Параллельное развитие аналоговой и цифровой вычислительной техники

Министерство образования и науки РФ Старооскольский технологический институт им. А. А. Угарова (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Кафедра гуманитарных наук РЕФЕРАТ на тему «ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ АНАЛОГОВОЙ И ЦИФРОВОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ»

по специальности 05.13.06 — «Автоматизация технологических процессов и производств»

(Философские проблемы информатики) Выполнил:

аспирант кафедры

«Автоматизированных и информационных систем управления»

Сарый Оскол,

• Содержание
• Введение
• 1. Цифровая вычислительная техника
• 1.1 Домеханический период
• 1.2 Механический период
• 1.2.1 Машина Леонардо да Винчи
• 1.2.2 Машина Шаккарда
• 1.2.3 Суммирующая машина Б. Паскаля
• 1.2.4 Счетная машина Г. В. Лейбница
• 1.2.5 Арифмометр К. Томаса
• 1.2.6 Арифмометр В. Однера
• 1.2.7 Арифмометр Гамана
• 1.2.8 Перфокарты Ж. Жаккара и схема вычислений Г. Прони
• 1.2.9 Машины Ч. Бэббиджа
• 1.2.9.1 Разностная машина
• 1.2.9.2 Аналитическая машина
• 1.3 Электромеханический период
• 1.3.1 Табулятор Г. Холлерита
• 1.3.2 «Изобретатель компьютера» К. Цузе
• 1.3.3 Машины Дж. Стибица
• 1.3.4 Машины Г. Эйкена
• 1.3.5 РВМ-1 — последний крупный проект в области релейной вычислительной техники
• 1.4 Электронный период
• 2. Аналоговая вычислительная техника
• 2.1 Логарифмическая шкала, логарифмическая линейка
• 2.2 Графики, номограммы, планиметр
• 2.3 Изобретения А. Н. Крылова
• 2.4 Изобретения электромеханического периода
• 2.5 Изобретения советской научной школы
• Заключение
• Список используемой литературы:

Вычислительная техника сегодня является важнейшим компонентом процесса вычислений и обработки данных. Основой современной научно-технической революции является бурное развитие средств обработки информации, широко используемых во всех областях научной и производственной деятельности. В настоящее время вычислительная техника располагает различными средствами и почти неограниченными возможностями для выполнения работ, связанных с логической обработкой информации и вычислениями. Современному человеку трудно представить практически любую свою деятельность, требующую рутинной работы, без использования компьютерных средств, выполняющих миллионы операций в секунду. Сегодня с каждым днем наблюдается тенденция к автоматизации, т. е. минимизации участия человека в вычислительном процессе. За всем этим трудно представить, что человечество в самых первых упоминаниях о потребности «в счете» обходилось самым простым, дарованным самой природой способом — счетом на пальцах…

В данной работе проведен анализ истории вычислительной техники с самого её зарождения до настоящего состояния. На основе метода сопоставления проведено сравнение технического уровня аналоговых и цифровых вычислительных устройств в различные этапы их развития.

Целями данной работы являются:

— формирование общего представления о зарождении и процессе технической эволюции вычислительной техники;

— оценка вкладов исследователей и разработчиков в данной области, а также смежных наук, способствовавших усовершенствованию вычислительного процесса;

— выявление тенденций в параллельном развитии аналоговой и цифровой вычислительной техники.

1. Цифровая вычислительная техника

Понятие цифровая вычислительная техника включает в себя доэлектронные математические инструменты и приборы, счетные приспособления и устройства, электронные вычислительные устройства и машины, общей чертой работы которых являются операции с цифровыми (дискретными) кодами математических величин [1−5].

Стремительное развитие цифровой вычислительной техники и становление науки о принципах ее построения и проектирования началось в 40-х годах прошлого века, когда технической базой вычислительной техники стала электроника, затем микроэлектроника, а основой для развития архитектуры ЭВМ — достижения в области искусственного интеллекта.

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. Однако история вычислительной техники не ограничивается эпохой механических средств арифметических вычислений.

В истории вычислительной техники принято выделять четыре периода [1,7]:

1. Домеханический (с древних времен до середины XVII в.);

2. Механический (с середины XVII в. до конца XIX в.);

3. Электромеханический (с конца XIX в до 40-х гг. XX в.);

4. Электронный (с 40-х гг. XX в. по настоящее время).

Каждый этап развития вычислительной техники характеризуется созданием технического средства нового типа, конструкция которого развивается на протяжении этого временного периода и достигает, в конечном счете, высокой степени совершенства, что требует принципиального нового подхода к созданию вычислительных средств.

Наиболее интересным с точки зрения изучаемого вопроса в данной работе, безусловно, является последний период — время современной вычислительной техники, основными представителями которых являются аналоговые, цифровые и гибридные электронные машины. Именно в этот период происходит явная конкуренция аналоговой и цифровой вычислительной техники.

В данной работе кратко представлены основные идеи и принципы обработки информации в различные периоды развития вычислительной техники.

1.1 Домеханический период

Люди с давних пор испытывали потребность в счете, для чего они использовали пальцы рук, камешки, которые складывали в кучки или располагали в ряд. Человечество училось считать в течение многих веков, передавая и накапливая из поколения в поколение свой опыт.

Появление собственности на землю потребовало определения способов вычисления площади участков, что привело к зарождению геометрии. Общеизвестны достижения Евклида, Пифагора и других греческих ученых в этом направлении. Развитие торговли также ставило все новые задачи. Помимо учета товаров и денежных сумм, появились и более сложные проблемы. Купцам приходилось предпринимать все более дальние путешествия, а для этого требовались средства навигации. Астрономы древности решали и эти задачи. Все в конечном итоге сводилось к расчетам, и чем точнее они были, тем успешнее решались насущные задачи.

