Эволюция вычислительной техники
Статья просмотрена: раза. Он использовал микропроцессор Intel и имел 16 килобайт оперативной памяти. Калькулятор Лейбница мог не только складывать и вычитать, но и умножать и делить числа до восьми разрядов. Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до нескольких миллионов операций в секунду.
Значительная часть трудностей была связана с умножением и делением многозначных чисел. Это привело к появлению на протяжении кратчайшего времени — гг. Позже уже в XIX веке на базе логарифмов и логарифмических линеек возник и их графический аналог -. Определение логарифмов и таблицу их значений для тригонометрических функций впервые опубликовал в году шотландский математик Джон Непер.
Неперу пришла в голову идея: заменить трудоёмкое умножение на простое сложение, сопоставив с помощью специальных таблиц геометрическую и арифметическую прогрессии, при этом геометрическая будет исходной. Тогда и деление автоматически заменяется на неизмеримо более простое и надёжное вычитание [1]. Логарифмические таблицы, расширенные и уточнённые другими математиками, повсеместно использовались для научных и инженерных расчётов более трёх веков, пока не появились электронные калькуляторы и компьютеры.
Если нанести логарифмическую шкалу на линейку — получится механический вычислитель, логарифмическая линейка. Идею, близкую к конструкции логарифмической линейки, высказал в начале XVII века английский астроном Эдмунд Гюнтер [en] ; он предложил нанести на линейку логарифмическую шкалу и с помощью двух циркулей выполнять операции с логарифмами сложение и вычитание.
В е годы английский математик Эдмунд Уингейт [en] усовершенствовал «шкалу Гюнтера», введя две дополнительные шкалы. Одновременно год свой вариант линейки, мало чем отличающийся от современного, опубликовал в трактате «Круги пропорций» Уильям Отред , который и считается автором первой логарифмической линейки.
Сначала линейка Отреда была круговой, но в году было опубликовано, со ссылкой на Отреда, и описание прямоугольной линейки. Приоритет Отреда долгое время оспаривал Ричард Деламейн , который, вероятно, независимо реализовал ту же идею. Дальнейшие усовершенствования сводились к появлению второй подвижной линейки-«движка» Роберт Биссакер, и Сет Патридж, , разметке обеих сторон линейки тоже Биссакер , добавление двух «шкал Уингейта», отметке на шкалах часто используемых чисел Томас Эверард , Бегунок появился в середине XIX века А.
Логарифмические линейки использовались несколькими поколениями инженеров и других профессионалов, вплоть до появления карманных калькуляторов. Инженеры программы « Аполлон » отправили человека на Луну , выполнив на логарифмических линейках все вычисления, многие из которых требовали точности в 3—4 знака. Любой график функции можно использовать как простейший вычислитель. Для использования его нужна шкала, линейка или частая координатная сетка , иногда — циркуль.
Ещё реже — другие вспомогательные устройства. Результаты считываются визуально и записываются на бумагу. Для умножения и деления — достаточно нанести на бумагу логарифмическую шкалу рядом с обычной и использовать циркуль — получится вычислитель. В принципе, логарифмическая линейка тоже позволяет ввести и рассчитывать самые разные функции.
Но для этого нужно усложнять механику: добавлять дополнительные линейки и т. Главная же сложность — их нужно изготовлять, а механика в каждом случае может потребоваться разная. Поэтому разнообразие механических линеек довольно ограничено. Этого основного недостатка лишены номограммы -— графики функции от нескольких переменных со шкалами, позволяющее определять значения этих функций с помощью простых геометрических операций например, прикладывания линейки.
Например, решать квадратное уравнение без применения формул. Для использования номограммы достаточно иметь её распечатку, линейку и максимум — циркуль, которые раньше были у любого инженера. Другим преимуществом номограмм — их двухмерность.
Это позволяет строить сложные двухмерные шкалы, увеличивать точность, строить номограммы сложных функций, совмещать множество функций на одной номограмме, давать серию проекций трёхмерных функций и т. Разработка теории номографических построений началась в XIX веке. Первой была создана теория построения прямолинейных сетчатых номограмм французским математиком Л. Лаланном Основания общей теории номографических построений дал М.
Окань — — в его же работах впервые появился термин « номограмма », установленный для применения в году Международным математическим конгрессом в Париже. Первым в России в этой области работал Н. Герсеванов — ; затем — создавший советскую номографическую школу, Н.
