Файл: ТЕХНОЛОГИИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ. История развития средств вычислительной техники в мире.pdf

Первоначальный слово «компьютер» означало человека, производящего расчеты. С широким распространением компьютеров все большее число людей стало заниматься изучением основ вычислительной техники, а программирование постепенно из рабочего инструмента специалиста стало элементом культуры. При этом историю развития вычислительных средств мало кто знает.

Изучение истории вычислительной техники в высших учебных заведениях формирует мировоззрение студентов, воспитывает патриотизм на примерах выдающихся разработок отечественных ученых и инженеров, сохраняет культурное наследие. Современный специалист должен знать историю своей отрасли, место и роль вычислительной техники в истории развития цивилизации. Кроме того, он должен знать основные этапы развития вычислительной техники, чем вызвана актуальность темы исследования.

Цель курсовой работы – проследить историю развития средств вычислительной техники.

1. Домеханический, механический и электромеханический периоды развития вычислительной техники

1.1 Домеханический период

Понятие числа возникло задолго до появления письменности. Люди учились считать в течение многих веков, передавая и обогащая из поколения в поколение свой опыт. Доэлектронная история вычислительной техники состоит из трех периодов:

домеханического (с пещерных времен до середины XVII в.);
механического (с середины XVII в. до конца XIX в.);
электромеханического (с конца XIX в. до 40-х гг. XX в.).

С древних времен человечество должно было решать задачи, требовавшие все увеличивающихся объемов вычислений. С течением времени большинство из них находило решения. Еще в античные времена некоторые области математики были настолько развиты, что образованный человек тех лет по уровню знаний вряд ли уступал нынешнему выпускнику школы.

С появлением собственности на землю потребовались способы вычисления площадей участков, что привело к появлению геометрии. Общеизвестными являются достижения Евклида, Пифагора и других греческих ученых в этом направлении.

С развитием торговли также появлялись все новые задачи. Кроме учета товаров и денежных сумм, купцам приходилось отправляться во все более дальние путешествия, а для этого требовались средства навигации. Астрономами древности решались и эти задачи. В основе всего в конечном итоге были расчеты, от точности которых зависела успешность решения насущных задач. Также возникала необходимость осуществления торговых сделок, проведения землемерных работ, управления запасами урожая.

Вычислительные способности людей весьма ограничены, особенно если речь идет о расчете орбиты планеты или координат звезд. Поэтому развивая теорию, ученые работали и над проблемой автоматизации вычислений, в которой прогресс шел, гораздо медленнее.

Для вычислений использовались различные средства, имевшие различные возможности, представленные:

примитивными средствами (счетом на пальцах, счетом на камнях, насечками на дереве или костьми (бирками), узелковым письмом);
первыми приспособлениями (всеми разновидностями абака, счетами);
первыми приборами (счетными палочками Непера, логарифмическими шкалами и линейками).^[1]

1.2 Механический период

В течение почти 500 лет цифровая вычислительная техника представляла собой простейшие устройства для выполнения арифметических операций над числами. Основу практически всех изобретенных за пять столетий устройств составляло зубчатое колесо, рассчитанное на фиксацию 10 цифр десятичной системы счисления.

Базой первого в мире автоматического устройства для выполнения операции сложения были механические часы. В 1623г.оно было разработано Вильгельмом Шикардом, профессором кафедры восточных языков в университете Тьюбингена (Германия). В наши дни рабочую модель устройства воспроизвели по чертежам, и ее работоспособность была подтверждена. Сам изобретатель назвал машину «суммирующие часы».

В 1642г. французским механиком Блезом Паскалем (1623-1662гг.) было разработано более компактное суммирующее устройство «Паскалина» (рис. 1), ставшее первым в мире механическим калькулятором, выпускавшимся серийно (главным образом для нужд парижских ростовщиков и менял).

Рисунок 1 - Суммирующая машина Паскаля^[2]

В 1673г. немецким математиком и философом Г.В. Лейбницем (1646-1717гг.) был создан механический калькулятор, выполнявший операции умножения и деления, многократно повторяя операции сложения и вычитания.

Основой множительного устройства этой машины был ступенчатый валик Лейбница, надолго определивший принципы построения счетных машин. ВЭВМ, появившихся более двух веков спустя, устройство, выполняющее арифметические операции (те же самые, что и «арифметический прибор» Г. Лейбница), было названо арифметическим. Позже, с добавлением логических действий, он стал называться арифметико-логическим (АЛУ). Оно стало основным устройством современных компьютеров.

На протяжении XVIII века, известного как эпоха Просвещения, появлялись новые, более совершенные модели, но принцип механического управления вычислительными операциями оставался тем же, программирование при этом было жестким, запускающимся в определенное время. Гибкое программирование механических устройств с помощью перфорированной бумажной ленты впервые было реализовано в 1804г. в ткацком станке Жаккарда, после чего оставался только один шаг до программного управления вычислительными операциями.

Этот шаг сделал выдающийся английский математик и изобретатель Чарльз Бэббидж (1792-1871гг.) в его Аналитической машине, которая, к сожалению, так и не была до конца построена изобретателем при жизни, но была воспроизведена в наши дни по его чертежам. Особенность Аналитической машины в том, что в ней впервые был реализован принцип разделения информации на команды и данные. Аналитическая машина содержала два крупных узла — «склад» и «мельницу». Данные вводились в механическую память «склада» путем установки блоков шестерен, а потом обрабатывались в «мельнице» командами, водимыми с перфорированных карт (как в ткацком станке Жаккарда).

