Автор Анна Евкова
Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

История развития средств вычислительной техники (Примитивные средства)

Содержание:

Введение

Данная тема очень интересна, так как история – это великая наука, собирающая огромное количество информации, полезной для человека. “Не знать истории – всегда быть ребенком”.[1] История машин созданных человеком важна для изучения, ведь мы знаем только малую часть строения смартфонов и компьютеров. Наша жизнь постоянно улучшается благодаря этим “маленьким” изобретениям. Как они стали такими маленькими и очень “умными”? Ведь их работа постоянно упрощает нашу жизнь в расчётах, в поиске информации, в создании чего-либо. История ЭВМ невероятна и порой смешна при сравнении машин нынешних и прошлых.

Нам стоит изучить их прошлое, освоить внутреннюю часть, как их создавали. Что способствовало постоянному развитию. Узнать истоки машин, что находиться задолго за ними. Как человек пришёл к созданию ЭВМ и почему он так развивался вместе с машинами.

Начало жизни чисел способствовало созданию и использованию очень примитивных расчётов и приспособлений. Издревле человек ищет методы для осуществления более больших вычислений. Он создаёт первые машины способные умножать, делить и извлекать квадратные корни. Использование перфокарт для управления работой вычислительной машины. Они становились в 10, а то и в 1000 раз быстрее своих предшественников. Человек становиться на путь ЭВМ.

Периоды истории вычислительной техники

В истории вычислительной техники выделяют четыре периода:

  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).

Два из которых мы с вами и изучим.

Глава 1. Домеханический период

Человек начал считать гараздо раньше, чем начал писать. Он постоянно обучался счёту и передавал опыт из поколения в поколение.

Мы постоянно искали методы увеличить объёмы вычислений. Спустя некоторое время большинство находило решения. Еще в античные времена некоторые области математики были настолько развиты, что образованный человек тех лет по уровню знаний вряд ли уступал нынешнему выпускнику школы.[2]

Участки и земля принадлежащие требовали подсчёта и геометрических знаний для определения территории. Общеизвестны достижения Евклида, Пифагора и других греческих ученых в этом направлении.

Торговля ставила новые задачи по развитию науки. Помимо учета товаров и денежных сумм, появились и более сложные проблемы. Торговцам нужна ориентация при передвижении на большие дистанции. Астрономы принимали и выполняли такие задачи. Люди нуждались в точных подсчётах, ведь никто не хочет заблудить на неизвестной земле. Земля приносит еду и она тоже нуждается в математике, постоянные сборы урожая расчёт еды на население и т.д. Человек существо имеющее свойство к потере не нужных воспоминаний моментов жизни, иногда и нужных. Поэтому люди связанные с наукой постоянно ищут методы , чтобы хранить как-либо расчёты. Но тут, к сожалению, прогресс шел гораздо медленнее. Для вычислений использовались всякие средства, которые имели различные возможности и назывались по-разному. Здесь существует своеобразная классификация:

1) примитивные средства;

2) первые приспособления;

3) первые приборы.[3]

Часть 1.1 Примитивные средства

Счёт на пальцах

В древние времена человек использовал для счёта то, что дала ему природа, свои руки – великолепный естественный компьютер.[4] Это метод очень прост и надёжен, он всегда с собой и удобен в использовании. Так как пальцев на наших руках десять, это свойственная для всех десятичная система счисления.

Во многих народах и странах человек использовал свои пальцы для примитивного счёта чего-либо. Не случайно в древнерусской нумерации единицы называются «перстами», десятки – «составами», а все остальные числа – «сочинениями». Кисть же руки – пясть – синоним и фактическая основа числительного «пять» у многих народов.[5](Приложение 1) Чтобы выразить, что в некоторой группе содержится пять предметов, говорили, что в ней столько же предметов, сколько пальцев на руке. Такой подход не случаен, поскольку на этой фазе развития абстрактного мышления аналогичные приемы применялись и для образования других понятий. Так, у тасманийцев для обозначения твердости говорили «как камень», а округлости — «как луна» или «как шар» и т. д.[6] У многих народов пальцы рук остаются инструментом счета и на более высоких ступенях развития.

Но у пальцевого счёта есть и минусы. Человек способен сосчитать, но долго хранить вычисления увы не может. Поэтому этот метод не надёжен в сохранении вычислений, поэтому нужно найти новый способ.

