Реферат: История компьютера

Реферат: История компьютера

                                        I.     Ìåõàíè÷åñêàÿ ñ÷åòíàÿ òåõíèêà

 Слово "компьютер" означает вычислитель, т.е. устройство для вычислений. Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно. Многие тысячи лет назад для счета использовались счетные палочки, камешки и т.д.

 Абак

 Поистине революционным событием в истории счета было появление приборов, объединяемых общим названием - абак. Абак мог иметь форму деревянной доски, глиняной плитки или просто очерченного кусочка земли. Важно, что на абаке отмечались места (колонки или строчки) для отдельных разрядов чисел.

 Впервые об абаке упоминает историк древнего мира Геродот. Абак был широко распространен в античном мире. Его вариантами пользовались в Древнем Риме и Вавилоне, Китае, Японии и многих других странах. Математическая задача считалась решенной в том случае, если ее решение можно было воспроизвести на абаке.

 В Россию абак проник не позднее XVI века, но, скорее всего это случилось намного раньше. Русскими вариантами абака были "счет костьми" и "дощаный счет".

 Палочки Непера

 Следующий толчок развитию счетного дела был дан шотландским математиком Д.Непером, при­ду­мав­шим специальные счетные палочки. С па­лоч­ками Непера было легко работать, но они имели один существенный недостаток: накопленные единицы ме­ха­ни­чески не переносились в высший разряд. Все же этот незамысловатый прибор широко распространился в Европе. У Непера оказалось много последователей, которые совершенствовали его изобретение, создавая при этом немало остроумных и удобных для работы конструкций. Осталось сделать последний шаг на пути создания механических счетных устройств.

 Шиккард

 Его сделал в 1623 году профессор восточных языков в Тюбингенском университете В.Шиккард, который в 1631 году стал также профессором математики и астрономии. Машина Шиккарда состояла из суммирующего и множительного устройства, а также из механизма для записи промежуточных результатов. Правильность выбора чисел и все промежуточные результаты можно было проверить с помощью специальных окошек, в которых появлялись цифры.

 До последнего десятилетия считалось, что первая счетная машина была изобретена французом Блезом Паскалем в 1642 году. Дело в том, что механизм Шиккарда в свое время был известен лишь узкому кругу людей. При тщательном разборе архива, который принадлежал знаменитому астроному Иоганну Кеплеру, нашли письма от Шиккарда, в них описывалась схема счетной машины. В XVII веке еще не была налажена система научных журналов, и основным каналом для распространения научной информации служила личная переписка ученых.

 Паскаль

 Тем не менее, это не умаляет заслуг Блеза Паскаля, который в 1642г. изобрел устройство, механически выполняющее сложение чисел. В своей машине (она могла только складывать и вычитать) придумал немало остроумных инженерных решений. Предусмотрел он также более сдобный способ фиксации результатов. Машина Паскаля имела размеры 36´13´8 сантиметров, этот небольшой латунный ящичек было удобно носить с собой. Все построенные Паскалем варианты машин предназначались для работы с 6-8 - разрядными числами. Инженерные идеи Паскаля оказали огромное влияние на многие другие изобретения в области вычислительной техники.

 Лейбниц

 Следующего этапного результата добился выдающийся немецкий математик и философ Готфрид Вильгельм Лейбниц, высказавший в 1672 году идею механического умножения без последовательного сложения. Уже через год он представил машину в Парижскую академию. Арифмометр позволял механически выполнять четыре арифметических действия. Машина Лейбница требовала для установки специального стола, так как имела внушительные размеры: 100´30´20 сантиметров. К сожалению, до нас не дошло ни одного достоверного описания машины.

 Бэббидж

 В 1812 году английский математик Чарльз Бэббидж начал работать над так называемой разностной машиной, которая должна была вычислять любые функции, в том числе и тригонометрические, а также составлять таблицы.

 Свою первую разностную машину Бэббидж построил в 1822 году и рассчитывал на ней таблицу квадратов, таблицу значений функции y=x2+x+41 и ряд других таблиц. Однако из-за нехватки средств эта машина не была закончена, и сдана в музей Королевского колледжа в Лондоне, где хранится и по сей день.

