короткий период времени. Первый счетно-аналитический комплекс оборудования, разработанный американцем Генри Холлеритом, прошел испытания в 1887 г., а первая ЭВМ, с начала эксплуатации которой начинается отсчет времени электронной вычислительной техники, вступила в строй в 1945 г. Таким образом, электромеханический этап продолжался около 60 лет.
В 1882 году Г. Холлерит принял должность преподавателя машиностроения в Массачусетском технологическом институте. Позже он перешёл на работу в патентное бюро, где разработал «машину для переписи населения» и через несколько лет получил свои четыре основных патента на перфокартные машины.
Внимание сотрудников Бюро цензов США, и в частности Холлерита, к вопросам механизации статистического учета было далеко не случайным. Переписи населения проводились в США каждые 10 лет. Население страны, по данным переписи 1880 г., достигло 50 млн. чел., а обработка результатов переписи заняла 7,5 лет. Длительность обработки определялась как масштабами работы, так и полным отсутствием ее механизации [[40], с.217].
Вскоре Г. Холлерит собрал табулятор, основными устройствами которого были: вычислительный механизм (в котором использовались реле в виде устройства состоящие из чашечек для ртути с подключенным источником питания в виде батерей), перфоратор, сортировальная машина (рис. 15).
Карты табулятора Холлерита были размером в долларовую бумажку (168 × 83 мм). На каждой карте имелось 12 рядов, в каждом из которых можно было пробить по 20 отверстий. Эти позиции соответствовали таким данным, как возраст,
пол, место рождения и т.д.После поступления от агентов которые производили опрос населения, карты отправлялись в центр, где содержащуюся в них информацию переносили на карты путем перфорирования. Затем перфокарты загружали в специальные устройства, соединенные с табуляционной машиной, где
они нанизывались на ряды тонких игл, по одной игле на каждую из 240 перфорируемых позиций на карте. Когда игла попадала в отверстие, она замыкала контакт в соответствующей электрической цепи машины. Это приводило к тому, что счетчик, состоящий из вращающихся цилиндров, продвигался на одну позицию вперед. Это и есть электромеханический принцип действия [[41], с.55].
Машина Холлерита оказалась настолько быстродействующей, что предварительные подсчеты были завершены через 6 недель, а полный статистический анализ занял два с половиной года. Предприятию Холлерита сразу же сопутствовал успех, и в дальнейшем оно становилось все более преуспевающим. С годами оно претерпело ряд изменений - слияний и переименований. Последнее такое изменение произошло в 1924 г., за 5 лет до смерти Холлерита, когда он создал фирму ИБМ (IBM, International Business Machines Corporation).
Рис. 15 ТабуляторХоллерита
В конце 30-х гг. XX в. был построен ряд релейных вычислительных систем, способных выполнять сложные научно-технические расчеты в автоматическом режиме и со скоростью, на порядок превышающей скорость работы арифмометров с электроприводом. Наиболее крупные проекты в 1940-е гг. были выполнены в Германии (К. Цузе) и США (Дж. Эйкен и Дж. Стибиц). Так в 1938 году в Германии Конрад Цузе создает машину, которая оперирует, в отличие от своих предшественниц, не десятичными числами, а двоичными. Эта машина также была все еще механической, но ее несомненным достоинством было то, что в ней была реализована идея обработки данных в двоичном коде. Продолжая свои работы, Цузе в 1941 году создал электромеханическую машину, арифметическое устройство которой было выполнено на базе реле. Машина умела выполнять операции с плавающей точкой и называлась Z-3. Память Z-3 позволяла хранить 64 слова (14 бит на мантиссу,7 бит на экспоненту и 1 бит на знак) и состояла из 1400 реле. ввод команд происходил с перфорированной киноленты. Для арифметического устройства потребовалось 600 реле, и еще 400 реле применялось в устройстве управления. Z-3 выполнял не только четыре арифметические операции, но и вычисление квадратного корня, умножение на –1, 0,1, 0,5, 2 и 10. Z-3 выполнял 3–4 операции сложения в секунду и умножал
два числа за 4–5 с.[[42], с.67].
В Америке, в этот период также шли работы по созданию подобных электромеханических машин. В 1944 году Говард Эйкен при финансировании компании IBM закончил и передана Гарвардскому университету «Вычислительную машину с автоматическим управлением последовательностью операций» (АСКК), известная под названием "Марк I". Она, как и машина Цузе, работала на реле. Но из-за того, что эта машина явно была создана под влиянием работ Бэббиджа, она оперировала с данными в десятичной форме. «Марк I» использовались механические элементы для представления чисел и электромеханические - для управления работой машины. Как и в аналитической машине, числа хранились в регистрах, состоящих из десятизубых счетных колес. Каждый регистр
содержал 24 колеса, причем 23 из них использовались для представления числа, а одно - для представления его знака. Регистр имел механизм передачи десятков и поэтому использовался не только для хранения чисел; находящееся в одном регистре могло быть передано в другой регистр, и добавлено к находящемуся там числу (или вычтено из него). Эти операции выполнялись следующим образом. Через счетные колеса, образующие регистр, проходил непрерывно вращающийся вал, причем любое колесо с помощью электромеханических переключателей могло быть присоединено к этому валу на время, составляющее некоторую часть периода его оборота. К каждому колесу присоединялась
щетка (считывающий контакт), которая при вращении колеса пробегала по неподвижному десятисегментному контакту. Это позволяло получить электрический эквивалент цифры, хранящейся в данном разряде регистра. Для выполнения операции суммирования устанавливались такие соединения между щетками первого регистра и механизмом переключения второго регистра, что колеса последнего связывались с валом на часть периода оборота, пропорциональную цифрам, находящимся в соответствующих разрядах первого регистра. Все переключатели автоматически выключались в конце фазы сложения, занимавшей не более половины периода оборота. Таким образом, механизм суммирования, по существу, не отличался от сумматоров холлеритовских табуляторов. Регистры были снабжены системой сквозного переноса, аналогичной предлагавшейся
Бэббиджем.
Всего в "Марк I" было 72 регистра и, кроме того, дополнительная память из 60
регистров, образованных механическими переключателями. В эту дополнительную память вручную вводились константы - числа, которые не изменялись в процессе вычислений . Умножение и деление производились в отдельном устройстве. Кроме того, машина имела встроенные релейные блоки для вычисления функций sin x и log x. Скорость выполнения арифметических операций в среднем составляла: сложение и вычитание - 0,3 секунды, умножение-5,7 секунды, деление-15,3 секунды. Таким образом, «Марк I» был «эквивалентен» примерно 20 операторам, работающим с ручными счетными машинами [[43], с.173]. «Марк I» достигал почти 17 м в длину и более 2,5 м в высоту, содержал около 750 тыс. деталей, из них 3304 реле. Детали были соединены проводами общей протяженностью около 800 км. Вес машины – 5 т (рис.16).
Рис.16 Вычислительная машина Марк I