Счёт на камнях

Чтобы сделать процесс подсчета удобнее, человек стал использовать маленькие камни вместо пальцев (Приложение 2). Он ставил пирамиду из камней и определял, сколько там камней, но если их количество велико, то трудно посчитать количество камней на глаз. Поэтому первобытный человек начал складывать из камней более мелкие пирамиды одинакового размера, а поскольку на его руках было десять пальцев, то только десять камней образовывали пирамиду. Разные народы вместо камней использовали разные приспособления – кости, бобы, ракушки.[7]

Насечки на дереве или кости (бирки)

Широкое распространение получила фиксация результатов счета на предметах: нанесение зарубок (нарезок, насечек), завязывание узелков, проведение полос на песке или на снегу. К этой же разновидности счета следует отнести нанесение краской полос на руках (по числу дней) у аборигенов, кочующих по Австралии. Наиболее распространенным было нанесение зарубок на предметы, получившие впоследствии название бирок.[8] В Англии, этот способ записи налогов использовался до конца XVII столетия.

Узелковое письмо

Другие народы – китайцы, персы, индийцы, перуанцы – использовали для представления чисел и счета ремни или веревки с узелками. Узелковое письмо представляло несколько связанных между собой шерстяных или хлопчатобумажных ниток. Знаками на этих нитях служили узлы иногда с вплетенными в них камнями или цветными ракушками.[9]

  Достижения человека на этой стадии поистине неисчислимы. Они стали очень важной частью изучения математической науки. Человек создаёт удобства для вычислений, что-то уходит в бытие, а что-то только набирает обороты.

Часть 1.2 Первые приспособления

Абак

Следующий шаг в развитии вычислительных устройств был связан со становлением государств Средиземноморья. Усиление торговых отношений между ними привело к созданию нового инструмента, известного практически у всех народов.[10]

Происхождение слова “абак” хорошо не исследовано и поэтому не известно его происхождение. Предполагается, что в первоначальной форме абак представлял собой просто доску, покрытую слоем песка или пыли* на которой проводили линии, выкладывали камешки, строили геометрические фигуры.[11] Со временем эти доски стали расчерчивать на несколько полос и колонок. В Греции абак существовал уже в V веке до н. э., у японцев он назывался «серобян», у китайцев — «суанпан».[12]

Изобретение абака принесло человечеству много пользы, он служил долгое время и помогал экономить время в работе с большими числами. Но развитие математики требовало всё новых и новых открытий в сфере машин для вычислений.

Счёты

На рубеже XVI–XVII вв. появляется русский абак – счеты. Долгое время полагалось, что русские счеты возникли от китайского “суанпаня”. Лишь в начале 60-х гг. XX столетия ленинградский ученый И. Г. Спасский убедительно доказал русское происхождение этого счетного прибора. Доказательством служат следующие аргументы:

1) спицы с косточками находятся горизонтально;

2) числа представляются в десятичной системе счисления, а не в пятеричной, как прежде.

Десятичный строй счетов – достаточно веское основание для того, чтобы признать временем появления этого устройства XVI в., когда десятичный принцип счисления был в первый раз использован в денежном деле России.

В XVI в. термина «счеты» еще пользовали – прибор назывался «дощаным счетом» (Приложение 3) Самый ранний образец «счет» представлял собой два скрепленных ящика, похожих на раскладную шахматную доску. В каждом ящике два счетных поля с натянутыми между бортиками веревками или проволочками. На верхних 10 веревках – по 9 косточек (четок), на 11-й – их четыре, на остальных веревках – по одной.[13]

Название приспособления изменилось в XVII столетии. В 1658 г. впервые появилось название «счёты». По свидетельству историков, в XVII веке они уже изготавливались на продажу.

В начале XVIII в. счеты уже получили вид, существующий и сегодняшнего дня (Приложение 4). В них осталось лишь одно счетное поле, на металлических спицах которого размещалось либо 10, либо 4 косточки (спица с четырьмя четками называлась – дань «полушке», денежной единице в 1/4 копейки).

Русские счеты хорошо использовались при начальном обучении арифметике в качестве учебного пособия. Благодаря известному французскому математику и механику Ж. Понселе, который был знаком со счетами в Саратове, будучи военнопленным наполеоновской армии, аналогичный прибор появился во школах Франции, а затем и в Европе.

Часть 1.3 Первые приборы

Счетные палочки (костяшки) Непера

 Вычислительный прибор абак был отлично приспособлен с целью исполнения действий сложения и вычитания. Хотя умножение и деление перед распространением десятичной системы с арабскими цифрами были также сделаны на абаке, это был далеко не самый удобный способ выполнить эти действия. Поэтому понятно, что глубокое впечатление, которое произвело крупнейшее изобретение шотландского математика Джона Непера (1550 - 1617) (приложение 5) - логарифмы.

В письме к М. Местлину от декабря 1618 г. Иоганн Кеплер писал: «Некий шотландский барон, имя которого я не запомнил, выступил с блестящим достижением, в котором он каждую задачу на умножение и деление превращает в чистое сложение и вычитание...»[14]. Действительно, используя логарифмические таблицы, было относительно легко выполнять умножения и деления больших чисел. Недостатком была необходимость использования таблиц, это было частично устранено последующим изобретением логарифмической линейки.