В году Вильгельм Шиккард придумал « Считающие часы » — первый арифмометр , умевший выполнять четыре арифметических действия.
Считающими часами устройство было названо потому, что, как и в настоящих часах, работа механизма была основана на использовании звёздочек и шестерёнок. Это изобретение нашло практическое использование в руках друга Шиккарда, философа и астронома Иоганна Кеплера.
За этим последовали машины Блеза Паскаля « Паскалина », г. Лейбниц также описал двоичную систему счисления — один из ключевых принципов построения всех современных компьютеров. Однако вплоть до х многие последующие разработки включая машины Чарльза Бэббиджа, ЭНИАК года и другие десятичные компьютеры были основаны на более сложной в реализации десятичной системе счисления.
В году Шарль Ксавье Тома де Кольмар создал первое серийно выпускавшееся механическое счётное устройство — арифмометр Томаса, который мог складывать, вычитать, умножать и делить. В основном, он был основан на работе Лейбница. В году Израиль Штаффель представил счётную машину , которая, кроме четырёх арифметических действий, могла извлекать квадратные корни. Арифмометры , считающие десятичные числа, использовались до х. В году Жозеф Мари Жаккар разработал ткацкий станок, в котором вышиваемый узор определялся перфокартами.
Серия карт могла быть заменена, и смена узора не требовала изменений в механике станка.
Это было важной вехой в истории программирования. В году Семен Корсаков применил перфорированные карты в конструкции разработанных им «интеллектуальных машин [2] », механических устройств для информационного поиска, являющихся прообразами современных баз данных и, в какой-то степени, — экспертных систем. В году Чарльз Бэббидж перешёл от разработки разностной машины к проектированию более сложной аналитической машины, принципы программирования которой напрямую восходят к перфокартам Жаккара.
В году Бюро Переписи США использовало перфокарты и механизмы сортировки табуляторы [3] , разработанные Германом Холлеритом , чтобы обработать поток данных десятилетней переписи , переданный под мандат в соответствии с Конституцией. Компания Холлерита в конечном счёте стала ядром IBM. Эта корпорация развила технологию перфокарт в мощный инструмент для обработки деловых данных и выпустила обширную линию специализированного оборудования для их записи.
К году технология IBM стала вездесущей в промышленности и правительстве. Предупреждение, напечатанное на большинстве карт, «не сворачивать, не скручивать и не рвать», стало девизом послевоенной эры. Во многих компьютерных решениях перфокарты использовались до и после конца х. Например, студенты инженерных и научных специальностей во многих университетах во всём мире могли отправить свои программные команды в локальный компьютерный центр в форме набора карт, одна карта на программную строку, а затем должны были ждать очереди для обработки, компиляции и выполнения программы.
Впоследствии, после распечатки любых результатов, отмеченных идентификатором заявителя, они помещались в выпускной лоток вне компьютерного центра.
Во многих случаях эти результаты включали в себя исключительно распечатку сообщения об ошибке в синтаксисе программы, требуя другого цикла редактирование — компиляция — исполнение. Определяющая особенность «универсального компьютера» — это программируемость, что позволяет компьютеру эмулировать любую другую вычисляющую систему всего лишь заменой сохранённой последовательности инструкций.
В году Чарльз Бэббидж описал свою аналитическую машину. Это был проект компьютера общего назначения, с применением перфокарт в качестве носителя входных данных и программы, а также парового двигателя в качестве источника энергии.
Одной из ключевых идей было использование шестерен для выполнения математических функций. Его первоначальной идеей было использование перфокарт для машины, вычисляющей и печатающей логарифмические таблицы с большой точностью то есть для специализированной машины. В дальнейшем эти идеи были развиты до машины общего назначения — его «аналитической машины». Хотя планы были озвучены, и проект, по всей видимости, был реален или, по крайней мере, проверяем, при создании машины возникли определённые трудности.
Бэббидж был человеком, с которым было трудно работать, он спорил с каждым, кто не отдавал дань уважения его идеям. Все части машины должны были создаваться вручную. Небольшие ошибки в каждой детали, для машины, состоящей из тысяч деталей, могли вылиться в значительные отклонения, поэтому при создании деталей требовалась точность, необычная для того времени. В результате проект захлебнулся в разногласиях с исполнителем, создающим детали, и завершился с прекращением государственного финансирования.