Древнейшей техникой счета, которую сама природа предоставила в пользование человеку, был счет на пальцах. От пальцевого счета берет начало пятеричная, десятеричная, а также двадцатеричная системы счисления. Свидетельствами распространения данной техники в Риме является упоминание древнеримского историка Плиния-старшего — на главной римской площади Форуме была воздвигнута гигансткая фигура двуликого бога Януса, пальцы рук которого изображали количество дней в году.

Китайцы, персы, индийцы, перуанцы использовали для представления чисел и счета ремни или веревки с узелками, называвшимися по-другому «куиру». Узелковое письмо представляло несколько связанных между собой шерстяных или хлопчатобумажных ниток. Широкое распространение такой способ получил в области Центраных Анд в эпоху расцвета государства инков Туантинсуйу в XV в. н.э. Свои счетные веревки инки называли «кипу»

Следующий шаг в развитии вычислительных средств был связан со становлением государств Средиземноморья. Усиление торговых отношений между ними привело к созданию нового инструмента — абака, известного практически у всех народов.

Первоначально на специальной доске в определенном порядке раскладывали однородные предметы (камешки, ракушки, орехи, бобы и т. п.) и пересчитывали их. Для того, чтобы они не скатывались, доска покрывалась слоем песка или пыли. Поэтому абак означает дощечку, покрытую слоем пыли. В своей примитивной форме абак действительно представлял собой такую дощечку. Абак считается первым развитым счетным прибором в истории человечества.

Считается, что абак изначально применяли в Древней Греции, Древнем Востоке, в том числе в Вавилоне, Древнем Египте и Финикии. Отсюда разновидности абаков — вавилонский, греческий (V в. до н.э.), римский (V-VI вв. н.э.), египетский, китайский «суаньпань» (VI в. н.э.), японский «соробан» (XV-XVI вв.н.э.), английский (XV в.н.э.).

На рубеже XVI—XVII вв. появляется русский абак — счеты. Русские счеты широко использовались при начальном обучении арифметике в качестве учебного пособия.

После изобретения абака многие изобретатели и естествоиспытатели пытались придумать приспособления, способные облегчить процесс вычислений. Абак удобно использовать для выполнения операций сложения и вычитания. Умножение и деление выполнять с помощью абака гораздо сложнее.

Революцию в области механизации умножения и деления совершил шотландский математик лорд Джон Непер (1550−1617).

Изобретением, относящимся к цифровой вычислительной технике, в 1617 г. Джон Непер предложил инструмент, получивший название «счетные палочки Непера». Они выполнялись в виде прямоугольных брусков, разделенных на десять квадратов, и позволяли выполнять операции умножения, сводя его к сложению. Кроме того, Непер предложил счетную доску для операций умножения, деления, возведения в квадрат и извлечения корня в двоичной системе счисления.

Середина XVII в. считается завершением домеханического периода доэлектронной истории. Рассмотрев основные средства и техники вычисления этого периода, становится понятным, что с древних времен перед человечеством стояли задачи, требовавшие все более возрастающих объемов вычислений (вследствие развития торговли, путешествий, введений налогов и т. п.), что в конечном итоге является предпосылкой бурного развития вычислительной техники и перехода к механизации арифметических операций.

1.2 Механический период

Потребность в автоматическом вычислении возникла в средние века в связи с резко возросшими в этот период торговыми операциями и океаническим судоходством. Торговля требовала больших денежных расчетов, а судоходство — надежных навигационных таблиц.

Ученые тех времен наблюдали за Луной и составляли громадные таблицы, где фиксировали изменение ее положений, которые использовались для проверки правильности предлагаемых формул движения естественного спутника Земли. Такая проверка опиралась на громадное число арифметических вычислений, требовавших от исполнителя терпения и аккуратности. Для облегчения и ускорения такой работы стали разрабатывать вычислительные устройства. Так появились различные механизмы — первые суммирующие машины и арифмометры.

Под механическим вычислительным устройством понимается устройство, построенное на механических элементах и обеспечивающее автоматическую передачу из низшего разряда в высший.

Механические цифровые вычислительные устройства представляют собой технические объекты значительно более высокого уровня сложности по сравнению с предшествующими домеханическими средствами. Предпосылками их создания считаются научно-технический прогресс и социальные потребности, а основной технической предпосылкой их создания было развитие механики как на этапе, предшествовавшем созданию точной механики, так и на этапе ее формирования и развития.

Считается, что механический этап продолжается от изобретения суммирующей машины Паскаля (1642г) до создания электромеханического табулятора Голлерита (1887г). Классическим инструментом механического типа является арифмометр, изобретенный Лейбницем, ручной привод которого позднее был заменен на электрический.

В выделяют промежуточное положение между механическими и домеханическими устройствами, которые используют механическую конструкцию (например, зубчатые передачи), но не обеспечивают передачу десятков. Названы эти устройства квазимеханическими, к ним относятся машины Леонардо да Винчи и Вильгельма Шиккарда.

1.2.1 Машина Леонардо да Винчи

Уже в наше время были обнаружены чертежи и описание 13-разрядного суммирующего устройства, принадлежащие итальянскому ученому Леонардо да Винчи (1452−1519).

Основу машины по описанию составляют стержни, на которые крепятся зубчатые колеса (рис.3). Десять оборотов первого колеса, по замыслу автора, должны были приводить к одному полному обороту второго, а десять оборотов второго — к одному обороту третьего и т. д.

В 1969 г. по чертежам Леонардо да Винчи американская фирма IBM по производству компьютеров в целях рекламы построила работоспособную машину. Специалисты воспроизвели машину в металле и убедились в полной состоятельности идеи ученого.

Суммирующую машину Леонардо да Винчи можно считать изначальной вехой в истории цифровой вычислительной техники. Это был первый цифровой сумматор, прообраз будущего электронного сумматора — важнейшего элемента современных ЭВМ, пока еще механический, очень примитивный (с ручным управлением).

