Приспособления и устройства, предназначенные для вычислений Механизмы для автоматической работы по заданной программе компьютер

Стремительное развитие цифровой вычислительной техники (ВТ) и становление науки о принципах ее построения и проектирования началось в 40-х годах 20 века, когда технической базой ВТ стала электроника, затем микроэлектроника, До этого времени в течение почти 500 лет цифровая вычислительная техника сводилась к простейшим устройствам для выполнения арифметических операций над числами. Основой практически всех изобретенных за 5 столетий устройств было зубчатое колесо, рассчитанное на фиксацию 10 цифр десятичной системы счисления. Ну а еще раньше люди догадались для счета применять различные физические объекты, как-то камешки, ракушки. Причем эти древние люди были догадливы настолько, что смогли определить для объектов разных размеров свой "вес" - то есть считали одну большую ракушку как две маленьких.

Самым древним инструментом счета, который сама природа предоставила человеку, была его собственная рука. Не случайно в древнерусской нумерации первые десять цифр назывались «перстами», то есть пальцами Задолго до появления первых счетных устройств люди изыскивали различные возможности для проведения вычислений.

Когда перестало хватать пальцев, для счета использовались камешки, ракушки и т.п., которые складывались в кучки или располагались в ряд. Число предметов фиксировалось с помощью черточек, которые проводились по земле, зарубок, которые делались на палках, и узелков, которые завязывались на веревке

Около 30 тыс. лет до н.э. обнаружена так называемая «вестницкая кость» с зарубками. Это позволяет историкам предположить, что уже тогда наши предки были знакомы с зачатками счета.

Маленький узелок обозначал число один, большой - число пять. Узелки могли быть двойными (узелок на узелке), тройными или даже четверными. А чтобы не забыть, что именно считали на квипу, верёвку красили. Например, на красных верёвках считали мешки с зерном, а на синих – баранов.

На деревянные палочки (бирки) наносились зарубки. Бирка раскалывалась на две части так, чтобы раскол шел по зарубкам. Одну половину брал должник, а другую тот, кто давал в долг. Когда приходило время платежа, люди встречались и складывали обе половинки.

И так продолжалось долгие 2000 лет. К тому времени стали зарождаться древние цивилизации, прогресс шел вперед С увеличением объема вычислений начался поиска способа выполнять их с помощью какого-нибудь инструмента

И появляются счеты, имеющие у разных народов свои разновидности

В V – IV вв. до н.э. созданы древнейшие из известных счётов – «саламинская доска» (по имени острова Саламин в Эгейском море), которая у греков и в Западной Европе назывались «абак». абак - пластинка с вертикально прорезанными желобками, в которых передвигались камушки. Нижние для счета единиц - верхние - пятков Когда в вертикальной колонке было 5 камушков, их можно было убрать и положить 1 камушек в отделение, где один камушек обозначает пять и т.д.

Древнегреческий абак или "саламинская доска" представлял собой посыпанную морским песком дощечку. На песке проходились бороздки, на которых камешками обозначались числа. Одна бороздка соответствовала единицам, другая - десяткам и т.д. Если в какой-то бороздке при счете набиралось более 10 камешков, их снимали и добавляли один камешек в следующем разряде. Римляне усовершенствовали абак, перейдя от деревянных досок, песка и камешков к доскам с выточенными желобками и мраморными шариками

В древнем Риме абак назывался «калкули - calculi или abaculi»* (голыш, галька) и изготовлялся из бронзы, камня, слоновой кости и цветного стекла. * калькулятор - древнее римское слово, обозначающее название счетных камешков

. У китайцев в основе счета лежала не десятка, а пятерка, рамка китайских счетов суань-пань имеет более сложную форму. В суань-пане кроме параллельных горизонтальных прутиков с бусинками, есть еще перпендикулярная им линейка, которая делит все устройство на две неравные части: в первой части на каждом ряду располагаются по 5 косточек – сколько пальцев на руках, во второй части - по две. Во время работы суан-пань кладется длинной стороной к считающему, а бусинки сдвигаются к центру. Для того чтобы выставить на этих счетах число 6, ставили сначала косточку, соответствующую пятерке, и затем прибавляли одну в разряд единиц. Китайская разновидность абака - суаньпань – появилась в VI веке н.э. и представляла бусинки, нанизанные на прутики

Японский абак - соробан - происходит от китайского, но проще своего предшественника - в большом отделении не пять, а четыре бусинки.