Ада Лавлейс, дочь лорда Байрона, перевела и дополнила комментариями труд «Sketch of the Analytical Engine». Её имя часто ассоциируют с именем Бэббиджа. Утверждается также, что она является первым программистом, хотя это утверждение и значение её вклада многими оспаривается. Реконструкция 2-го варианта Разностной машины — раннего, более ограниченного проекта, действует в Лондонском музее науки с года.
Она работает именно так, как было спроектировано Бэббиджем, лишь с небольшими тривиальными изменениями, и это показывает, что Бэббидж в теории был прав. Для создания необходимых частей музей применил машины с компьютерным управлением, придерживаясь допусков, которые мог достичь слесарь того времени. Некоторые полагают, что технология того времени не позволяла создать детали с требуемой точностью, но это предположение оказалось неверным.
Неудача Бэббиджа при конструировании машины в основном приписывается трудностям, не только политическим и финансовым, но и его желанию создать очень изощрённый и сложный компьютер.
По стопам Бэббиджа, хотя и не зная о его более ранних работах, шёл Перси Лудгет , бухгалтер из Дублина Ирландия. Он независимо спроектировал программируемый механический компьютер, который он описал в работе, изданной в году. В начале ХХ столетия появились первые механические клавишные арифмометры.
Усовершенствование механических арифмометров продолжалось вплоть до х годов. Были разработаны многочисленные их конструкции как с ручным, так и с электрическим приводом [4] [5]. В Советском Союзе самым известным и распространённым арифмометром был арифмометр «Феликс» , выпускавшийся с по год на заводах в Курске завод «Счетмаш» , Пензе и Москве. В году появился Curta — небольшой арифмометр, который можно было держать в одной руке.
В х — х годах на западном рынке появилось несколько марок подобных устройств. Перед Второй мировой войной механические и электрические аналоговые компьютеры считались наиболее современными машинами, и многие считали, что это будущее вычислительной техники. Аналоговые компьютеры использовали преимущества того, что математические свойства явлений малого масштаба — положения колёс или электрическое напряжение и ток — подобны математике других физических явлений, например таких как баллистические траектории, инерция, резонанс, перенос энергии, момент инерции и т.
Они моделировали эти и другие физические явления значениями электрического напряжения и тока.
В году молодой немецкий инженер-энтузиаст Конрад Цузе начал работу над своим первым вычислителем серии Z, имевшим память пока ограниченную и возможность программирования. Созданная в основном на механической основе, но уже на базе двоичной логики, модель Z1 , завершённая в году , так и не заработала достаточно надёжно из-за недостаточной точности выполнения составных частей.
Ввод команд и данных осуществлялся при помощи клавиатуры, а вывод — с помощью маленькой панели на лампочках. Память вычислителя организовывалась при помощи конденсатора.
В году Цузе создал второй вычислитель — Z2 , но её планы и фотографии были уничтожены при бомбардировке во время Второй мировой войны , поэтому о ней почти ничего не известно. Z2 работала на реле. Следующая машина Цузе — Z3 — была завершена в году. Она была построена на телефонных реле и работала вполне удовлетворительно. Тем самым Z3 стала первым работающим компьютером, управляемым программой.
Во многих отношениях Z3 была подобна современным машинам, в ней впервые был представлен ряд новшеств, таких как арифметика с плавающей запятой. Замена сложной в реализации десятичной системы на двоичную сделала машины Цузе более простыми, а значит, и более надёжными: считается, что это одна из причин того, что Цузе преуспел там, где Бэббидж потерпел неудачу.
Программы для Z3 хранились на перфорированной плёнке. Условные переходы отсутствовали, но в х было теоретически доказано, что Z3 является универсальным компьютером если игнорировать ограничения на размер физической памяти. В двух патентах года Конрад Цузе упоминал, что машинные команды могут храниться в той же памяти, что и данные — предугадав тем самым то, что позже стало известно как архитектура фон Неймана и было впервые реализовано только в году в британском EDSAC.
Чуть ранее для частично законченного компьютера Z4 Цузе разработал первый в мире высокоуровневый язык программирования, названный им Планкалкюль нем. Война прервала работу над машиной. В то время он был единственным работающим компьютером в континентальной Европе и первым компьютером в мире, который был продан. Цузе и его компанией были построены и другие компьютеры, название каждого из которых начиналось с заглавной буквы Z.
Наиболее известны машины Z11 , продававшийся предприятиям оптической промышленности и университетам, и Z22 — первый компьютер с памятью на магнитных носителях.