1.2.2 Машина Шаккарда

Через сто с лишним лет после смерти Леонардо да Винчи немецкий ученый, профессор кафедры восточных языков Тюбингенского университета Вильгельм Шиккард (1592−1636) предложил свое решение этой задачи.

В. Шиккард разработал счетную машину для суммирования и умножения шестиразрядных десятичных чисел. Причиной, побудившей В. Шиккарда разработать такую машину, было его знакомство с польским астрономом Иоганном Кеплером, которому Шиккард решил оказать помощь в сложных вычислениях последнего. В своих письмах к Иоганну Кеплеру в 1623 г. Шиккард описывает проект суммирующей машины (рис. 4), которую он назвал «счетными часами».

Из письма В. Шиккарда от 25 февраля 1624 г. следует, что он изготовил два работающих образца своей машины, один из которых он хотел подарить И. Кеплеру. Но, к сожалению, обе машины сгорели во время пожара. Поэтому эти машины видели только два человека: сам автор, Вильгельм Шиккард, и механик Вильгельм Пфистер, который выполнял заказ В. Шиккарда. Данных о дальнейшей судьбе машины история не сохранила.

О самом проекте забыли на долгие годы, пока в 60-х гг. ХХ столетия, используя письма В. Шиккарда и его чернильный набросок с пояснениями для В. Пфистера, удалось построить действующую модель «счетных часов». Она хранится в домемузее И. Кеплера, на его родине в городе Вайле.

Об изобретениях В. Шиккарда и Леонардо да Винчи стало известно лишь в наше время. Современникам они были неизвестны. Именно поэтому долгое время считалось, что первый арифмометр изобрел в 1642 г. знаменитый французский ученый Б. Паскаль.

1.2.3 Суммирующая машина Б. Паскаля

Французский ученый Блез Паскаль (1623−1662) в 1642 г. сконструировал первый механический вычислитель, позволяющий складывать и вычитать числа. Для выполнения арифметических операций Паскаль заменил поступательное перемещение костяшек в абаковидных инструментах на вращательное движение оси (колеса).

Эта машина вошла в историю вычислительной техники под названием «Паскалина». До наших дней сохранилось восемь машин Паскаля.

Машина была выставлена в Люксембургском саду на всеобщее обозрение, о ней писали стихи, ей приписывали фантастические возможности. Против счетного устройства Паскаля выступили клерки, которые боялись потерять из-за него работу, а также работодатели, считавшие, что лучше нанять дешевых счетоводов, чем покупать новую машину.

Хотя арифмометр Б. Паскаля представлял собой суммирующую машину, построенную по тем же принципам, что и забытая машина В. Шиккарда, труды Б. Паскаля оказали заметное влияние на весь дальнейший ход развития вычислительной техники.

1.2.4 Счетная машина Г. В. Лейбница

Немецкий философ, математик, физик Готфрид Вильгейм Лейбниц (1646−1716) в 1673 г. создал «ступенчатый вычислитель» — счетную машину (рис.5), позволяющую складывать, вычитать, умножать, делить, извлекать квадратные корни. Машина работала с 12-разрядными числами.

В ЭВМ, появившихся более двух веков спустя, устройство, выполняющее арифметические операции (те же самые, что и «арифметический прибор» Г. Лейбница), получило название арифметического. Позднее, по мере добавления ряда логических действий, его стали называть арифметико-логическим (АЛУ). Оно стало основным устройством современных компьютеров.

1.2.5 Арифмометр К. Томаса

В XIX в. в связи с развитием промышленной революции возникает потребность в механизации конторских работ. Эта потребность изначально невелика, но все-таки она существует и растет по мере расширения промышленного производства, роста кредитно-финансовой сферы, развития биржевых и торговых операций.

На основе этого впервые возникает «серийное производство» арифмометров, налаженное уроженецем Эльзаса Карлом Ксавье Томасом. Сконструированный им в 1818 г. арифмометр выпускался с различными усовершенствованиями в течение 100 лет по 300−400 экземпляров в год, что по тем масштабам вполне считалось массовым производством.

Арифмометры обладали относительно неплохой скоростью вычислений. Они перемножали два восьмизначных числа за 18 с. При умножении использовался принцип Лейбница. Это была самая надежная машина в те времена. Арифмометр также поставил мировой рекорд по продолжительности продаж: последняя модель была продана в начале XX в.

1.2.6 Арифмометр В. Однера

В 1874 г. инженер Экспедиции заготовления государственных бумаг в Петербурге В. Т. Однер предложил надежную и простую конструкцию впоследствии основного узла арифмометра — знаменитое «колесо Однера». Оно оказалось настолько совершенным, что не претерпело принципиальных изменений до наших дней.

В 1899 г. В. Однер организовал большое предприятие в Петербурге на Васильевском острове в Тараканьевском переулке, где был расположен завод В. Однера по производству арифмометров. После эмиграции В. Однера в Швецию в 1917 г. арифмометры его конструкции продолжали выпускать на заводе им. Дзержинского под маркой «Феликс» (рис.6) [2,3]. В 1969 г. их было произведено 300 000 штук.

Так зародилась новая в России отрасль промышленности — производство вычислительных машин. С тех пор вычислительная техника являлась одной из важнейших отраслей отечественного приборостроения.

1.2.7 Арифмометр Гамана

Наиболее крупным изобретением XX в. в области механических конструкций арифмометров была разработка пропорционального механизма передачи чисел, пригодного для построения на его основе вычислительных машин. Идея использования пропорционального механизма в вычислительной технике и реализации этой идеи принадлежат немецкому изобретателю Г. Гаману. Впервые арифмометр такой инструкции был создан изобретателем в 1905 году и назван «Мерседес-Евклид».