Изобретатель логарифмических таблиц прекрасно понимал их большие преимущества и определенные недостатки. Чтобы создать альтернативный метод, он изобретает счетные палочки (Приложение 6), которые стали известны как палочки Непира. Непер писал, что изобрел их для тех, кто предпочитает не использовать логарифмы, а выполнять операции непосредственно с исходными числами. 
      В основу изобретения Непера был положен известный метод умножения решетки в свое время. Этот способ был разработан в Индии и использовался в нескольких странах Востока. Он был изложен в средневековых арифметических учебниках, в том числе «Сумма арифметики», Лука Пачоли.[15]

Вскоре появляются другие логарифмические таблицы. Они упростили вычисления, но все же эта операция оставалась достаточно трудоемкой и утомительной для тех, кто должен был делать это ежедневно. Поэтому вслед за изобретением логарифмов делаются попытки механизировать логарифмические вычисления.[16]

Логарифмическая шкала

Об авторе логарифмической шкалы, которая является прародительницей логарифмической линейки, мало что известно. Эдмунд Гюнтер (1581 - 1626), родом из Англии, учился в Оксфорде, где в 1615 году получил степень бакалавра теологии. В 1619 году он избран профессором Грэшемского колледжа, а в следующем году он опубликовал книгу «Canon triangulorum», в которой он разместил таблицы логарифмов синусов и тангенсов и описание своей логарифмической шкалы, Гюнтер известен также и тем, что им первым введены теперь принятые log и термины «косинус» и «котангенс».[17]

На пластине 6 логарифмических шкал длиной 600 мм и шириной 37 мм: числа, синусы, тангенсы, синусверзусов (была когда-то такая тригонометрическая функция – sin vers α = 1 – cosα)[18], синусов и тангенсов малых углов, синусов и тангенсов румбов, а также равномерные шкалы – «линия меридиана» и «линия равных частей». [19]

Логарифмическая шкала является прародительницей логарифмической линейки. Гюнтер известен тем, что впервые ввел хорошо известное всем обозначение log и термины «косинус» и «котангенс».

Логарифмические линейки

Таблицы Непера, расчет на которых требовал много времени, впоследствии были «встроены» в удобное устройство, которое чрезвычайно ускоряет процесс расчета - логарифмическую линейку. Она была изобретена в конце 20-х гг. XVII в.

Изобретателями первых логарифмических линеек независимо друг от друга являются Уильям Отред и Ричард Деламейн. Это событие произошло между 1620 и 1630 гг.[20]

Во время летних каникул 1630 года его ученик и друг, лондонский учитель математики Уильям Форстер, посетил его в доме Отреда. Коллеги говорили о математике и, как мы сказали бы сегодня, о методологии ее преподавания. В одной из бесед Отред раскритиковал школу Гюнтера, указав, что обработка двух циркулей занимает много времени и дает низкую точность. Видя недоумение Форстера, который высоко оценил это изобретение, он показал своему ученику два вычислительных инструмента, созданных им. Первый состоял из двух логарифмических шкал, одна из которых могла смещаться относительно другой, неподвижной. Второй инструмент состоял из кольца, внутри которого вращался круг по оси. На круге (снаружи) и кольце (внутри) были нанесены логарифмические шкалы. Оба инструмента позволяли производить расчёты без циркулей. Это были первые логарифмические линейки! Форстер удивленно спросил, как учитель может скрывать такие чудесные изобретения от мира? Ответ Отреда свидетельствует о замечательных педагогических принципах «маленького викария из Олбьюри»: «...истинный путь к овладению Искусством проходит не через Инструменты, но через Доказательства. И это нелепая манера невежественных учителей начинать с Инструментов, а не с Науки. Поэтому вместо Мастерства их ученики обучаются только трюкам, подобно фокусникам. И несмотря на обучение, это приводит к потере драгоценного времени и превращению умов жаждущих и трудолюбивых в невежественные и ленивые. Использование Инструментов действительно превосходно, если человек владеет истинным Мастерством, но презренно, если это владение противопоставляется Искусству».[21]

Итоги

Человек всё уверенней становиться основателем математической науки. Учёные, учителя … создают простые приборы разного рода, но сложные на то время инструменты. Появление приспособлений способствовало развитию торговли, экономики в целом, человеку стало проще делать расчёты, а значит проще строить, создавать. Его вычисления становятся всё точнее и точнее. Но этого не хватает и всё это не надёжно, ему нужно более “тонкие” и большие расчёты, а лучше если они будут автоматизированные.

Глава 2. Механический период

Автоматика, вот в чём нуждались все прошлые вычислительные приборы. В их действии постоянно нужно контролировать и направлять свою цель вычисления, но машины имеющие свой “мозг”, гораздо проще и эффективней, так как человеку свойственно забывать. Мы постоянно наблюдает за миром вокруг себя. Звёзды, луна интересовали астрономов, они делали огромное количество наблюдений, что занимало очень много времени, не только для записей, но и для поиска информации в таком количестве, моряки, торговцы все эти люди нуждались в более развитых машинах. Для облегчения и ускорения такой работы стали разрабатывать вычислительные устройства. Так появились различные механизмы – первые суммирующие машины и арифмометры.