В году Клод Шеннон показал, что существует взаимнооднозначное соответствие между концепциями булевой логики и некоторыми электронными схемами, которые получили название « логические вентили », которые в настоящее время повсеместно используются в цифровых компьютерах.
Работая в МТИ , в своей основной работе он продемонстрировал, что электронные связи и переключатели могут представлять выражение булевой алгебры.
Так своей работой A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits он создал основу для практического проектирования цифровых схем. В конце года Bell Labs санкционировала исследования по новой программе, возглавлявшиеся Стибицем. В результате этого 8 января года был завершён Complex Number Calculator, умевший выполнять вычисления над комплексными числами.
Это был первый случай, когда вычислительное устройство использовалось удалённо. Официально известный как Automatic Sequence Controlled Calculator, Mark I был электромеханическим компьютером общего назначения, созданным с финансированием IBM и при помощи со стороны персонала IBM под руководством гарвардского математика Говарда Айкена.
Проект компьютера был создан под влиянием Аналитической машины Ч. Бэббиджа с использованием десятичной арифметики, колёс для хранения данных и поворотных переключателей в дополнение к электромагнитным реле. Машина программировалась с помощью перфоленты и имела несколько вычислительных блоков, работавших параллельно. Более поздние версии имели несколько считывателей с перфоленты, и машина могла переключаться между считывателями в зависимости от состояния.
Тем не менее, машина была не совсем Тьюринг-полной. Mark I был перенесён в Гарвардский университет и начал работу в мае года [5].
Такие машины, как Z-3 и Mark I, были выдающимися достижениями своего времени, но они работали чрезвычайно медленно, так как были основаны на медленно работающих элементах электромагнитных реле. Требовалась иная элементная база вычислительных машин. Качественный скачок быстродействия произошел в связи с переходом на электронные безынерционные элементы.
Появление электронно-вычислительных машин ЭВМ в е годы стало возможным благодаря:. Также важную роль сыграла Вторая мировая война , так как появилась насущная потребность в сложных быстрых расчетах для военных целей [5]. Это был первый в мире электронный цифровой компьютер. Конструкция насчитывала более электровакуумных ламп, в качестве памяти использовался вращающийся барабан.
Несмотря на то, что машина ABC не была программируемой, она была первой, использовавшей электронные лампы в сумматоре.
ABC был почти забыт до тех пор, пока в центре внимания не оказался иск « Honeywell против Sperry Rand », постановление по которому аннулировало патент на ENIAC и некоторые другие патенты из-за того, что, помимо других причин, работа Атанасова была выполнена раньше. Во время Второй мировой войны Великобритания достигла определённых успехов во взломе зашифрованных немецких переговоров. Код немецкой шифровальной машины « Энигма » был подвергнут анализу с помощью электромеханических машин, которые носили название « бомбы ».
Такая «бомба» была разработана Аланом Тьюрингом и Гордоном Уэлшманом. Большинство вариантов приводило к противоречию, несколько оставшихся уже можно было протестировать вручную. Это были электро-механические дешифраторы, работающие методом простого перебора. Немцы также разработали серию телеграфных шифровальных систем, несколько отличавшихся от «Энигмы».
Первые перехваты передач с таких машин были зафиксированы в году. Для взлома этого кода в обстановке секретности была создана машина «Колосс» англ. Спецификацию разработали профессор Макс Ньюман англ.
Max Newman и его коллеги; сборка Colossus Mk I выполнялась в исследовательской лаборатории Почтового департамента Лондона и заняла 11 месяцев, работу выполнили Томми Флауэрс англ. Tommy Flowers и др. В «Колоссе» использовалось большое количество электровакуумных ламп, ввод информации выполнялся с перфоленты. Машину можно было настроить на выполнение различных операций булевой логики , но она не являлась тьюринг-полной.
Информация о существовании этой машины держалась в секрете до х гг. Уинстон Черчилль лично подписал приказ о разрушении машины на части, не превышающие размером человеческой руки.
Из-за своей секретности Colossus не был упомянут во многих трудах по истории компьютеров. Американский ENIAC , который часто называют первым электронным компьютером общего назначения, публично доказал применимость электроники для масштабных вычислений. Это стало ключевым моментом в разработке вычислительных машин, прежде всего из-за огромного прироста в скорости вычислений, но также и по причине появившихся возможностей для миниатюризации.