Потребности в механизации вычислений в научной и научно-технической сфере вплоть до 20−30-х годов XX в. были невелики. В науке и технике обычно можно было обойтись приближенными решениями, натурными моделями, элементарными расчетами и т. п. Интерес к механизации вычислений был вызван общефилософскими и общенаучными установками того времени, когда законы и принципы механики рассматривались как общие законы бытия. Естественно, что для удовлетворения этого интереса было достаточно создать ряд демонстрационных моделей, вызвавших как удивление широкой публики, так и комментарии философов. Наиболее ярко это проявилось у следующих устройств: арифметический инструмент Сэмюэля Морленда (1666 г.), множительная машина Кирхера-Шотта (1688 г.), рабдологический абак Клода Перро (1680г), арифмометр Джованни Полени (1709 г.), арифметическая машина Жана Лепэна (1725 г.), счетная машина Якоба Лейпольда (1720г), суммирующая машина Гестена (1740 г.), машина Евна Якобсона (1770 г.), машина Филиппа Матеуса Гана (1774 г.), множительное устройство З. Я. Слонимского (1843 г.), счислитель Куммера (1846 г.), самосчеты В. Я. Буняковского (1867 г.), суммирующая машина с печатающим устрйством Бэрроуза (1885 г.), множительная машина Леона Болле (1888 г.), арифмометр «Мопро» Дж. Мопро (1912 г.).

1.2.8 Перфокарты Ж. Жаккара и схема вычислений Г. Прони

Французский ткач и механик Жозеф Жаккар создал первый образец машины, управляемой введенной в нее информацией. В 1802 г. он построил машину, которая облегчила процесс производства тканей со сложным узором.

Создание ткацкого станка, управляемого перфокартами, с пробитыми на них отверстиями и соединенными друг с другом в виде ленты, относится к одному из ключевых открытий, обусловивших дальнейшее развитие вычислительной техники. Так появилось первое примитивное устройство для запоминания и ввода информации.

В 1795 г. французский математик Гаспар Прони (1755−1839), которому французское правительство поручило выполнение работ, связанных с переходом на метрическую систему мер, впервые в мире разработал технологическую схему вычислений.

Эта схема содержала три этапа и предполагала разделение труда математиков на три составляющие:

1. Определение (или разработка) методов численных вычислений. Эти методы позволяли свести вычисления к четырем арифметическим операциям — сложение, вычитание, умножение, деление.

2. Задание последовательности арифметических действий и определение исходных данных, необходимых при их выполнении («программирование»).

3. Выполнение составленной «программы», состоящей из последовательности арифметических действий.

Этим разделением труда математиков был дан импульс дальнейшему процессу автоматизации самой трудоемкой третьей части вычислений — переходу к созданию цифровых вычислительных машин с программным управлением последовательностью арифметических операций.

1.2.9 Машины Ч. Бэббиджа

Два новшества — программное (с помощью перфокарт) управление и технология вычислений при ручном счете — явились базой для работ профессора Кембриджского университета Чарльза Бэббиджа.

Из всех изобретателей прошлых столетий, внесших тот или иной вклад в развитие вычислительной техники, он ближе всего подошел к созданию компьютера в современном его понимании.

Наивысшим достижением Чарльза Бэббиджа была разработка принципов, положенных в основу современного компьютера, за целое столетие до того, как появилась техническая возможность их реализации. Им были созданы две машины — разностная (1822 г.) и аналитическая (1830 г.).

1.2.9.1 Разностная машина

Работа «разностной машины» была основана на хорошо разработанном методе конечных разностей. Благодаря этому методу все сложно реализуемые в механике операции умножения и деления сводились к цепочкам простых сложений известных разностей чисел.

Разностная машина предназначалась для решения дифференциальных уравнений и табулирования многочленов. С современной точки зрения она являлась специализированной вычислительной машиной с фиксированной (жесткой) программой.

Составные части разностной машины:

1. «Память» — несколько регистров для хранения чисел.

2. Сетчик числа операций со звонком — при выполнении заданного числа шагов вычислений раздавался звонок.

3. Печатающее устройство — результаты выводились на печать, причем по времени эта операция совмещалась с вычислениями на следующем шаге.

Вычисления были полностью автоматизированы (вплоть до автоматической печати результатов). Прототип машины был построен очень быстро и при жизни ученого, однако полнофункциональная версия машины с небольшими изменениями была создана после смерти Бэббижда и удостоена золотой медали на Всемирной выставке в Париже.

1.2.9.2 Аналитическая машина

К 1834 г., когда «разностная машина № 1» еще не была достроена, Ч. Бэббидж уже задумал принципиально новое устройство — «аналитическую машину», явившуюся прообразом современных компьютеров.

Это была механическая универсальная цифровая вычислительная машина с программным управлением. К 1840 г. Бэббидж практически полностью завершил разработку «аналитической машины» и тогда же понял, что воплотить ее на практике сразу не удастся из-за технологических проблем.

По архитектуре аналитическая машина была механическим прототипом современного компьютера. Она содержала следующие устройства:

1) «склад» — устройство для хранения цифровой информации (теперь это запоминающее устройство или память);

2) «мельница» или «фабрика» — устройство, выполняющее операции над числами, взятыми на «складе» (сегодня это арифметическое устройство);

3) устройство, для которого Бэббидж не придумал названия, и которое управляло последовательностью действий машины. Сейчас это устройство называется устройством управления.

4) устройство ввода информации;

5) устройство вывода информации.

Бэббидж предусмотрел ввод в машину таблиц значений функций с контролем при вводе значений аргумента. Выходная информация могла печататься или пробиваться на перфокартах, что давало возможность при необходимости снова вводить ее в машину.

Особенностью аналитической машины стало то, что в ней впервые был реализован принцип разделения информации на команды и данные.