Часть 2.1 Машина Леонардо да Винчи

Леонардо да Винчи (Приложение 7) являеться величайшим изобретателем. Его машины удивляют креативностью и простотой. Он создал машину, основой которой являлись стержни, на которых крепятся два зубчатых колеса, по обе их стороны, одно колесо являлось большим, а другое маленьким. Они располагались таким образом, чтобы меньшее входило в сцепление с большим на другом конце. Получалось что, меньшее колесо второго стержня сцеплялось с большим колесом следующего и т.д. В целом машина состояла из 13 стержней с зубчатыми колёсами и приводилась в движение набором грузов.

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).[22]

Машина да Винчи остановила прогресс развития, ведь его машина удовлетворяла потребности людей, а значит большего и не нуждалось. В связи с ненадобностью модернизации машин, их создание приостановилось на некоторое время.

Часть 2.2 Машина В. Шиккарда

До 1957 г. общепринятым было мнение, что первую механическую счетную машину изобрел великий французский математик и физик Блез Паскаль в 1642 году. Однако Францу Гаммеру, директору Кеплеровского научного центра (ФРГ), удалось найти доказательства создания механической вычислительной машины приблизительно за два десятилетия до изобретения Паскаля, о чем он доложил на семинаре в Математическом институте в Обервальфахе в 1957 году. Гаммер обнаружил в Штутгартской городской библиотеке фотокопию рисунка вычислительной машины, который, как он установил, была неизвестной до этого частью письма Вильгельма Шиккарда к Иоганну Кеплеру от 25 февраля 1624 года.[23]

Машина Шиккарда была продолжением развития ЭВМ. Так была созданная спустя почти сто с лишним лет после смерти Леонардо да Винчи. В. Шиккард разработал счетную машину с целью суммирования и перемножения шестиразрядных десятичных чисел.

Причиной, побудившей В. Шиккарда разработать такую машину, было его знакомство с польским астрономом Иоганном Кеплером. Работа великого астронома в основном была связана с вычислениями. В. Шиккард решил оказать ему помощь в нелегком труде. В своих письмах к Иоганну Кеплеру в 1623 г. Шиккард описывает проект суммирующей машины (Приложение 8), которую он назвал «счетными часами». Машина Шиккарда состояла из трех частей:

  1. суммирующего устройства (для выполнения сложения и вычитания);
  2. множительного устройства (для выполнения умножения);
  3. механизма для записи промежуточных результатов.

Суммирующее устройство было шестиразрядным. В каждом разряде на оси была закреплена шестерня с десятью зубцами и колесо с одним зубом, пальцем.

Палец служил для передачи десятка в следующий разряд и после полного оборота шестерни поворачивал шестерню следующего разряда на 1/10 оборота, что соответствовало сложению с единицей. Сложение осуществлялось последовательным вводом слагаемых, а вычитание – последовательным вводом уменьшаемого и вычитаемого. При вычитании шестерни вращались в другом направлении. В окошках считывания машины можно было прочитать результат, уменьшаемое и вычитаемое. Деление выполнялось путем многократного вычитания делителя из делимого. Для умножения использовались таблицы умножения, навернутые на шесть осей.[24]

Известно, что было создано только две машины, одну из которых Шиккард хотел подарить Кеплеру. Но, увы, эти машины сгорели в пожаре и единственные кто знал об них это: сам профессор и механик Вильгельм Пфистер, который и создал эти машины по заказу Шиккарда. Именно поэтому считалось, что первый арифмометр воплотил в жизнь учёный из Франции Блез Паскаль.

Часть 2.3 Суммирующая машина Б. Паскаля

Итак, с древних времён человек создаёт методы, чтобы улучшить свою жизнь в расчётах. Все машины созданные человеком требовали непосредственного вмешательства в работу приспособлений. Но настаёт новое время, в котором машина получает свой “мозг”. Эту машину создаёт Блез Паскаль (Приложение 9).

Мечта Паскаля была в том, чтобы помочь своему отцу в его сложной и трудоёмкой работе сборщика налогов. Сын хотел облегчить отцовские старания и планировал создать машину способную на такие возможности.

«В 1642 году Б. Паскаль сконструировал первый механический вычислитель, позволяющий складывать и вычитать числа.»[25] Создание машины дело не из лёгких. Даже делая, умный расчёт и имея качества креативного создателя, кроме того, он должен родиться механиком, чтобы не только быть искусным от природы в изобретательстве, но и уметь понять все науки и ремесла, о таком исследователе можно сказать: «то, что видят его глаза, могут сделать его руки. Его любовь к своей профессии не позволяет ему обойтись без тревог и расходов, ибо в течение всей жизни ему придется каждодневно учиться чему-нибудь новому и экспериментировать... »[26] Эта машина осталась в истории вычислительной техники под названием “паскалина” (Приложение 10).