 Однако эта неудача не остановила Бэббиджа и в 1834 году он

 приступил к новому проекту - созданию Аналитической машины, которая должна была выполнять вычисления без участия человека. Для этого она должна была уметь исполнять программы, вводимые с помощью перфокарт (карт из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий, они в то время уже широко употреблялись в ткацких станках), и иметь "склад" для запоминания данных и промежуточных результатов (в современной терминологии - память). С 1842 по 1848 год Бэббидж упорно работал, расходуя собственные средства. В окончательном варианте машина должна была включать три блока. Первый, хранящий информацию на регистрах из цифровых колес, автор назвал "складом". В современных компьютерах ему соответствует запоминающее устройство. Второй блок должен осуществлять различные операции с числами, взятыми из склада; Бэббидж назвал его "фабрикой". Соответствующий блок компьютера называется процессором. Наконец, третий блок предназначался для автоматического управления последовательностью операций во время вычислений, своевременной доставкой со склада нужных чисел, выводом результатов на печать. Бэббидж не дал этому блоку специального названия, в компьютере ему соответствует устройство управления. К сожалению, он не смог довести до конца работу по созданию Аналитической машины - она оказалась слишком сложной для техники того времени. Невозможно достигнуть Луны в деревянной ракете с двигателем внутреннего сгорания, так же невозможно было сделать аналитическую машину из механических элементов. Но заслуга Бэббиджа в том, что он впервые предложил и частично реализовал, идею программно-управляемых вычислений. Именно Аналитическая машина по своей сути явилась прототипом современного компьютера. Эта идея и ее инженерная детализация опередили время на 100 лет! Говард Эйкен, конструктор одной из первых действующих электронно-вычислительных машин ENIAC писал: "Живи Бэббидж на 75 лет позже, я остался бы безработным".

 Арифмометры

 Естественно, что машины Паскаля, Лейбница и других изобретателей строились в одном или нескольких экземплярах. Поэтому они не находили сколько-нибудь заметного применения в счетном деле.

 Положение изменил весьма предприимчивый уроженец Эльзаса Карл Томас, основатель и директор двух парижских страховых обществ. В 1818 году он сконструировал счетную машину, уделив основное внимание технологичности механизма, и назвал ее арифмометром. Уже через три года в мастерских Томаса было изготовлено 16 арифмометров, а затем их выпуск был доведен до сотни в год. Большая часть (60%) машин вывозилась за пределы Франции.

 Таким образом, Томас положил начало счетному машиностроению. Его арифмометры выпускали в течение ста лет, постоянно совершенствуя и меняя время от времени названия.

 Начиная с XIXв. арифмометры получили очень широкое применение. На них выполнялись даже очень сложные расчеты, например, расчеты баллистических таблиц для артиллерийских стрельб. Существовала даже особая профессия - счетчик - человек, работающий с арифмометром, быстро и точно соблюдающий определенную последовательность инструкций (такую последовательность действий впоследствии стали называть программой). Но многие расчеты производились очень медленно - даже десятки счетчиков должны были работать по несколько недель и месяцев. Причина проста - при таких расчетах выбор выполняемых действий и запись результатов производились человеком, а скорость его работы весьма ограничена.

 Первые арифмометры были дороги, ненадежны, сложны в ремонте и громоздки. Поэтому, скажем, в России стали приспосабливать к более сложным вычислениям счеты. Например, в 1828 году генерал-майор Ф.М.Сво­бод­ской выставил на обозрение оригинальный прибор, состоящий из мно­жества счетов, соединенных в общей раме. Свободской не ограничился ме­ха­низацией четырех действий арифметики, прибор совершал и более за­мыс­ловатые операции. Так, извлечение кубического корня из 21-значного числа занимало три минуты! Основным условием, позволявшим быстро вы­числять, было строгое соблюдение небольшого числа единообразных правил. Все операции сводились к действиям сложения и вычитания. Таким образом, прибор воплощал в себе идею алгоритмичности.