Однако аналитическая машина выглядела нереалистичной, ее просто невозможно было построить и запустить в работу. В своем окончательном виде машина должна была быть не меньше железнодорожного локомотива. Машину построить не удалось. Современники, не видя конкретного результата, разочаровались в работе ученого. А он опередил свое время…

Идеи Ч. Бэббиджа, относящиеся к структуре полностью автоматизированной счетной машины и принципов ее работы, удалось реализовать лишь в середине XX столетия в современных компьютерах. Основным тормозом был механический принцип счета, господствовавший в счетной технике более 300 лет.

Оба устройства, созданные по технологиям середины XIX в., сегодня отлично работают и наглядно демонстрируют, что история компьютеров вполне могла начаться на сто лет раньше.

Исследователи работ Чарльза Бэббиджа непременно отмечают особую роль в разработке проекта аналитической машины графини Ады Августы Лавлейс. Именно ей принадлежала идея использования перфорированных карт для программирования вычислительных операций.

Первые изобретения этого периода — машины Леонардо да Винчи, В. Шиккарда. О них ничего не было известно современникам, поэтому первой вычислительной машиной считается суммирующая машина Б. Паскаля — «Паскалина», выполняющая операции сложения и вычитания. Сложную в реализации операцию вычитания Паскаль заменил сложением с дополнением вычитаемого. Этот подход используется в современных ЭВМ. Счетная машина Г. В. Лейбница позволяла складывать, вычитать, умножать, делить, извлекать квадратные корни. В основе множительного устройства этой машины лежит ступенчатый валик Лейбница, надолго определивший принципы построения счетных машин. В ЭВМ, появившихся более двух веков спустя, устройство, выполняющее арифметические операции (те же самые, что и «арифметический прибор» Г. Лейбница), получило название арифметического. Позднее, по мере добавления ряда логических действий, его стали называть арифметико-логическим (АЛУ). Оно стало основным устройством современных компьютеров.

Самыми значительными изобретениями этого периода, несомненно, являются разностная и аналитическая машины. Ч. Бэббидж разработал основные принципы построения вычислительных машин, которые были реализованы в современных ЭВМ. Это принцип программного управления вычислительным процессом, использование перфокарт для управления работой вычислительной машины, введение команды условного перехода, принцип разделения информации на команды и данные.

1.3 Электромеханический период

В истории вычислительной техники этот период явился наименее продолжительным. Первый счетно-аналитический комплекс оборудования, разработанный Г. Голлеритом, прошел испытания в 1887 г., а первая ЭВМ, с начала эксплуатации которой начинается отсчет времени электронной цифровой вычислительной техники, вступила в строй в 1945 г.

Вспомним, с какими объектами работали первые механические предшественники современного электронного компьютера.

Числа представлялись:

— либо в виде линейных перемещений цепных и реечных механизмов;

— либо в виде угловых перемещений зубчатых и рычажных механизмов.

После изобретения электромагнитного реле вопрос о том, как записать с его помощью всевозможные цифры десятичной системы счисления, не был большой проблемой.

Электромеханическая вычислительная техника была вызвана в жизни двумя обстоятельствами: ростом потребностей в обработке информации и развитием электротехники, позволившей создать электромеханический счетные устройства.

Информация на рубеже XIX—XX вв.еков стремительно увеличивалась в объемах, ее необходимо было обрабатывать. Основными предпосылками этого стали вводимые переписи населения в США и странах Европы, быстро растущая экономика СССР, развитие производств.

Классическим типом аппаратуры электромеханического этапа был счетно-аналитический комплекс, предназначенный для обработки информации, нанесенной на перфокарты. Устройство представляло собой ряд звеньев, связью которых были перфокарты. Помимо счетно-аналитических машин на этом этапе развития вычислительной техники используются два класса: механические арифмометры с электроприводом и сложные релейные системы с программным управлением, созданные в 40-е годы несколько ранее первых ЭВМ.

логарифмический электромеханический изобретение компьютер

1.3.1 Табулятор Г. Холлерита

Уже после смерти Ч. Бэббиджа один из принципов, лежащих в основе идеи аналитической машины, — использование перфокарт — нашел воплощение в действующем устройстве. Это был статистический табулятор, построенный американцем Германом Холлеритом для ускорения обработки результатов переписи населения, которая проводилась в США в 1890 г.

Табулятор состоял из таких основных устройств как:

— вычислительный механизм, в котором использовались реле;

— перфоратор;

— сортировальная машина.

В 1896 г. Г. Холлерит создал компанию «Tabulating Machine Company» (TMC). К этому времени счетные машины были значительно усовершенствованы: автоматизированы процедуры подачи и сортировки перфокарт.

1.3.2 «Изобретатель компьютера» К. Цузе

В 1934 г. немецкий инженер Конрад Цузе (1910;1995) придумал модель автоматического калькулятора, которая состояла из устройства управления, вычислительного устройства и памяти и полностью совпадала с архитектурой сегодняшних компьютеров.

В 1937 г. К. Цузе создал работающую память для хранения 12 двоичных чисел по 24 бита и занялся созданием первой версии своего вычислителя, которую он сначала назвал Versuchsmodell-1 (V-1), но после переименовал в Z-1. Машина занимала площадь около 4 м² и представляла собой множество реле и проводов, имела клавиатуру, с которой вводились в нее условия задач и данные.

Совершенствованием своих машин Цузе занимался постоянно и результатом его деятельности впоследствии стали машины Z-2, Z-3, Z-4. Однако военные годы и, в частности, бомбардировка в Берлине уничтожили первые три машины. В послевоенные годы немецкий инженер трудился в компании Siemens AG и разработал принципиально новые машины Z-11, Z-22.

Сегодня работы К. Цузе известны во всем мире. Он оказал несомненное влияние на развитие европейских компьютерных технологий. Его труды использовались при создании новых компьютеров и при разработке первых алгоритмических языков программирования.