Исследователями творчества Чарльза Бэббиджа отмечена особая роль в разработке проекта Аналитической машины графини Августы Ады Лавлейс (1815-1852гг.), дочери известного поэта лорда Байрона. Именно она подала идею использования перфорированных карт для программирования вычислительных операций (1843г.). В частности, в одном из писем она писала: «Аналитическая машина точно так же плетет алгебраические узоры, как ткацкий станок воспроизводит цветы и листья». Леди Ада с полным основанием названа самым первым в мире программистом. Ее именем назван один из известных языков программирования.

Арифмометры К. Томаса, В. Однера, П.Л. Чебышева с некоторыми усовершенствованиями использовались до 80-хгг. прошлого века.

Самые значительные изобретения этого периода, несомненно - разностная и аналитическая машины. Ч. Бэббиджем разработаны основные принципы построения вычислительных машин, реализованные в современных ЭВМ – принцип программного управления вычислительным процессом, использования перфокарт для управления работой вычислительной машины, введения команды условного перехода, принципа разделения информации на команды и данные.

Линия арифмометров сменилась линией клавишных вычислительных машин. Механические арифмометры усовершенствовались до 70-хгг. XX в. Были разработаны многочисленные конструкции с ручным и электрическим приводом. Споявлением электронных счетных устройств линия механических арифмометров сменилась линией электронных калькуляторов, а затем слилась с линией персональных ЭВМ.^[3]

1.3 Электромеханический период

В истории вычислительной техники этот период наименее продолжительный – с 1888г. до 1945г. В первых механических предшественниках современного электронного компьютера числа представлялись:

или линейными перемещениями цепных и реечных механизмов;
или угловыми перемещениями зубчатых и рычажных механизмов.

В обоих случаях это были перемещения, что значительно сказывалось на габаритах устройств и на скорости их работы. Только с заменой регистрации перемещений регистрацией сигналов значительно снизились габариты и повысилось быстродействие. Однако для этого достижения потребовался ввод еще нескольких важных принципов и понятий.

Необходимость проводить массовые расчеты в разных областях и развитие электротехники привели к созданию электромеханической вычислительной техники. Кроме того, были введены еще очень важные принципы и понятия – двоичная система счисления и математическая логика Джорджа Буля.

И. Лейбниц занимался исследованием свойств двоичной системы счисления, нашедшей впоследствии широкое применение в вычислительной технике и программировании. Дж. Булем изобретена своеобразная алгебра, впоследствии названная его именем (Булева алгебра). Это была система обозначений и правил, применимая к всевозможным объектам, от чисел и букв до предложений. Используя эту систему, можно было кодировать высказывания (т.е. утверждения, истинность или ложность которых требовалось доказать) с помощью символов своего языка, а затем манипулировать ими как в математике обычными числами. Каждая величина может принимать одно из двух значений – ДА/НЕТ, ИСТИНА/ЛОЖЬ.

Современные ЭВМ по своей структуре очень близки к аналитической машине Бэббиджа, но, в отличие от нее (и всех механических арифмометров), основаны на совершенно другом принципе реализации вычислений - двоичной системе счисления.

Двоичный принцип реализуется с помощью электромагнитного реле – элемента, находящегося лишь в одном из двух возможных состояний и переходящего из одного состояния в другое при воздействии внешнего электрического сигнала (рис. 2).

Рисунок 2 – Первое электромагнитное реле^[4]

Г. Холлериту принадлежит идея создания перфокарты, на которую можно было наносить в виде отверстий обрабатываемые данные.Сначала он хотел применять в качестве носителя информации перфоленту (рис. 3). Но ленту нужно было часто перематывать, чтобы найти нужные данные, от чего она часто рвалась, а машина плохо работала.


Рисунок 3 - Перфокарта^[5]	Рисунок 4 - Перфолента^[6]

Вскоре Г. Холлерит собрал статистический табулятор для ускорения обработки результатов переписи населения, проводимой в США в 1890г., состоящего из основных устройств:

вычислительного механизма с использованием реле;
перфоратора;
сортировальной машины (рис. 5).

Рисунок 5 – Табулятор Холлерита^[7]

Г. Холлерита считают «отцом-основателем» целого направления вычислительной техники – счетно-перфорационного. На базе созданных им устройств создавались целые машиносчетные станции для механизированной обработки информации, ставшие прообразом грядущих вычислительных центров.

В 1924г. появилась всемирно известная фирма International Business Machines Corp (IBM).

С точки зрения преодоления разных инженерных трудностей и применения целого ряда прогрессивных принципов (программного управления, двоичной системы счисления, операций условного перехода и пр.) такие машины, как Z-3 и ≪Марк-1≫, представляли собой выдающиеся достижения своего времени. Однако вычислительные машины с таким быстродействием не представляли серьезных изменений в области автоматизации вычислительных работ. Вычисления ими выполнялись чрезвычайно медленно, поскольку были основаны на медленно работающих элементах. Хотя время срабатывания реле и составляло 0,1 с., в двоичной системе каждое действие требует во много раз больше тактов работы, чем в десятичной.