Примерно с XV века получил распространение "дощаный счет", завезенный, видимо, западными купцами, который представлял собой два складывающихся ящика. Каждый ящик разгораживался надвое (позже только внизу); Второй ящик был необходим ввиду особенностей денежного счёта. Внутри ящика на натянутые шнуры или проволоку нанизывались кости На Руси долгое время считали по косточкам, раскладываемым в кучки.. В соответствии с десятичной системой счисления ряды для целых чисел имели по 9 или 10 костей; операции с дробями производились на неполных рядах: ряд из трёх костей составлял три трети, ряд из четырёх костей четыре четверти. Ниже располагались ряды, в которых было по одной кости: каждая кость представляла половину от той дроби, под которой она располагалась (например кость расположенная под рядом из трех костей, составляла половину от одной трети, кость под ней половину от половины одной трети, и т. д.).

В конце XVII века, в связи с переходом к арабским цифрам, счёты утратили ряды для дробей, а в начале XVIII века лишились второго ящика и приобрели свой современный вид (сохранившийся в счётах один неполный ряд, обычно из четырёх костей, отделяет два ряда для десятых и сотых единицы, а также иногда служит для счёта четвертей и половинок). Русские счеты широко использовались при начальном обучении арифметики как в России, так и за ее пределами.

Счеты использовались для расчетов почти до конца XX века

Часы с боем, шарманка, музыкальная шкатулка. Все эти предметы объединяет одно – они работают по программе! Это особенно удивительно, если вспомнить, что во время их создания о программировании никто еще не догадывался.

В часах с боем «программа» представляет собой специальное колесо, запускающее в определенное время ударный механизм, отбивающий число часов.

В шарманке и музыкальных шкатулках «программа» записана в виде штырьков, расположенных на валу. При вращении вала штырьки задевают пластинки, звучание которых сливается в стройную мелодию.

На протяжении сотен лет устройства, создававшиеся для вычислений были так же просты как счеты. Однако, в начале 17 века, когда математика стала играть ключевую роль в науке, специалисты в области физики и астрономии столкнулись с необходимостью проведения сложных вычислений. Потребность в более совершенных вычислительных инструментах становилась все более очевидной

Шотландец Джон Непер изобрёл логарифмы. Непер опубликовал трактат «Счёт с помощью палочек».

– Вильгельм Шиккард в письмах к И.Кеплеру описал устройство «часов для счёта», в которых было реализовано сложение и вычитание, умножение и деление. В основе конструкции – «палочки Непера», свёрнутые в цилиндр.

Вскоре после этого Р.Биссакар создал логарифмическую линейку.

Выдающийся французский ученый Блез Паскаль создал Первую механическую счетную машину.

Это было счетное устройство, созданное для того, чтобы облегчить труд своего отца - налогового инспектора, которому приходилось производить немало сложных вычислений.. Отец и сын вложили в создание своего устройства большие деньги, но против счетного устройства Паскаля выступили клерки - они боялись потерять из-за него работу, а также работодатели, считавшие, что лучше нанять дешевых счетоводов, чем покупать дорогую машину.

Это машина умела выполнять сложение. В отличие от известных ранее счетных инструментов типа абака в арифметической машине Паскаля вместо предметного представления чисел – камешков, использовалось колесо, которое насаживалось на ось, угол поворота колеса соответствовал разным числам. Сложению чисел соответствовало сложение пропорциональных им углов. В машине существовал механизм переноса из младшего разряда в старший. Механизм переноса действует только при одном направлении вращения счетных колес и не допускает вычисления операции вычитания вращением в обратную сторону. Паскаль заменил эту операцию операцией сложения с десятичным дополнением.

немецкий ученый Готфрид Вильгельм Лейбниц создал свою счетную машину, которая позволяла не только складывать и вычитать, но и умножать и делить числа. Эта машина стала прототипом будущих арифмометров.

