Лекция 3

История развития ЭВМ

Всякая новая техника создается, когда возникает большая общественная потребность в ней. К середине нашего века научно-технический прогресс привел к необходимости облегчить труд ученых и инженеров, ускорить выполнение громоздких расчетов и повысить их точность. Автоматизация вычислений, создание мощного, быстродействующего и точного электронного арифмометра -- вот о чем думали специалисты -- творцы первых ЭВМ. Никто в те далекие теперь годы и не помышлял о будущем информационном перевороте; решалась скромная, на первый взгляд чисто техническая задача. Да и возможности первых образцов вычислительных машин оказались небольшими.

Еще в годы второй мировой войны в США была собрана из обычных электромагнитных реле, которых тогда были тысячи на любой телефонной станции, вычислительная машина "Марк-1". Считала она в привычной десятичной системе счисления -- телефонные реле имели как раз десять позиций своих контактов. Работала машина неторопливо -- пока реле отщелкают свое, можно было вручную все посчитать. Поэтому вскоре после войны появились машины на электронных лампах: в США -- ENIAC, а в СССР -- МЭСМ (малая электронно-счетная машина), которую создал коллектив под руководством С.А. Лебедева. Ламповые ЭВМ уже оказались в состоянии выполнять сотни и тысячи арифметических или логических операций за одну секунду. Они могли обеспечить высокую точность вычислений. Человек уже не мог соперничать с такой машиной.

Жизнь первого поколения ЭВМ оказалась короткой -- около десяти лет. Электронные лампы грелись, потребляли много электроэнергии, были громоздки (так, например, машина ENIAC весила 30 тонн, имела 18 тысяч электронных ламп и потребляла 150 киловатт). И что еще хуже -- часто выходили из строя. Над компьютерщиками продолжали посмеиваться: чтобы сложить, скажем, два числа, требовалось написать программу из многих машинных команд. Например, такую: "Ввести в машину первое слагаемое; ввести второе; переслать из памяти первое слагаемое в арифметическое устройство (arithmetic unit); переслать в арифметическое устройство второе слагаемое и вычислить сумму; переслать результат в память; вывести это число из памяти машины и напечатать его". Каждую команду и оба слагаемых "набивали" на перфокарты и только потом вводили колоду перфокарт в компьютер и ждали, когда протарахтит печатающее устройство (printing device) и на выползающей из него бумажной ленте будет виден результат -- искомая сумма.

В конце пятидесятых -- начале шестидесятых годов на смену электронной лампе пришел компактный и экономичный прибор -- транзистор (transistor). Компьютеры сразу стали производительнее и компактнее, уменьшилось потребление электроэнергии. ЭВМ второго поколения "научились" программировать сами для себя. Появились системы автоматизации программирования, состоящие из алгоритмических языков (algorithmic language) и трансляторов (translator) для них. Теперь пользователь изучал язык ЭВМ, приближенный к языку научных, инженерных или экономических расчетов. Например, Фортран или Алгол-60.

Программа, написанная на известном машине языке, переводилась на язык команд автоматически, с помощью программы-переводчика. Такие программы называли трансляторами, а процесс перевода -- трансляцией. Транслятор не только переводил программу с алгоритмического языка на язык команд, но и проверял грамотность составленной пользователем программы, выявлял и классифицировал ошибки, давал советы по их устранению.

Прошло всего 7--8 лет, и это поколение буквально вытолкнули машины следующего, третьего поколения. Перевод вычислительной техники на интегральные микросхемы серьезно удешевил ее, поднял возможности и позволил начать новый этап ее практического применения. Компьютеры вторглись -- уже не штучно, а в массовом порядке -- практически во все сферы науки, экономики, управления.

Развитие микроэлектроники позволило создать и освоить технологию интегральных схем с особо большой плотностью компоновки. На одном кристалле размером меньше ногтя стали размещать не десятки и сотни, а десятки тысяч транзисторов и других элементов. Большие интегральные схемы (very large scale integration) составили техническую основу, элементную базу ЭВМ четвертого поколения. Их производительность возросла фантастически -- до сотен миллионов операций в секунду.

Подлинный переворот в автоматике и управлении произвели появившиеся в семидесятые годы микропроцессоры и микро-ЭВМ -- сверхминиатюрные изделия вычислительной техники. Малый вес и габариты, ничтожное электропотребление -- все это позволило встраивать "монолитные" микро-ЭВМ и микропроцессорные наборы непосредственно в средства связи, машины, механизмы, приборы и другие технические устройства, чтобы наилучшим образом управлять их работой и контролировать ее.

ЭВМ третьего-четвертого поколения стали многоязычными и многопрограммными: они получили возможность вести диалог со многими пользователями одновременно и решать задачи, запрограммированные на разных языках.