Арифметические операции в этой машине проходили так: Паскаль заменил поступательное движение костяшек в абаковидных инструментах на вращательное движение оси. «Таким образом, в его машине сложению чисел соответствовало сложение пропорциональных им углов.»[27]

Основные идеи Паскаля:

1. Представление чисел углом поворота счетных колес: каждому числу от 0 до 9 соответствовал свой угол.

2.Идея автоматического переноса десятков. Здесь Паскаль столкнулся с определенной трудностью: изобретенный им механизм передачи десятков работал, когда счетные колеса вращались только в одном направлении, это не позволяло вычитать при вращении колес в другую сторону. Простой и изобретательный выход из этого положения, найденный Паскалем, оказался очень успешным, что его используют в современных компьютерах. Паскаль заменил вычитание на сложение с добавлением вычитаемого. Для 8-битного компьютера Pascal, который работал в десятичной системе, дополнение числа А будет число (100 000 000 – А), поэтому операция разницы В – А можно заменить сложением: В + (100000000 – А) = 100000000 + (В – А).

3. Принцип связанных колес явился основой, на которой строилось большинство вычислительных устройств на протяжении следующих трех столетий.[28]

Машина Блеза Паскаля является началом эпохи первых механических машин. Он воплотил свою мечту не только для отца, но и для всего мира. В будущем в честь этого французского математика, литератора, физика и философа, создадут язык программирования.

Часть 2.4 Счетная машина Г. В. Лейбница

Первый арифмометр, это устройство, созданное для решения суммы и разницы, но и перемножения и деления, было изобретено Готфридом Лейбницем (1646 - 1716) (Приложение 11). Интерес Лейбница к вычислительным машинам, по-видимому, был связан с его идеями, которые вследствие стали основой математической логики. Влияние на планы Лейбница, видимо, оказало его знакомство с изобретением Паскаля, доказавшего на практике возможность механизации расчетов.

В письме Томасу Бернету, Вильгельм гордо рассказывал о том, что его машина не похожа на “паскалину” и совершенно улучшена. Она способна мгновенно выполнять умножение и деление над огромными числами. Машина Лейбница первая в мире способная выполнять до четырёх действий арифметики. В её основе находился ступенчатый валик Лейбница (Приложение 12), представляющий из себя цилиндр с зубцами разной длинны, которые в свою очередь соединяются со счётным колесом. Передвигая колесо вдоль вала, он входит в сцепление с определённым количеством зубцов и обеспечивают установку нужной цифры.

В компьютере, появившемся более двух столетий спустя, устройство, которое выполняет арифметические операции (так же, как «арифметический инструмент» Г. Лейбница), называлось арифметическим. Позже, когда был добавлен ряд логических действий, они стали называть это арифметико-логическим (АЛУ). Оно стало основным устройством современных компьютеров.[29]

Готфрид Вильгельм всю свою жизнь посвятил этой машине, он постоянно старался улучшить её и даже подарить Петру I[30], но увы она была сломана и механик не успел починить её к сроку. Усовершенствованные машины были хороши, но вскоре нашёлся человек который доделал машину до ума и поставил его на конвейер.

Часть 2.5 Арифмометр К. Томаса

Впервые «серийное производство» арифмометров наладил уроженец Эльзаса Карл Ксавье Томас. 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.[31]

Часть 2.6 Арифмометр В. Однера

Простота и завершённость машины К. Томаса дала ему признание людей. Всем казалось, что машину нельзя улучшить и создать более совершенный прибор. Однако в 1890 г. Вильгорд Теофилович Однер, петербургский изобретатель, записал в своем дневнике: «После 15 лет труда и постоянных улучшений мне удалось устроить аппарат, превосходящий значительно изобретённые моими предшественниками».[32] (Приложение 13)

Основным элементом арифмометра было зубчатое колесо, получившее название “колесо Однера”. Оно состоит из диска, который хорошо крепится на ведущем валу, и установочной шайбы . Эту шайбу можно вращать за специальный выступ относительно неподвижного диска, в пазах которого могут радиально двигаться выдвижные зубья, имеющие штифты. Штифты входят в криволинейный паз установочной шайбы. Если вращать шайбу с помощью выступа, то изгиб находяшийся на середине паза, давление на штифты продвигает зубья либо наружу, либо внутрь колеса. Получается, от положения шайбы шайбы зависит количество зубов.