Лейбниц предложил использовать цилиндр, на боковой поверхности которого параллельно образующей расположено 9 ступенек различной длины. Этот цилиндр впоследствии получил название «ступенчатого валика». На принципе ступенчатого валика был построен арифмометр.

В 1804 г. французский изобретатель Жозеф Мари Жаккар создал станок для выработки узорчатых тканей со сложными узорами. Для управления нитями применялись специальные карты с отверстиями (перфокарты), каждая из которых управляла одним ходом челнока.

Способ заключался в использовании специальных карточек с просверленными в нужных местах (в зависимости от узора, который предполагалось нанести на ткань) отверстиями. Таким образом он сконструировал прядильную машину, работу которой можно было программировать с помощью специальных карт. Работа станка программировалась при помощи целой колоды перфокарт, каждая из которых управляла одним ходом челнока. Переходя к новому рисунку, оператор просто заменял одну колоду перфокарт другой. Создание ткацкого станка, управляемого картами с пробитыми на них отверстиями и соединенные друг с другом в виде ленты, относится к одному из ключевых открытий, обусловивших дальнейшее развитие вычислительной техники.

Первая механическая машина, нашедшая широкое применение, - арифмометр. Арифмометр был изобретен К.Томасом ( ), уроженцем городка Кольмар в Эльзасе. Эта машина основана на принципе ступенчатого валика, предложенного Лейбницем. Получив патент на изобретение Томас организовал промышленное производство своих машин. Впоследствии арифмометр был усовершенствован многими изобретателями.

Английский ученый Чарльз Бэббидж изобрел разностную машину, которая отличалась от предшествовавших тем, что в процессе вычислений не требовала вмешательства человека. Она представляла собой специализированное вычислительное устройство с фиксированной программой действий, она могла делать только одно действие – сложение. Разностная машина, сконструированная по записям Бэббиджа через 100 лет после его смерти

Следующим этапом было изобретение аналитической машины – прообраза современных компьютеров,, в которую входили: устройства ввода и вывода информации, запоминающее устройство для хранения чисел, устройство, способное выполнять арифметические операции, устройство, управляющее последовательностью действий машины. Команды вводились с помощью перфокарт. Проект не был реализован.

Вместе с ним работала Августа Ада Лавлейс - которая создала для машины программное математическое обеспечение. Работа леди Лавлейс посвящены в основном математическим вопросам, заложившим основы современного программирования, базирующегося на ее идеях и принципах.

Аналитическую машину Бэббиджа построили энтузиасты из Лондонского музея науки. Она состоит из четырех тысяч железных, бронзовых и стальных деталей и весит три тонны. Правда, пользоваться ею очень тяжело - при каждом вычислении приходится несколько сотен (а то и тысяч) раз крутить ручку автомата.Числа записываются (набираются) на дисках, расположенных по вертикали и установленных в положения от 0 до 9. Двигатель приводится в действие последовательностью перфокарт, содержащих инструкции (программу).

В 1867 году американский издатель и политик Кристофер Шоулз ( ) вместе со своим другом Карлом Глидденом изобрели счетую машинку, которую затем преобразовали в пишущую. Шоулз создал около 30 машинок и разработал клавиатуру, аналогичную современной (с раскладкой QWERTY). Кстати, клавишу Shift добавили только в 1878 году, до того заглавные буквы располагались на клавиатуре отдельно.

Изобретатель Ф.Болдуин (Baldwin) предложил использовать для счетного устройства колесо с переменным числом зубцов. Позже Ф.Болдуин получил в Вашингтоне патент на свое изобретение.