1.3.3 Машины Дж. Стибица

В 1937 г. Джордж Стибиц — математик из фирмы «Bell Telephone Labs» — пришел к выводу, что булева логика — это естественный язык, на котором должна основываться работа систем электромеханических реле.

Созданное им устройство было электромеханической схемой, выполняющей операцию двоичного сложения, т. е. двоичным сумматором. В наши дни двоичный сумматор по-прежнему остается одним из основных компонентов любого цифрового компьютера.

Первую свою машину Дж. Стибиц назвал Model K.

На счету Стибица ряд важнейших разработок тех лет: вычислительная машину «Bell-I» на электромагнитных реле; машина «Bell-2», автоматически управляемая программой (машина «Bell-1» автоматического управления не имела); машина «Bell-3» с управлением с помощью программы, записанной на перфоленты; релейный калькулятор «Bell-4»; машина «Bell-5», работающей с арифметикой с плавающей точкой.

1.3.4 Машины Г. Эйкена

В 1937 г. гарвардский математик Говард Эйкен предложил проект создания большой счетной машины. Спонсировал работу президент компании IBM Т. Уотсон, который в 1939 г. вложил в нее 500 тыс. долл. из фондов своей фирмы. Проектирование «Mark-1» началось в 1939 г., строило этот компьютер нью-йоркское предприятие IBM.

«Mark-1» достигал почти 17 м в длину и более 2,5 м в высоту, содержал около 750 тыс. деталей, из них 3304 реле. Детали были соединены проводами общей протяженностью около 800 км. Вес машины — 5 т.

Работа над компьютером «Mark-II» шла с 1945 по 1947 г. «Mark-II» представляла собой первую многозадачную машину — наличие нескольких шин позволяло одновременно передавать из одной части компьютера в другую несколько чисел. Были созданы третий и даже четвертый варианты компьютера «Mark-I», но уже без поддержки фирмы IBM.

1.3.5 РВМ-1 — последний крупный проект в области релейной вычислительной техники

В СССР в 1954 г. была начата постройка машины по проекту Н. И. Бессонова (1906;1963), специалиста в области счетно-аналитических машин. Получавшая название РВМ-1 и построенная в 1957 году релейно-вычислительная машина особенно удобна была в использовании в задачах экономического характера. Она отличалась надежностью, в то время как лампочные ЭВМ этим не отличались. Машину РВМ-1 можно рассматривать как созданную на пределе возможностей электромеханических реле. Электронные лампы и другие электронные приборы обладали колоссальным преимуществом — очень высокой скоростью. Это обстоятельство оказалось решающим в переходе от релейных к электронным вычислительным машинам.

Подводя итоги электромеханического периода, необходимо отметить два значительных преимущества развитых вычислительных устройств перед их предшественниками — это высокая скорость обработки данных, обусловленная скоростью срабатывания реле, и несравненная надежность, складывающаяся из отстранения человека от процесса вычисления — автоматизация.

За время электромеханического периода начала формироваться «индустрия информации», само производство вычислений приобрело индустриальный характер, в несколько раз превысилась производительность цифровой вычислительной техники и по уровню сложности релейные вычислительные системы сравнялись с наиболее сложными техническими системами того времени. До электроники оставался «один шаг». Но его надо было сделать, чтобы вычислительная техника достигла невиданного взлета, характерного для настоящего времени, но являющегося лишь бледным прообразом будущего.

1.4 Электронный период

В вычислительной технике существует своеобразная периодизация развития ЭВМ. Их принято делить на поколения. Поколение ЭВМ — это все типы и модели ЭВМ, построенные на одних и тех же научных и технических принципах.

Основные признаки деления ЭВМ на поколения:

1. Элементная база.

2. Быстродействие.

3. Емкость памяти.

4. Способы управления и переработки информации и др.

Границы поколений во времени размыты, так как в одно и то же время выпускались машины совершенно разного уровня.

Когда приводят даты, относящиеся к поколениям, то обычно имеют в виду период промышленного производства. В табл. 1 приведено разделение ЭВМ на поколения.

Таблица 1. Поколения ЭВМ

Первое поколение ЭВМ — это время становления машин архитектуры фон Неймана, построенных на электронных лампах с быстродействием 10−20 тыс. арифметических операций в секунду.

Первая действующая машина, в которой для выполнения арифметических и логических операций, а также для запоминания и воспроизведения информации использовались электронные схемы, была ЭНИАК. Ее успешная публичная демонстрация датируется февралем 1946 года.

В нашей стране к первому поколению относится первая отечественная вычислительная машина МЭСМ, созданная в 1951 г. в г. Киеве под руководством академика С. А Лебедева, серийные машины «Минск-1», «Стрела», БЭСМ, «Урал-1», «Урал-4» и др.

Несмотря на ограниченность возможностей, ЭВМ первого поколения позволяли выполнять сложнейшие расчеты, необходимые для прогнозирования погоды, решения задач атомной энергетики и др.

Опыт использования машин первого поколения показал, что существует огромный разрыв между временем, затрачиваемым на разработку программ, и временем счета. Поэтому началась интенсивная разработка средств автоматизации программирования, создание систем обслуживающих программ, упрощающих работу на машине и увеличивающих эффективность ее использования.

Особенность второго периода — использование транзистора в качестве переключательного элемента (вместо вакуумной лампы) с быстродействием до сотен тысяч операций в секунду. Появились основная память на магнитных сердечниках и внешняя память на магнитных барабанах. В это же время были разработаны алгоритмические языки высокого уровня, такие как Алгол, Кобол, Фортран, которые позволили составлять программы, не учитывая тип машины. В нашей стране к этому поколению относятся машины «Минск-2», «Минск-22», «Минск-32», «БЭСМ-2», «БЭСМ-4», «БЭСМ-6», быстродействие которых составляло миллион операций в секунду.

Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость, которая затрудняла организацию крупных информационных систем. Поэтому в середине 60-х г. наметился переход к созданию компьютеров, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе.