В 1899 г. Вильгодт Теофил Однер организовал предприятие, на котором создавались его машины, находился этот завод в Петербурге. После эмиграции В.Однера в Швецию в 1917 г. арифмометры его конструкции продолжали выпускать на заводе им. Дзержинского под маркой «Феликс». В 1969 г. их было произведено 300 000 штук[33]

В России зародилась важная отрасль промышленности – производство ЭВМ. У машин стали появляться клавиши. Они улучшались вплоть до 70-х годов XX века. Механические устройства заменялись электронными, в итоге начали создавать персональные ЭВМ.

Часть 2.7 Машина П. Чебышева

В рамках исследований в области арифмометров в России было сделано открытие — непрерывная передача десятков в арифмометре Чебышева, оказавшее существенное влияние на развитие арифмометров с электроприводом.[34] 

Пафнутий Львович Чебышев (Приложение 14) великий русский математик. Его оригинальность конструкции была весьма интересна. Его машина изобретательна тем, что шестеренка единиц, делая полный оборот, поворачивает шестеренку десятков на 1/10 оборота, а шестеренку сотен – на 1/100 и т.д.[35] Спустя некоторое время этот механизм доработали, так как он был не стабилен и машины часто ломались, но в итоге получил настоящее признание и его использовали в американских машинах “Мерчент” до середины XX столетия.

Часть 2.8 Ткацкий станок для ЭВМ

Как бы глупо это не звучало, но первая “память” машин появилась благодаря такому станку. Эту идею воплотил в жизнь человек по имени Жозеф Мари Жаккар (Приложение 15), также создавший “параллельный перенос”, с помощью которого могла быть выполнена целая серия сложений с единственной операцией переноса в конце.[36]

Этот станок (Приложение 16) был первым способный управлять введённой в него информацией. Изобретатель делал его для того, чтобы облегчить работу с трудными узорами. «При изготовлении такой ткани нужно поднять или опустить каждую из ряда нитей. После этого ткацкий станок протягивает между поднятыми и опущенными нитями другую нить. Затем каждая из нитей опускается или поднимается в определенном порядке, и станок снова пропускает через них нить. Этот процесс многократно повторяется до тех пор, пока не будет получена нужная длина ткани с узором.»[37] В этом аппарате он использовал “карты”(перфокарты) с отверстиями, чтобы всё происходило автоматически. Так он использовал перфокарты. Но его машина славиться только этим, в остальном машина была очень однонаправленная, так как использовала только десятичную систему счисления. Хоть он и пытался развиться в этом направлении, у него это не получилось.

Часть 2.8.1 Технологическая схема вычислений Г. Прони

Гаспар де Прони французский математик, правительство которого поручило ему заняться переходом на метрическую систему мер. Этот человек создавший первую в мире технологическую схему вычислений. Она содержала три этапа:

1. Определение (или разработка) методов численных вычислений. Эти методы давали возможность свести вычисления к четырем арифметическим операциям – сложение, вычитание, умножение, деление. На этом этапе действовала первая группа из нескольких высококвалифицированных математиков.

2. Задание последовательности арифметических действий и определение исходных данных, необходимых при их выполнении («программирование»). Эти работы выполняла вторая, более широкая по составу, группа математиков.

3. Выполнение составленной «программы», состоящей из последовательности арифметических действий. На этом этапе не было необходимости привлекать высококвалифицированных специалистов. Эта самая трудоемкая часть работы была поручена третьей и самой многочисленной группе вычислителей.[38]

Разделив труд на данные позиции, удалось увеличить скорость и повысить надёжность результатов. А значит такой метод будет работать и в ЭВМ. Время шло к созданию вычислительных машин с программным управлением последовательностью арифметических операций.

Часть 2.9 Машины Чарльза Бэббиджа

Чарльз Бэббидж (Приложение 17) был человеком, опередившим свое время.[39] Из всех изобретателей прошлых столетий, которые принесли не большой, но основной вклад в развитие ЭВМ. Этот человек ближе всех подобрался к созданию компьютера. Но не только в этой сфере он делал открытия. Не которые идеи используют и по сей день, такие как:

  1. Установка в поездах “чёрных ящиков” для более подробных данных о авариях (оборудовал вагон-лабораторию всевозможными датчиками, показания которых фиксировались самописцами.)
  2. В ходе работ над созданием вычислительных машин сделал большой прогресс в металлообработке. Сконструировал поперечно-строгальный и токарно-револьверный станки, придумал методы изготовления зубчатых колес. Предложил новый метод заточки инструментов и литья под давлением.
  3. Он содействовал реформированию почтовой системы в Англии. Составил первые надёжные страховые таблицы. Занимался теорией функционального анализа, экспериментальными исследованиями электромагнетизма, вопросами шифрования, оптикой, геологией, религиозно-философскими вопросами. Более того, известен как человек, первым взломавший шифр Виженера.
  4. Он был одним из основателей Лондонского статистического общества. В числе его изобретений были спидометр, офтальмоскоп, сейсмограф, устройство для наведения артиллерийского орудия.
  5. Использование морских приливов в производстве электричества.
  6. Изучение погодных условий прошлых лет по виду годичных колец на срезе дерева.[40]
  7. Разработка чертежей для судов и маяков.
  8. Изобретение игрового автомата “крестики нолики”.[41]

Бэббидж был одним из величайших изобретателей XIX века. Он сделал так много вещей и сделал их так чрезвычайно хорошо. Он был математиком, инженером и больше всего конструктором компьютеров. Как будто в одном лице было десять разных лиц.[42]

В 1822 году он разработал разностную машину, которая, по мнению некоторых, была первым автоматическим вычислительным устройством. Лишь десять лет спустя, в 1834 году, он начал проектировать свою аналитическую машину.