1878 г. Русский математик и механик П.Л. Чебышев создает суммирующий аппрат с непрерывной передачей десятков, а в 1881 году - приставку к нему для умножения и деления

1880 г. В.Т. Однер создает в России арифмометр Главная особенность детища Однера заключается в применении зубчатых колес с переменным числом зубцов (это колесо носит имя Однера) вместо ступенчатых валиков Лейбница. Оно проще валика конструктивно и имеет меньшие размеры

Феликс Предприятие Однера по производству арифмометров после его смерти перешло его наследникам и просуществовало до 1917 г. В первой четверти 20-го века счетные аппараты Однера под разными названиями выпускались во всем мире. В 1927 г.и нженеры завода им. Дзержинского выпустили в честь десятилетия советской власти первый социалистический арифмометр - "Феликс

До 70-х годов 20 века железный "Феликс" успешно служил социалистическому учету, лишь изредка требуя смазки. (последним их делал курский завод "Счетмаш"). На нем можно было производитьь все четыре арифметических действия. Вдобавок имелся автоматический контроль: звоночек предупреждал: " на ноль делить нельзя!

Механические арифмометры "жили" более 100 лет.

гг Начало 20 века Монроис на выставке до 1952 года Рекорд гг. Зомтрон Германия до гг. Арифмометр Томаса 1871 г. Париж

Схема арифмометра Арифмометр «Рекорд» Россия гг 1 ступенчатый валик 2 счетная шестеренка 3 квадратная ось 4 шкала 5 цифровой диск 6 установочная вилка 7 ведущий вал 8 коническая передача 9 муфта переключения

Пробил звездный час арифмометров и в Америке.

Бурное развитие механических калькуляторов привело к тому, что к 1890 году добавился ряд полезных функций: запоминание промежуточных результатов с использованием их в последующих операциях, печать результата и т.п.

В 1884 году американец Герман Холлерит взял патент на "машину для переписи населения". Изобретение включало перфокарту, два вида перфораторов и сортировальную машину. Идея возникла в тот момент, когда Холлерит обратил внимание на железнодорожного кондуктора, который с помощью ручного компостера заносил в какой-то бланк сведения о пассажирах. Она состояла в том, чтобы представить подлежащие обработке данные отверстиями в фиксированных местах перфокарты и затем либо подсчитать отверстия на всех перфокартах, либо рассортировать перфокарты по тому же принципу. Перфокартные машины сокращали время обработки данных в 4 раза. ручной перфоратор Холлерита

Перфокарта Холлерита оказалась настолько удачной, что без малейших изменений просуществовала очень долго.

Джордж Буль разработал систему логики, которая впоследствии была названа его именем и легла в основу современных вычислений.

1888 г. Герман Холлерит создает особое устройство табулятор, в котором информация нанесенная на перфокарты, расшифровывались электрическим током.Табулятор использовался для обработки результатов переписи населения в США 1890 года, данные вводились с помощью перфокарт. И таким образом статистики умудряются пересчитать 62 млн. человек.

Памятник перфокарте

Перфоратор, с помощью которого готовились перфокарты

Английский математик Алан Тьюринг и независимо от него Э.Пост выдвинули и разработали концепцию абстрактной вычислительной машины. Они доказали принципиальную возможность решения автоматами любой проблемы при условии возможности её алгоритмизации 1936 год Алан Тьюринг

Английский математик Алан Тьюринг и независимо от него Э.Пост выдвинули и разработали концепцию абстрактной вычислительной машины. Они доказали принципиальную возможность решения автоматами любой проблемы при условии возможности её алгоритмизации 1936 год Алан Тьюринг

К началу 40 -х годов 20 века потребность в автоматизации вычислений (в том числе и для военных нужд) была настолько велика, что над созданием вычислительных машин трудились целые группы исследователей

Идеи Бэббиджа были переоткрыты. Немецкий инженер Конрад Цузе построил первую механическую вычислительную машину год

Американец болгарского происхождения профессор физики Джон Атанасофф создал прототип вычислительной машины на базе двоичных элементов 1939 год

Конрад Цузе сконструировал первый универсальный компьютер на электромеханических элементах. Он работал с двоичными числами и использовал представление чисел с плавающей запятой 1941 год

Машина Цузе

Под руководством американского математика Говарда Айкена создана автоматическая вычислительная машина "Марк1" с программным управлением.. Она была построена на электромеханических реле, а программа обработки данных вводилась с перфоленты

Появление электронно-вакуумной лампы позволило ученым претворить в жизнь идею создания электронной вычислительной машины (ЭВМ)