Машины третьего поколения — это семейства машин с единой архитектурой, т. е. программно совместимых. В качестве элементной базы в них используются интегральные схемы — микросхемы.

Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы. Они обладают возможностями мультипрограммирования, т. е. одновременного выполнения нескольких программ. Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина.

Примеры машин третьего поколения — семейства IBM-360, IBM-370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др.

Четвертое поколение — это поколение компьютерной техники, разработанное после 1970 г. Наиболее важный в концептуальном отношении критерий, по которому эти компьютеры можно отделить от машин третьего поколения, состоит в том, что машины четвертого поколения проектировались в расчете на эффективное использование современных высокоуровневых языков и упрощение процесса программирования для конечного пользователя.

В аппаратном отношении для них характерны широкое использование сверхбольших интегральных схем в качестве элементной базы, а также наличие быстродействующих запоминающих устройств с произвольной выборкой емкостью в десятки гигабайт.

В настоящее время идет дальнейшее совершенствование технологии производства микросхем и вычислительной техники. Продолжается дальнейшее развитие архитектур компьютеров. Интенсивные разработки ведутся по многим направлениям:

— создание молекулярных компьютеров;

— создание биокомпьютеров (нейрокомпьютеров);

— разработку квантовых компьютеров;

— разработку оптических компьютеров.

2. Аналоговая вычислительная техника

Аналоговые вычислительные машины (АВМ) оперируют с математическими переменными, которые представлены в виде непрерывно изменяющихся физических величин [4,5,6].

В основу АВМ последнего поколения положено моделирование, сущность которого состоит в замене исследуемого физического процесса электрической моделью, имеющей такие же свойства. Это позволяет существенно упростить процесс исследования, сделать его более удобным и экономичным. Среди существующих методов моделирования наиболее широко применяются физическое и математическое моделирование.

Аналоговые машины обладают рядом преимуществ, к числу которых можно отнести мгновенность получаемого решения задачи, простота и наглядность процессов моделирования. Однако они имеют сравнительно невысокую точность получаемого решения и малую универсальность.

Аналоговые вычислительные машины нашли применение при решении обыкновенных дифференциальных уравнений, дифференциальных уравнений в частных производных, для решения алгебраических и трансцедентных уравнений, в качестве специализированных устройств управления технологическими процессами, управления приводом поворотных устройств антенн и т. д.

2.1 Логарифмическая шкала, логарифмическая линейка

Первое аналоговое вычислительное устройство появилось в домеханическом периоде доэлектронной истории вычислительной техники. Наравне со «счетными палочками» ученый Джон Непер был славен своим вторым изобретением — логарифмом, о чем сообщалось в работе «Описание удивительной таблицы логарифмов», опубликованной в 1614 г. Вслед за изобретением логарифмов делаются попытки механизировать логарифмические вычисления и создают логарифмическую шкалу и логарифмическую линейку, которые считаются первыми аналоговыми вычислительными устройствами.

2.2 Графики, номограммы, планиметр

В период механизации вычислительной техники аналоговые устройства совершенствуются, и создаются графики и номограммы — следующая разновидность аналоговых вычислительных устройств. Служат они для определения функций нескольких переменных и впервые встречаются в руководствах по навигации в 1791.

В 1814 английский учёный Дж. Герман разработал аналоговый прибор — планиметр, предназначенный для определения площади, ограниченной замкнутой кривой на плоскости. Планиметр был усовершенствован в 1854 немецким учёным А. Амслером. Его интегрирующий прибор с катящимся колесом привёл позднее к изобретению английским физиком Дж. Томсоном фрикционного интегратора. В 1876 другой английский физик У. Томсон применил фрикционный интегратор в проекте гармонического анализатора для анализа и предсказывания высоты приливов в различных портах. Он показал в принципе возможность решения дифференциальных уравнений путём соединения нескольких интеграторов, однако из-за низкого уровня техники того времени идея не была реализована.

2.3 Изобретения А. Н. Крылова

Первая механическая вычислительная машина для решения дифференциальных уравнений при проектировании кораблей была построена А. Н. Крыловым в 1904. В основу её была положена идея интеграфа — аналогового интегрирующего прибора, разработанного польским математиком Абданк-Абакановичем (1878) для получения интеграла произвольной функции, вычерченной на плоском графике.

А. Н. Крылов изобрел прибор для фотозаписи качки корабля (1913 г.), планометр-топорик (1908 г.), создал полную теорию разработки и оценки точности планиметров. Он построил прибор для решения обыкновенных дифференциальных уравнений (1911 г.). Им были разработаны или улучшены многие алгоритмы вычислений в области корабельных наук и баллистики, в 1896 г. он представил полную теорию качки корабля (3-мерный случай).

2.4 Изобретения электромеханического периода

Дальнейшее развитие механических интегрирующих машин связано с работами американского учёного В. Буша, под руководством которого была создана чисто механическая интегрирующая машина (1931), а затем её электромеханический вариант (1942). В 1936 русский инженер Н. Минорский предложил идею электродинамического аналога. Толчок развитию современных АВМ постоянного тока дала разработка Б. Расселом (1942;44, США) операционного или решающего усилителя — усилителя постоянного тока, имеющего весьма высокий коэффициент усиления.

2.5 Изобретения советской научной школы

В конце 40-х — начале 50-х годов Л. И. Гутенмахером, Н. С. Николаевым, Н. В. Корольковым, В. Б. Ушаковым и Г. М. Петровым создаются электроинтеграторы на активных четырехполюсниках для моделирования обыкновенных линейных и нелинейных уравнений. Появление этих интеграторов позволило исследовать методом математического и полунатурного моделирования сложные динамические системы.

Таким образом, в период с 20-х до 50-х годов советская научная школа вышла на передовые позиции в решении задач методом моделирования, заложив принципиальные основы кибернетики.