Его проект имел в себе более 2000 чертежей различных узлов. Предполагалось, что машина Бэббиджа будет чисто механическим устройством с паровым приводом. Она состояла из хранилища для чисел («склад»), устройства для производства арифметических операций над числами (Бэббидж назвал его «фабрикой»)[43] и устройства, которое контролирует операции машины в правильном порядке, включая передачу чисел из одного место другому; были предусмотрены средства для ввода и вывода чисел. Бэббидж работал над созданием своей машины до конца своей жизни (он умер в 1871 году), сумев сделать только некоторые части своей машины, которая оказалась слишком сложной для того уровня технологического развития.

Если бы что-то конкретное возникло, оно могло бы успешно стать первым универсальным компьютером. Но фактически действующей машины построено не было, поэтому его претензии на славу остались в основном только на тщательно разработанных чертежах. Тем не менее Чарльз Бэббидж добился известности, будучи первым, кто понял общую концепцию компьютера. Почти все принципы, лежащие в основе современного компьютера, были унаследованы от проницательного ученого XIX века. Аналитическая машина Бэббиджа была разработана для решения любых математических задач. Что наиболее важно, машина также обеспечивала несколько функций (условной передачи управления, подпрограмм и циклов), которые могли сделать ее программируемой. Для ввода программ использовались перфокарты, средства передачи данных, которые в конечном итоге нашли свое место в компьютере.

Гениальный человек жил в то время, когда существующие технологии не позволяли воплотиться в жизнь мечтам изобретателя. Поэтому Бэббидж не создал свою машину. И всё же его компьютер был близок к идеалу и он остался бы в истории как первый человек, создавший компьютер. “Его по праву называют провозвестником компьютерной эры.”[44]

Часть 2.9.1 Разностная машина

Первая машина Чарльза Бэббиджа называлась - разностная, так как в основе лежал метод конечных разностей. Данный метод упрощал действия умножения и деления, заменяя их цепочками простых сложений известных разности чисел.

Эта машина впитала в себя все разработки прошлых лет такие, как:

  1. “Память”– несколько регистров для хранения чисел.
  2. Счётчик числа операций со звнком ­– 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.

Движение механических частей машины должен был осуществлять паровой двигатель. Но вычисления были полностью автоматизированы (вплоть до автоматической печати результатов).[45]

Бэббидж был рад тому, что спроектировал такую машину, но чтобы её построить, ему нужны были большие накопления, которых он не имел. Он пытается достучаться до правительства, но они не видят в машине какой либо пользы и пишут: «затраты, которые необходимы для того, чтобы довести машину до состояния, удовлетворительного вообще или удовлетворительного для мистера Бэббиджа (!), даже по самым скромным подсчетам намного превышают первоначально предполагавшуюся сумму».(Письмо от 4 ноября 1842 года).[46] Они отказываются от прав на эту машину и передают её обратно создателю, на что Бэббидж ответил так же, просто не принял машину.

Часть 2.9.2 Аналитическая машина

Бэббидж бросает работу над разностной машиной и продолжает свой старый проект. Но на него нужны весомые деньги, ведь инструменты, зарплата для инженеров и рабочих не появится из воздуха. Поэтому он идёт на крайние меры. Он начинает испытывать свою удачу в лошадиных бегах, пытается написать роман, хочет создать игровой автомат (крестики нолики), но всё это безуспешно. В бегах он проигрывает (его верный друг леди Лавлейс отдаёт семейное ожерелье за проигрыш), книга не станет популярной как и автомат, поэтому его отговаривают от этих идей. [47]

Но работа над машиной продолжается. Она являлась прототипом современного компьютера и содержала следующие устройства:

  1. «склад» (или мельница) – устройство для хранения цифровой информации (теперь это запоминающее устройство или память);
  2. «мельница» или «фабрика» – устройство, выполняющее операции над числами, взятыми на «складе» (ныне это – арифметическое устройство);
  3. устройство, для которого Бэбидж не придумал названия и которое управляло последовательностью действий машины. Сейчас это устройство называется устройством управления. Следуя терминологии Ч. Бэббиджа, это устройство можно было бы назвать «конторой»;
  4. устройство ввода информации;
  5. устройство вывода информации.[48]

Бэббидж стал основоположником компьютерного ввода и вывода, он использовал перфокарты для того, чтобы выходная информация сохранялась и её можно было бы использовать в будущем, то есть перфокарты могли создавать полностью автоматическую работу машины. Ещё в этой машине впервые использовался принцип разделения информации на команды и данные.