сконструировали первую электронную цифровую вычислительную машину "Эниак " (Electronic Numerical Integrator and Computer). Машина имела 20 тысяч электронных ламп и 1,5 тысячи реле. Она работала в тысячу раз быстрее, чем "Марк1", выполняя за одну секунду 300 умножений или 5000 сложений. Однако для задания программы приходилось несколько дней соединять должным образом провода Американцы Дж. Эккерт и Дж. Моучли Электронная лампа Эниак

Джон фон Нейман на основе критического анализа конструкции ENIAC предложил ряд новых идей организации ЭВМ, в том числе концепцию хранимой программы, т.е. хранения программы в запоминающем устройстве. В отчёте "Предварительный доклад о машине Эдвак" сформулировал основные принципы работы и компоненты современных компьютеров. В результате реализации идей фон Неймана была создана архитектура ЭВМ, во многих чертах сохранившаяся до настоящего времени.

В Киеве построен первый в континентальной Европе компьютер МЭСМ (малая электронная счетная машина), имеющий 600 электронных ламп. Создатель С.А. Лебедев.

Благодаря деятельности российских ученых С.А. Лебедева, М.В. Келдыша, М.А. Лаврентьева, И.С. Брука, М.А. Карцева, Б.И. Рамеева, В.С. Антонова, А.Н. Невского, Б.И. Буркова и руководимых ими коллективов Советский Союз вырвался в число лидеров вычислительной техники, что позволило в короткие сроки решить важные научно- технические задачи овладения ядерной энергией и исследования Космоса.

Под руководством С.А. Лебедева в Москве построен компьютер БЭСМ1 (большая электронная счетная машина) на то время самая производительная машина в Европе и одна из лучших в мире.

Заложен фундамент теории программирования (А.А. Ляпунов, Ю.И. Янов, А.А. Марков, Л.А. Калужин) и численных методов (В.М. Глушков, А.А. Самарский, А.Н. Тихонов). Моделируются схемы механизма мышления и процессов генетики, алгоритмы диагностики медицинских заболеваний (А.А. Ляпунов, Б.В. Гнеденко, Н.М. Амосов, А.Г. Ивахненко, В.А. Ковалевский и др.).

Особенности Быстро- действие Програм. Обеспеч. Применение примеры В качестве УУ использовался инженерный пульт. Для ввода данных использовались перфоленты. Для вывода ТБПМ –Типовой Быстро Печатающий Механизм, печатающий на узком рулоне бумаге неформатированные числа. ( вместо числа 6). Была реализована концепция хранимой программы тыс. опер/сек Машин- ные языки Расчетные задачи ENIAC (США) МЭСМ (СССР) БЭСМ 1, конец 50-х 20 века. Элементная база - электронные лампы

В американской фирме Bell Laboratories физики Уильям Шокли, Уолтер Браттейн и Джон Бардин создали транзистор. За это достижение им была присуждена Нобелевская премия. Джон Бардин Уолтер Браттейн Уильям Шокли

транзисторы

Платы с полупроводниковыми элементами (ячейки памяти) – элементная база компьютеров 2-го поколения Платы с интегральными схемами – элементная база компьютеров 3-го и 4-го поколений

Норберт Винер (Norbert Wiener) опубликовал книгу "Кибернетика", оказавшую влияние на все последующие исследования в области искусственного интелекта.

Американской фирмой NCR создана первая ЭВМ на транзисторах

1963 г. – создана первая мышка.

Под руководством С.А. Лебедева организован крупно- серийный выпуск шедевра отечественной вычислительной техники БЭСМ6, самой быстродействующей машины в мире. За ним последовал "Эльбрус" ЭВМ нового типа, производительностью 10 млн. опер./с.

