Эволюция средств вычислительной техники

Современным компьютерам предшествовали механические и электромеханические устройства. В 1642 году французский математик и философ Блез Паскаль в возрасте 18 лет сконструировал суммирующую машину. Машина Паскаля состояла из восьми движущихся дисков с прорезями и могла суммировать числа до восьми знаков. Для своей машины Паскаль использовал десятичную систему исчисления. Например, если первый диск смещался на десять прорезей, что составляло его полный оборот, он перемещал следующий диск на одну позицию и, таким образом, увеличивал количество десятков на один. Когда диск, представляющий десятки, делал полный оборот, он смещал следующий диск, увеличивая количество сотен, и т. д.

Известны и более ранние попытки создания механических суммирующих машин. Описание суммирующей машины, напоминающей по характеристикам машину Паскаля, в 1967 году было обнаружено в записках, принадлежащих Леонардо да Винчи. Подобное устройство также было описано в 1623 году Вильгельмом Шикардом. До наших дней дошли только чертежи Шикарда, обнаруженные в 1956 году. В 1694 году немецкий математик и философ Готфрид Вильгельм Лейбниц, используя чертежи и рисунки Паскаля, улучшил машину Паскаля, добавив возможность перемножать числа. Вместо обычных шестеренок Лейбниц использовал пошаговый барабан.

Однако широкое распространение вычислительные аппараты получили только в 1820 году, когда француз Чарльз Калмар изобрел машину, которая могла производить четыре основных арифметических действия. Машину Калмара назвали арифмометр. Благодаря своей универсальности, арифмометры использовались довольно длительное время. Многие ученые и изобретатели совершенствовали эти устройства. Так, швед, живший в России, Вильгодт Однер в 1880 году создал арифмометр, в котором использовалось переменное число зубцов. Позднее на основе арифмометра Однера был создан арифмометр «Феликс», выпускавшийся в СССР вплоть до 70-х годов.

Начало эры компьютеров в том виде, в котором они существуют сейчас, связано с именем английского математика Чарльза Бэббиджа, который в 30-х годах XIX века предложил идею вычислительной машины, осуществленную лишь в середине XX века. Бэббидж обратил внимание на то, что машина может без ошибок выполнять вычисление больших математических таблиц посредством простого повторения шагов. Работая над этой проблемой, в 1822 году Бэббидж предложил проект машины для решения дифференциальных уравнений. Для повторения операций в машине Бэббиджа должна была использоваться энергия пара. Таким образом, процесс вычислений действительно был автоматизирован, то есть проходил без участия человека. В дальнейшем Бэббидж решил создать модель универсальной вычислительной машины, способной выполнять широкий круг задач. Он назвал ее аналитической машиной.

У аналитической машины Бэббиджа были все основные черты современного компьютера. Состоящая более чем из 50 000 компонентов аналитическая машина включала устройство ввода информации, блок управления, запоминающее устройство и устройство вывода результатов. Аналитическая машина могла выполнять определенный набор инструкций, которые записывались на перфокартах. Перфокарты представляли собой прямоугольные карточки из картона. Каждой инструкции аналитической машины соответствовала определенная последовательность дырочек, которые пробивались на перфокартах, а затем с помощью устройства ввода поступали в блок управления. Хотя аналитическая машина в том виде, в котором ее задумывал Бэббидж, так и не была создана, идеи, заложенные Бэббиджем, оказали огромное влияние на развитие вычислительной техники. Автоматизация вычислений, универсальность вычислительной машины, набор внутренних инструкций, общая конструктивная схема, организация ввода и вывода информации — все эти элементы впоследствии были использованы при создании компьютера.

В 1889 году американский изобретатель Герман Холлерит сконструировал перфокарточное устройство для решения статистических задач. В отличие от идеи Бэббиджа, хранить на перфокартах инструкции, Холлерит использовал перфокарты для хранения данных. Кроме того, для работы перфокарточного устройства использовалось электричество. Цифры на перфокарте изображались одинарными отверстиями, а буквы алфавита — двойными. Специальный электрический прибор опознавал отверстия на перфокартах и посылал сигналы в обрабатывающее устройство. Вычислительная машина Холлерита оказалась по тем временам очень быстрым устройством обработки данных, а перфокарты — удобным способом хранения данных. Машина Холлерита была использована для обработки результатов переписи населения США. Обработка результатов предыдущей переписи 1880 года заняла около 10 лет. За это время успело вырасти новое поколение американцев. С помощью машины Холлерита те же данные были обработаны всего за шесть недель. В 1896 году Холлерит основал компанию по производству перфорирующих устройств — Tabulating Machine Company, которая в 1924 году пос-5серии слияний и поглощений превратилась в знаменитую компанию по производству компьютеров — IBM (International Business Machines).