 "Железный Феликс"

 Пожалуй, одно из последних принципиальных изобретений в механической счетной технике было сделано жителем Петербурга Вильгодтом Однером. Построенный Однером в 1890 году арифмометр фактически ничем не отличается от современных подобных ему машин. Почти сразу Однер с компаньоном наладил и выпуск своих арифмометров - по 500 штук в год. К 1914 году в одной только России насчитывалось более 22 тысяч арифмометров Однера. В первой четверти XXв. эти арифмометры были единственными математическими машинами, широко применявшимися в различных областях деятельности человека. В России эти громко лязгающие во время работы машинки получили прозвище "Железный Феликс". Ими были оснащены практически все конторы.

                               II.    Ïåðâûå âû÷èñëèòåëüíûå óñòðîéñòâà

 Электромагнитные реле

 В первые десятилетия XXв. конструкторы об­ра­тили внимание на возможность применения в счет­ных устройствах новых элементов - электромагнитных реле.

 В 1941 году немецкий инженер Конрад Цузе, построил вычислительное устройство, работающее на таких реле.

 Марк-1

 Почти одновременно, в 1943г., американец с помощью работ Бэббиджа на основе техники XXв. - электромеханических реле - смог построить на одном из предприятий фирмы IBM легендарный "Марк-1" (позднее "Марк-2"). Он воплощал в себе предельные параметры, свойственные этой элементной базе. "Марк-1" имел в длину 15 и в высоту 2,5 метра, содержал 800 тысяч деталей, располагал 60 регистрами для констант, 72 запоминающими регистрами для сложения, центральным блоком умножения и деления, мог вычислять элементарные трансцендентные функции. Машина работала с 23-значными десятичными числами и выполняла операции сложения за 0,3 секунды, а умножения - за 3 секунды.

 Роль Говарда Эйкена в создании компьютеров - разработку гарвардского "Марк-1"(IBM ASSC), и его преемника "Марк-2" - частенько преуменьшают по двум причинам. Первая - в том, что обе эти машины были скорее электромеханическими, чем электронными; вторая - то, что Эйкен не придерживался той концепции, что программы должны храниться в памяти компьютера как и полученные данные, и это было его ошибкой.

 Но, в то же время, Эйкен был провидец, человек опередивший свое время. Многие помнят его предсказание в конце 1940-ых, еще до того, как вакуумная лампа была полностью заменена транзистором, что настанет время, когда машина более мощная, чем гигантские машины тех дней, сможет разместиться в блоке, размером с обувную коробку. За несколько недель до своей смерти, Эйкен сделал и другое предсказание. Он указал, что затраты на аппаратные средства не дают истинное представление о цене компьютера. По мере того, как аппаратные средства будут дешеветь, программные будут становиться все более дорогими. И в заключение он сказал: "Придет время, когда изготовители станут отдавать аппаратные средства даром, чтобы продать потом программное обеспечение ". Время покажет, действительно ли он предвидел будущее.

 Примерно в то же время в Англии начала работать первая вы­чис­ли­тель­ная машина на реле, которая использовалась для расшифровки сообщений, передававшихся немецким кодированным передатчиком.

 К середине XXв. потребность в автоматизации вычислений (в том числе для военных нужд - баллистики, криптографии и т.д.) стала настолько велика, что над созданием машин, подобных "Марк-1" и "Марк-2" работало несколько групп исследователей в разных странах.

                                    III.    Ïåðâîå ïîêîëåíèå êîìïüþòåðîâ
(íà ýëåêòðîííûõ ëàìïàõ)

 Работа по созданию первой электронно‑вы­чис­ли­тель­ной машины была начата, по-видимому, в 1937 году в США профессором Джоном Атанасовым, болгарином по происхождению. Эта машина была специализированной и предназначалась для решения задач математической физики. В ходе разработок Атанасов создал и запатентовал первые электронные устройства, которые впоследствии применялись довольно широко в первых компьютерах. Полностью проект Атанасова не был завершен, однако через три десятка лет в результате судебного разбирательства профессора признали родоначальником электронной вычислительной техники.

 Электронные лампы

 В 1883 г. Томас Альва Эдисон, пытаясь продлить срок службы лампы с угольной нитью, ввёл в её вакуумный баллон платиновый электрод и положительное напряжение, то в вакууме между электродом и нитью протекает ток. Не найдя никакого объяснения столь необычному явлению, Эдисон ограничивается тем, что подробно описал его, на всякий случай взял патент и отправил лампу на Филадельфийскую выставку. О ней в декабре 1884 г. в журнале ’’Инженеринг’’ была заметка ’’ Явление в лампочке Эдисона’’. Американский изобретатель не распознал открытия исключительной важности (по сути, это было его единственное фундаментальное открытие - термоэлектронная эмиссия). Он не понял, что его лампа накаливания с платиновым электродом по существу была первой в мире электронной лампой.