Особенности Быстро - действи е Програм. Обеспеч. Применение примеры Для ввода наряду с перфолентами использовались перфокарты. ЭВМ стали более надежными, быстродействие их повысилось, потребление энергии уменьшилось. Применение памяти на магнитных сердечниках, магнитные ленты. Для вывода АЦПУ –алфавитно- цифровое печатающее устройство (печать на рулонной бумаге- форматированнй текст прописными буквами и строками равной длины – 128 символов.) тыс. опер/сек Алгоритм ические языки пакетный режим Инженерные, научные, экономи-ческие задачи Минск-2, Минск 22, Минск-32. IBM 701 конец 50-х - середина 60-х 20 века. Элементная база - транзисторы

Джек Килби из фирмы Texas Instruments создал первую интегральную схему. интегральную схему 1958 г

Начат выпуск семейства машин третьего поколения IBM/360. третьего поколения

Особенности Быстро - действи е Програм. Обеспеч. Применение примеры Появилась идея, которая и была реализована, проектирования семейства компьютеров с одной и той же архитектурой, в основу которой положено главным образом программное обеспечение. В качестве средства общения с ЭВМ - дисплеи Режим разделения времени 1 млн. опер/сек Операцио нные системы (управлен ие памятью, устройств ами ввода- вывода и другими ресурсами ), Научно- технические задачи, образование IBM 360 (США) ЕС 1030, 1060 (СССР середина 60-х - конец 70-х 20 века. Элементная база - интегральне микросхемы

Особенности Быстро - действи е Програм. Обеспеч. Применение примеры От десятко в млн. до млрд.оп ер/сек Операцио нные системы (управлен ие памятью, устройств ами ввода- вывода и другими ресурсами ), Супер- компьютеры (многопроцес- сорная архитектура и использование принципа параллелизма, мини и микроЭВМ, персональные компьютеры конец 70-х 20 века по настоящее время Элементная база - БИС

Использование при создании компьютеров больших интегральных схем (БИС компонентов на кристал) и сверхбольших интегральных схем (СБИС компонентов на кристал). Началом данного поколения считают 1975 год - фирма Amdahl Corp. выпустила шесть компьютеров AMDAHL 470 V/6, в которых были применены БИС в качестве элементной базы. Стали использоваться быстродействующие системы памяти на интегральных схемах - МОП ЗУПВ емкостью в несколько мегабайт. В случае выключения машины данные, содержащиеся в МОП ЗУПВ, сохраняются путем автоматического переноса на диск. При включении машины запуск системы осуществляется при помощи хранимой в ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) программы самозагрузки, обеспечивающей выгрузку операционной системы и резидентного программного обеспечения в МОП ЗУПВ. В середине 70-х появились первые персональные компьютеры.

Основана фирма Intel, впоследствии ставшая признанным лидером в области производства микропроцессоров и других компьютерных интегральных схем

Эдвард Хофф разработал микропроцессор Intel4004, состоящий из 2250 транзисторов, размещённых в кристалле размером не больше шляпки гвоздя. Этот микропроцессор стал поистине революционным изобретением, открывшем путь к созданию искусственных интеллектуальных систем вообще и персонального компьютера в частности

Фирма IBM (International Business Machines Corporation) сконструировала первый жёсткий диск типа "винчестер"."винчестер".

Фирма Intel разработала первый универсальный восьмиразрядный микропроцессор 8080 с 4500 транзисторами. Эдвард Робертс, молодой офицер ВВС США, инженер- электронщик, построил на базе процессора 8080 микрокомпьютер Альтаир, имевший огромный коммерческий успех, продававшийся по почте и широко использовавшийся для домашнего применения. Компьютер назван по именю звезды, к которой был запущен межпланетный корабль "Энтерпрайз" из телесериала "Космическая одиссея".

Студенты Стив Возняк и Стив Джобс, реализовали компьютер Apple1, положив начало корпорации Apple. Аpple -1

Стив Джобс и Стив Возняк – середина 70-х годов

Стив Джобс –глава Apple Стив Возняк

Фирма Intel выпустила микропроцессор 8086.

Фирма Intel выпустила микропроцессор Корпорация IBM приобрела крупную партию этих процессоров для вновь образованного подразделения по разработке и производству персональных компьютеров

Фирма IBM выпустила первый персональный компьютер IBM PC на базе микропроцессора Фраза года: "Любому должно хватить 640 Кбайт". Билл Гейтс, 1981.

Фирма Intel выпустила микропроцессор 80286, содержащий транзисторов и способный выполнять любые программы, написанные для его предшественников. С тех пор такая программная совместимость остается отличительным признаком семейства микропроцессоров Intel.