Кроме механических и электромеханических вычислительных машин появились также аналоговые вычислительные машины, в которых обработка информации происходила с помощью специально подобранного физического процесса, моделирующего вычисляемую закономерность. Простейшей аналоговой вычислительной машиной являются часы. Первыми аналоговыми машинами были устройства, в которых главными элементами были интегрирующие и дифференцирующие устройства, позволяющие мгновенно вычислять интеграл и производную заданной функции, отслеживая ее изменение во времени.

Полезным свойством аналоговой вычислительной машины является практически мгновенное получение решения после задания необходимых параметров задачи установления моделирующего физического процесса. Однако круг задач, которые может решать аналоговая машина, ограничен теми физическими процессами, которые она в состоянии моделировать. Кроме того, точность решения аналоговой машины часто недостаточна для определенного круга задач, а повышение точности связано со значительным ростом стоимости вычислений.

С другой стороны, механические и электромеханические вычислительные машины, предназначенные для решения сложных задач, требуют наличия огромного количества элементов для представления чисел и связей между ними, что существенно усложняет их работу.

Решая эту проблему, американцы Джон Атанасов и Клиффорд Берри в 1940 году разработали модель полностью электронного компьютера, использующего единую истому представления чисел и связей между ними — булеву алгебру. Их подход базировался на работах английского математика XIX века Джорджа Буля, посвященных аппарату символической логики. В основе булевой алгебры лежит интерпретация элементов булевой алгебры как высказываний, принимающих значение «истина» или «ложь». Атанасов и Берри применили эту концепцию для электронных устройств. Истине соответствовало прохождение электрического тока, а лжи — его отсутствие. Для представления чисел Атанасов и Берри предложили использовать двоичную систему исчисления.

В 1936 году английский математик Алан Тьюринг опубликовал работу «О вычислимых числах», заложив теоретические основы теории алгоритмов. Концепция Тьюринга возникла в результате проведенного им анализа действий человека, выполняющего в соответствии с заранее разработанным планом те или иные вычисления, то есть последовательные преобразования знаковых комплексов. Анализ этот, в свою очередь, был осуществлен им с целью решения проблемы поиска точного математического эквивалента для общего интуитивного представления об алгоритме. Работа Тьюринга стимулировала возникновение абстрактной теории автоматов и во многом определила ее особенности.

В своей работе Тьюринг описал абстрактную вычислительную машину, которая получила название машины Тьюринга. Машина Тьюринга представляет собой автоматическое устройство, способное находиться в конечном числе внутренних состояний и снабженное бесконечной внешней памятью — лентой. Среди состояний выделяются два — начальное и конечное. Лента разделена на клетки. В каждую клетку может быть записана любая из букв некоторого алфавита. В пустую клетку записана «пустая буква». В каждый момент времени машина Тьюринга находится в одном из своих состояний и, рассматривая одну из клеток ленты, воспринимает записанный в ней символ.

В неконечном состоянии машина Тьюринга совершает шаг, который определяется ее текущим состоянием и символом на ленте, воспринимаемым в данный момент. Шаг машины Тьюринга заключается в следующем:

• 1. В рассматриваемой клетке записывается символ, совпадающий со старым, или пустой.
• 2. Машина переходит в новое состояние, совпадающее со старым, или конечное.
• 3. Лента сдвигается на одну клетку или остается на месте.

Перечисление всех возможных шагов машины Тьюринга, в зависимости от текущей комбинации неконечного состояния и воспринимаемого символа называется программой данной машины Тьюринга. Конфигурация машины Тьюринга определяется конкретным заполнением клеток ленты символами и внутренним состоянием, в котором машина находится. Если зафиксировать какую-либо неоконечную конфигурацию машины в качестве исходной, то работа машины будет заключаться в последовательном преобразовании исходной конфигурации в соответствии с программой машины до тех пор, пока не будет достигнуто конечное состояние.

Тьюринг не преследовал цели изобрести компьютер. Тем не менее, описанная им абстрактная машина определила некоторые характеристики современных компьютеров. Так, например, бесконечная лента является аналогом оперативной памяти современного компьютера. Впервые подобная модель памяти была использована в компьютере Атанасова и Берри.