Основное направление в развитии современных компьютеров (пятого и шестого поколения) -- разработка машины, более похожей на человека по способам ввода и хранения информации и методам решения задач. Различные области информатики занимаются изучением этих проблем -- задач искусственного интеллекта (artificial intelligence), экспертных систем (expert systems) и представления информации (information presentation).


Проследим историю возникновения компьютера от древних времен до сегодняшнего дня.
Первым счетным устройством, известным еще задолго до нашей эры, был абак. Известно несколько разновидностей абака: греческий, египетский и римский абак, китайский суан-пан и японский соробан.

Абак, первое счетное устройство, был известен еще задолго до нашей эры. Абак служил не столько для облегчения собственно вычислений, сколько для запоминания промежуточных результатов. Известно несколько разновидностей абака: греческий (египетский) абак в виде дощечки, на которой проводили линии и в полученные колонки клали камешки; китайский суан-пан и японский соробан с шариками, нанизанными на прутики. Русский абак — счеты — появились приблизительно в 16 или 17 веке. Они стоят на особом месте, так как используют десятичную, а не пятеричную систему счисления, как все остальные абаки. Основная заслуга изобретателей абака – создание позиционной системы представления чисел.

Счетное устройство Непера

Непер (Нейпир; Napier) Джон (1550-1617), шотландский математик, изобретатель логарифмов.

Потомок старинного воинственного шотландского рода. Изучал логику, теологию, право, физику, математику, этику. Увлекался алхимией и астрологией. Изобрел несколько полезных сельскохозяйственных орудий. В 1590-х годах пришел к идее логарифмических вычислений и составил первые таблицы логарифмов, однако свой знаменитый труд «Описание удивительных таблиц логарифмов» опубликовал лишь в 1614 году. В конце 1620-х годов была изобретена логарифмическая линейка, счетный инструмент, использующий таблицы Непера для упрощения вычислений. С помощью логарифмической линейки операции над числами заменяются операциями над логарифмами этих чисел.

В 1617 году, незадолго до своей смерти, Непер изобрел математический набор, призванный облегчить арифметические вычисления. Набор состоял из брусков с нанесенными на них цифрами от 0 до 9 и кратными им числами. Для умножения какого-либо числа бруски располагали рядом так, чтобы цифры на торцах составляли это число. Ответ можно было увидеть на боковых сторонах брусков. Помимо умножения, палочки Непера позволяли выполнять деление и извлечение квадратного корня.

Проект одной из первых механических суммирующих машин был разработан немецким ученым Вильгельмом Шиккардом. Эта 6-разрядная машина была построена предположительно в 1623 году. Описание машины Шиккарда, к сожалению, оказалось утраченным во время Тридцатилетней войны. Создал также первый механический планетарий, демонстрирующий положение Солнца, Земли и Луны согласно системе Коперника. Это изобретение оставалось неизвестным до середины двадцатого столетия, поэтому никакого влияния на развитие вычислительной техники не имело.


Готфрид Вильгельм фон Лейбниц в 1673 году сконструировал машину «четырех действий», которая выполняла сложение, вычитание, умножение и деление и извлечение квадратного корня. В отличие от Паскаля Лейбниц использовал в своей машине не колесики и приводы, а цилиндры с нанесенными на них цифрами. Специально для нее Лейбниц впервые применил двоичную систему счисления, использующую вместо обычных для человека десяти цифр две: 0 и 1.

Лейбниц (Leibniz) Готфрид Вильгельм (1 июля 1646, Лейпциг — 14 ноября 1716, Ганновер), немецкий ученый (философ, математик, физик, языковед), политический деятель и дипломат. Предвосхитил принципы современной математической логики («Об искусстве комбинаторики», 1666). Один из создателей дифференциального и интегрального исчислений. Создал первую механическую счетную машину, способную производить сложение, вычитание, умножение и деление. Независимо от Ньютона создал дифференциальное и интегральное исчисление и заложил основы двоичной системы счисления.

Окончив Лейпцигский университет, куда поступил в возрасте 15 лет, Лейбниц долгие годы провел на службе у разных немецких князей. В 1766 в двадцатилетнем возрасте он разработал общий метод позволяющий свести любую мысль к точным формальным высказываниям. Таким образом, Лейбниц стал основателем формальной математической логики. Предложив двоичную систему счисления, ученый наделял ее мистическим смыслом: цифру 1 он ассоциировал с Богом, а 0 с пустотой. Лейбниц предположил, что двоичная система может стать универсальным логическим языком.

Лейбниц хотел выделить простейшие понятия, с помощью которых можно бы сформулировать понятия любой сложности.

В 1804 году французский изобретатель Жозеф Мари Жаккар сконструировал ткацкий станок для выработки крупноузорчатых тканей, в котором применил перфорированные карточки с разным расположением отверстий, которые давали различные узоры на плетении ткани. Жаккар даже не мог предположить, что его идея будет впоследствии использована для обработки информации с помощью компьютеров.