Созданная под руководством Джона Мокли и Дж. Преспера Экерта , эта машина была в раз быстрее, чем все другие машины того времени. В то время, когда был предложен данный проект, многие исследователи были убеждены, что среди тысяч хрупких электровакуумных ламп многие будут сгорать настолько часто, что «ЭНИАК» будет слишком много времени простаивать в ремонте, и, тем самым, будет практически бесполезен.
Тем не менее, на реальной машине удавалось выполнять несколько тысяч операций в секунду в течение нескольких часов, до очередного сбоя из-за сгоревшей лампы.
Но «программа» для этой машины определялась состоянием соединительных кабелей и переключателей — огромное отличие от машин с хранимой программой, появившихся у Конрада Цузе в году. Тем не менее, в то время вычисления, выполнявшиеся без помощи человека, рассматривались как достаточно большое достижение, и целью программы было тогда решение только одной единственной задачи.
Улучшения, которые были завершены в году, дали возможность исполнения программы, записанной в специальной памяти, что сделало программирование более систематичным, менее «одноразовым» достижением. Принципы построения этой машины стали известны под названием « архитектура фон Неймана » и послужили основой для разработки первых по-настоящему гибких универсальных цифровых компьютеров. В соответствии с общепринятой методикой оценки развития вычислительной техники первым поколением считались ламповые компьютеры, вторым — транзисторные , третьим — компьютеры на интегральных схемах , а четвёртым — с использованием микропроцессоров.
В то время как предыдущие поколения совершенствовались за счёт увеличения количества элементов на единицу площади миниатюризации , компьютеры пятого поколения должны были стать следующим шагом, и для достижения сверхпроизводительности, — осуществлять взаимодействие неограниченного набора микропроцессоров. Первой работающей машиной с архитектурой фон Неймана стала Манчестерская малая экспериментальная машина, созданная в Манчестерском университете в году; в году за ним последовал компьютер Манчестерский Марк I , который уже был полной системой, с трубками Уильямса и магнитным барабаном в качестве памяти, а также с индексными регистрами.
Другим претендентом на звание «первый цифровой компьютер с хранимой программой» стал EDSAC , разработанный и сконструированный в Кембриджском университете. Заработавший менее чем через год после «Baby», он уже мог использоваться для решения реальных задач. Такое решение было проще и надёжнее, поэтому такой вариант становился первым реализованным после каждой очередной волны миниатюризации.
Первым универсальным программируемым компьютером в континентальной Европе был Z4 Конрада Цузе, завершённый в сентябре года. Она содержала около электровакуумных ламп и потребляла 15 кВт.
Машина могла выполнять около операций в секунду. Компьютер LEO I начал работать в году и впервые в мире стал регулярно использоваться для рутинной офисной работы. Машина Манчестерского университета стала прототипом для Ferranti Mark I. Первая такая машина была доставлена в университет в феврале года, и, по крайней мере, девять других были проданы между и годами. UNIVAC был первым массово производившимся компьютером; все его предшественники изготовлялись в единичном экземпляре. Компьютер состоял из электровакуумных ламп и потреблял кВт энергии.
Использовались ртутные линии задержки , хранящие слов памяти, каждое по 11 десятичных цифр плюс знак битные слова. В отличие от машин IBM, оснащавшихся устройством ввода с перфокарт, UNIVAC использовал ввод с металлизированной магнитной ленты стиля х, благодаря чему обеспечивалась совместимость с некоторыми существовавшими коммерческими системами хранения данных.
Другими компьютерами того времени использовался высокоскоростной ввод с перфоленты и ввод-вывод с использованием более современных магнитных лент. Первой советской серийной ЭВМ стала « Стрела », производившаяся с года на Московском заводе счётно-аналитических машин. ЭВМ имела быстродействие операций в секунду. В качестве внешней памяти использовались два накопителя на магнитной ленте ёмкостью слов, объём оперативной памяти — ячеек по 43 разряда.
Компьютер состоял из ламп, 60 полупроводниковых диодов и потреблял кВт энергии. Память на магнитном барабане хранит знаковых слов, позже память была увеличена до слов. Изобретения механического этапа развития вычислительной техники сыграли важную роль для создания современных ЭВМ. В хронологической ленте вы сможете узнать историю развития вычислительной техники. Чтобы ознакомиться с данной темой более подробно, предоставляю вашему вниманию презентацию.
Обратная связь по выступления: Опрос. Методы исследования: Поиск информации по данной теме; Анализ и обобщение полученной информации; Составление хронологической ленты; Опрос с целью выявления мнения окружающих по данной теме.