 Первым, кому пришла в голову мысль о практическом использовании ’’ эффекта Эдисона ’’ был английский физик Дж.А.Флеминг (1849 - 1945). Работая с 1882 г. консультантом эдисоновской компании в Лондоне, он узнал о ’’ явлении ’’ из первых уст - от самого Эдисона. Свой диод - двухэлектродную лампу Флейминг создал в 1904 г.

 В октябре 1906 г. американский инженер Ли де Форест изобрёл электронную лампу - усилитель, или аудион, как он её тогда назвал, имевший третий электрод - сетку. Им был введён принцип, на основе которого строились все дальнейшие электронные лампы, - управление током, протекающим между анодом и катодом, с помощью других вспомогательных элементов.

  В 1910 г. немецкий инженеры Либен, Рейнс и Штраус сконструировали триод, сетка в котором выполнялась в форме перфорированного листа алюминия и помещалась в центре баллона, а чтобы увеличить эмиссионный ток, они предложили покрыть нить накала слоем окиси бария или кальция.

 Дальнейшее развитие электронных ламп, улучшение их характеристик и функциональных возможностей привело к созданию на их основе совершенно новых электронных приборов.

 ЭНИАК

 Начиная с 1943г. группа специалистов под руководством Г.Эйкен (Ho­ward H.Aiken), Д.Моучли и П.Эккерта (J.Mauchly and P.Eckert) в США начала конструировать подобную машину на основе электронных ламп, а не реле. Эта машина была названа ENIAC (Electronic Numeral Integrator And Computer) и работала она в тысячу раз быстрее, чем "Марк-1". Он содержал 18 тысяч вакуумных ламп, занимал площадь 9´15 метров, весил 30 тонн и потреблял мощность 150 киловатт. ENIAC имел и существенный недостаток - управление им осуществлялось с помощью коммутационной панели, у него отсутствовала память, и для того чтобы задать программу приходилось в течение нескольких часов или даже дней подсоединять нужным образом провода. Кроме того, подлинным бичом была ужасающая ненадежность компьютера, так как за день работы успевало выйти из строя около десятка вакуумных ламп.

 Чтобы упростить процесс задания программ, Моучли и Эккерт стали конструировать новую машину, которая могла бы хранить программу в своей памяти. В 1945г. к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман (J. von Neumann), который подготовил доклад об этой машине. В этом докладе фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, т.е. компьютеров. Это первая действующая машина, построенная на вакуумных лампах, официально была введена в эксплуатацию 15 февраля 1946 года. Эту машину пытались использовать для решения некоторых задач, подготовленных фон Нейманом и связанных с проектом атомной бомбы. Затем она была перевезена на Абердинский полигон, где работала до 1955 года.

 ENIAC стал первым представителем первого поколения компьютеров. Любая классификация условна, но большинство специалистов согласилось с тем, что различать поколения следует исходя из той элементной базы, на основе которой строятся машины. Таким образом, первое поколение представляется ламповыми машинами.

 Нейман

 Необходимо отметить огромную роль американского математика фон Неймана в становлении техники первого поколения. Нужно было осмыслить сильные и слабые стороны ENIAC и дать рекомендации для последующих разработок. В отчете фон Неймана и его коллег Г.Голдстайна и А.Беркса (июнь 1946 года) были четко сформулированы требования к структуре компьютеров. Отметим важнейшие из них:

* машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления;

* программа, как и исходные данные, должна размещаться в памяти машины;

* программа, как и числа, должна записываться в двоичном коде;

* трудности физической реализации запоминающего устройства, быстродействие которого соответствует скорости работы логических схем, требуют иерархической организации памяти (то есть выделения оперативной, промежуточной и долговременной памяти);

* арифметическое устройство (процессор) конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения; создание специальных устройств для выполнения других арифметических и иных операций нецелесообразно;

* в машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над числами производятся одновременно по всем разрядам).

Страницы: 1, 2