Жаккар (Jacquard) Жозеф Мари (1752-1834), французский инженер. В 1804 году изобрел полностью автоматический станок для выработки крупноузорчатых тканей, так называемую машину Жаккарда. Станок управлялся перфорированными картами и имел счетный механизм. Колода карточек с разным расположением отверстий задавала узор на плетении ткани. Каждая карточка управляла одним ходом челнока. Станок Жаккарда до сих пор применяется в ткацком производстве, а его идея была впоследствии использована для обработки информации с помощью компьютеров.


В 1820 году француз Шарль Ксавье Тома де Кольмар создал первый коммерческий арифмометр, способный производить умножение и деление. Этот надежный прибор прочно занял свое место на конторских столах.

Тома де Кольмар Шарль Ксавье (Charles Xavier Thomas de Colmar) (1785-1870), французский предприниматель, создатель первого коммерческого арифмометра.

В 1820 году Тома создал арифмометр, основанный на принципе калькулятора Лейбница, способный производить умножение и деление. По своим возможностям арифмометр превосходил все известные в то время машины, так как мог оперировать тридцатизначными числами. Хотя Тома получил патент на свой арифмометр в том же году, первые арифмометры появились в продаже лишь в начале 1840-х годов. Тома де Кольмар был военным чиновником во время испанской и португальской кампаний 1809-13 годов, прежде чем решил заняться совершенно новым бизнесом, которому посвятил всю оставшуюся жизнь.

Своим широким распространением во второй половине 19 века арифмометр обязан отнюдь не прогрессу в области вычислительной техники, а конкуренции на рынке вычислительных средств. Сам Тома прикладывал огромные усилия для популяризации своего детища. В конце концов этот надежный прибор прочно занял свое место на конторских столах и успешно продавался в течение последующих 90 лет.


В 1833 году английский математик Чарльз Бэббидж приступил к постройке разностной машины, которая должна была производить вычисления с точностью до 20 знаков после запятой. Постройкой машины Бэббидж занимался следующие 10 лет, однако она так и не была закончена.

Бэббидж (Babbage) Чарлз (26 декабря 1791, Лондон — 18 октября, 1871, там же), английский математик и изобретатель, иностранный член-корреспондент Петербургской АН (1832). В 1833 разработал проект универсальной цифровой вычислительной машины — прообраза ЭВМ. Чарлза Бэббиджа часто называют «отцом компьютера» за изобретенную им аналитическую машину, хотя ее прототип был создан через много лет после его смерти. Бэббидж родился в семье банкира. В детстве у Бэббиджа был собственный учитель алгебры, которой Чарлз был страстно увлечен. Ко времени поступления в Тринити-Колледж в Кембридже в 1811 году Бэббидж оказался намного образованнее своих преподавателей математики. В 1812 Бэббидж способствовал организации Аналитического общества, целью которого стало изучение достижений европейской науки и реформирование математики Ньютона.

Огаста Ада Лавлейс, дочь английского поэта Джорджа Байрона, по праву считается первым программистом. Ею составлены первые в мире программы для программно-управляемой аналитической машины Бэббиджа. Она 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.

Лавлейс Огаста Ада Кинг (Lovelace Augusta Ada King, уродж. леди Байрон) (10 декабря 1815, Мидлсекс (ныне в границах Лондона) — 29 ноября 1852, там же), графиня, английский математик.

Аду Лавлейс называют первым программистом, так как она создала первую программу для вычислительной машины своего коллеги Чарлза Бэббиджа. Дочь знаменитого поэта лорда Байрона. Байрон вскоре после рождения дочери навсегда покинул Британию, и его дочь так и не знала своего отца.

Уже в 1833 году ее заинтересовала аналитическая машина Бэббиджа. Она приложила все свои способности для реализации его проекта, поддерживала и вдохновляла его. В 1843 году перевела и аннотировала статью итальянского математика и инженера Луиджи Федерико Менабриа «Элементы аналитической машины Чарлза Бэббиджа». По ее выражению, аналитическая машина способна создавать алгебраические формулы, как жаккардовая машина может ткать цветы и листья.


В середине 19 века английский математик Джордж Буль ввел новую математическую логику. Логические операторы И, ИЛИ и НЕ осуществляют связи в логическом высказывании и благодаря этому дают возможность развиться новым высказываниям. Эта формальная логика высказывания известна теперь как алгебра Буля и составляет основу электронной обработки данных.

Буль (Boole) Джордж (2 ноября 1815, Линкольн, Великобритания — 8 декабря 1864, Баллинтемпль, Ирландия), английский математик и логик, один из основоположников математической логики. Разработал алгебру логики (булеву алгебру) («Исследование законов мышления», 1854), основу функционирования цифровых компьютеров.