Период электронного развития вычислительной техники в 1948 г. в СССР был ознаменован созданием первых электронных аналоговых вычислительных машин (АВМ), которые были построены на операционных усилителях постоянного тока. Именно операционные усилители, работающие по принципу систем автоматического регулирования с глубокой отрицательной обратной связью, позволили осуществить точное моделирование математических операторов (в том числе главного — интегрирование переменных) и параллельную обработку информации в реальном времени при решении систем дифференциальных уравнений.

Благодаря этому АВМ обеспечили решение важнейших задач в целом ряде направлений науки и техники (авиации, ракетостроении, космических исследованиях, оборонной промышленности и др.). В этот период ЦВМ еще не имели необходимого быстродействия для решения подобных задач.

На первом этапе (50-е годы) АВМ использовались в основном в виде самостоятельных средств математического моделирования динамических объектов в реальном времени. Часто они входили в состав тренажеров (авиационных, космических, атомных установок, транспортных средств и т. п.). Со временем (60−70-е годы) в связи с прогрессом в области цифровой электроники АВМ все чаще стали подключаться к ЦВМ для совместной обработки информации. Появился новый вид вычислительной техники — аналого-цифровые вычислительные комплексы (АЦВК). Функции АВМ и ЦВМ в этом случае существенно различались.

В 1958 г. в СССР была создана первая в мире полупроводниковая АВМ МН-10. Эта машина с большим успехом демонстрировалась на выставке в Нью-Йорке в июне 1959 г.

В 60−70-х годах специалистами НИИСчетмаша, ИПУ АН СССР создана серия аналоговых и аналого-цифровых комплексов с использованием микроэлектронной элементной базы, внедренных в серийное производство на отечественных заводах радиопромышленности.

В 80-х и начале 90-х гг. в НИИСчетмаше были созданы эффективные современные периферийные устройства для ввода-вывода в ЭВМ аналоговой информации в реальном времени, в их числе: двухкоординатные графопостроители, устройства автоматического распознавания графических изображений, векторные и растровые графические дисплеи, струйные и лазерные печатающие устройства, устройства автоматического распознавания речи и др.

Заключение

В данной работе рассмотрены этапы развития вычислительной техники в двух ее разновидностях. В заключение целесообразно сравнить пути развития аналоговой и цифровой вычислительной техники.

Рассматривая домеханический период, следует отметить зарождение как одного, так и другого видов вычислительной техники. Потребность в счете, а также в обработке небольших объемов данных, обусловленных тем временем, способствовали появлению и развитию средств и методов вычисления. На закате этого периода у человечества были в распоряжении абаки, «счетные палочки Непера», а также логарифмические линейки.

Механический период явился вследствие резкого развития торговых операций, океанического судоходства, астрономии. Наиболее бурное развитие в это время получает цифровая вычислительная техника, обеспечивающая переработку больших объемов данных. Здесь появляются суммирующие машины и арифмометры, а самыми значительными изобретениями того времени считают разностную и аналитическую машины Бэббиджа. Продвижения в аналоговой технике наблюдаются только в конце этого периода, когда советский изобретатель А. Н. Крылов разработал механическую вычислительную машину для решения дифференциальных уравнений при проектировании кораблей, а также создал теорию разработки и оценки точности планиметров — аналоговых устройств расчета площади замкнутой кривой.

Электромеханический период является самым коротким и основывается на развитии электротехники, в частности, изобретении электромагнитного реле. В этот период были разработаны цифровые машины Эйкена, Стибица, Цузе. В развитии аналоговой вычислительной техники не наблюдается прогресса и только в 1944 г. разработка операционного усилителя дает толчок развитию современных АВМ.

Быстрое развитие средств электронной аналоговой вычислительной техники, использующих операционные усилители для исследования динамических систем в реальном времени, наблюдается в 50-е — 60-е гг. Развитие и основные успехи средств аналоговой вычислительной техники в этом направлении совпали по времени, с одной стороны, с весьма интенсивным развитием теории и практики систем управления сложными объектами, для исследования которых широко использовались аналоговые вычислительные машины, а с другой стороны, с быстрым развитием уровня и возможностей цифровой вычислительной техники. Это положение в определенной степени предопределило основные направления применения средств вычислительной техники: аналоговые машины рассматривались как средства моделирования систем, описываемых обыкновенными дифференциальными уравнениями, а цифровые машины — как средства решения большого числа разнообразных задач различных классов и различных направлений. Расширение круга задач и увеличение глубины исследований с помощью средств АВТ и явились, по-видимому, основными технико-экономическими причинами, вызвавшими быстрое развитие и переход к серийному выпуску быстродействующих аналоговых вычислительных машин и в том числе аналоговых машин, снабженных развитой системой управления.

В 70-х — 80-х годах прошлого века развитие вычислительных устройств в конечном итоге привело к созданию сложных электронных систем — как цифровых, так и аналоговых. При этом в то время наблюдалась тенденция к интеграции обоих направлений развития вычислительной техники путем создания комбинированных (гибридных) систем, сочетающих свойства как аналоговых, так и цифровых устройств.

В последние десятилетия в связи с новыми направлениями развития цифровой вычислительной техники происходит её интеллектуализация, которая расширяет круг решаемых с ее помощью задач.

Интеллектуализация средств аналоговой техники не состоялась, и это наряду с невысокой точностью вычислений, привело к ее поражению в соревновании с цифровой техникой, но не исчезновению.

Список используемой литературы

логарифмический электромеханический изобретение компьютер

1. Казакова И. А. История вычислительной техники: учеб. пособие. — Пенза: Изд-во ПГУ, 2011. — 232 с.

2. Апокин И. А., Майстров Л. Е. История вычислительной техники: (От простейших счетных приспособлений до сложных релейных систем). — М.: Наука, 1990. — 264 с.