По оценке Бэббиджа, его маина могла выполнять 60 сложений в минуту или одно умножение двух 50-значных чисел или деление 100-значного числа на 50-значное.[49]

Но это были лишь идеи. А воплощения так и не удалось увидеть. Разностная машина была не сильно развита, а значит не внушала мотивации. Что о аналитической машине не скажешь, но она была чем-то невероятным, слишком сложна и невозможна в строительстве. Только представьте, её размеры соответствовали размерам поезда. Только одних зубчатых колес нужно около 50000.

18 октября 1871 года Чарльз Бэббидж умер. В одном английском журнал описывают его жизнь такими словами:

Служа науке, он терпел лишенья,

Был рок его тревожен и суров,

Он злой судьбою избран был мишенью

Скорей ударов, нежели даров,

С тех пор, когда влекомый блеском таинств, Присущих математике, решил

Ступить на многотрудный путь, пытаясь

Достичь аналитических вершин.[50]

Действительно, этот человек ринёс миру великие достижения не только для людей, но и для учёных, которые тоже хотели сделать вклад в развитие ЭВМ, это: Отец и сын Шютцы, в 1840 году они построили модель, которая вычисляла до пяти символов функции с постоянными пер-вьтмиразностями, а к 1842 году – вторую модель, которая представляла таблицы с постоянными третьими разностями с той же точностью. В 1843 году Королевской академии наук Швеции продемонстрировали вторую модель, дополненную печатным механизмом. В них используется идеи Бэббиджа и Шютца, но по размерам она гораздо меньше, что очень важно.

Так о разностной машине больше ничего не было слышно, вплоть до последнего десятка XX века. В 1991 году к двухсотлетию со дня рождения ученого, сотрудники музея в Лондоне, воссоздали по его чертежам разностную машину (Приложение 18). Её масса около трёх тонн. Машина прекрасно справляется со слоными вычислениями и с тех пор функционирует без ошибок.

Эта ЭВМ создана по технологиям XIX века, отлично работает, а значит, что история ЭВМ могла начаться гораздо раньше. Жаль, что такого человека не поддержали и возможно сейчас, мы бы не печатали руками на клавиатуре, может делали бы это мыслями, а может быть это и к лучшему.

Машины улучшались и теперь им нужен человек который будет настраивать их “мозг”.

Часть 2.10 Первая программистка Ада Лавлейс

Причиной назвать Аду Лавлейс (Приложение 19) первым программистом в мире является созданная ею работа, состоящая из перевода на английский язык статьи, описывающей изобретение Бэббиджа.

Однако это был не просто перевод. Она дополнила текст подробными комментариями, увеличив его объем более чем в три раза. В частности, они занимались разработкой плана операций для аналитической машины. Это было первое программирование![51] Ее «операции», по словам самой создательницы, наделяли вычислительную машину потрясающей способностью плести алгебраические формулы, как жаккардовый ткацкий станок, который создает листья, цветы и узоры из пряжи.

Благодаря знакомству с Бэббиджем и его машинами, она сильно увлеклась ЭВМ. Учёный был удивлён, ведь она понимала работу его машины и могла сказать о её перспективе. После того, как итальянский инженер Л. Менабри составил подробный инструктаж по конструкции аналитической машины, Ада перевела его на английский язык. Она же нашла некоторые ошибки в рассуждениях Ч. Бэббиджа, проработала комментарии к тексту. В частности, использовать двоичное представление чисел в памяти предложила именно Ада.[52]

Она не останавливалась и обнаружила, что можно использовать набор перфокарт для повторяющихся действий, так она изобрела циклы и подпрограммы. Ада затрачивала очень много времени для проработки аналитической машины и постоянно называла её своим “первенцем”. Говоря об аналитической машине, Бэббидж хвалит её за то, что она лучше понимает его машину и объясняет её усройство ещё лучше.

Даже представ в таком улучшенном виде, машина Ады и Чарльза была реальна только на бумагах. Ада умерла, так и не попробовав запустить свои программы. Но её жизнь и история остались у нас в памяти, ведь в её честь сделали язык программирования АДА.

Итоги

Время с XVII вв. до конца XIX вв. является основным в развитии электронно вычислительных машин. Ряд многих учёных вложили свою лепту в развитие механических машин. Каждый сделал открытие и добавил, либо создал новые технологии того времени, а кто-то опередил развитие на целый век.

Заключение

Изучив данную тему можно сказать, что человек всё время делает свою жизнь лучше. Он изучает её, создаёт какие-то удобства, “программирует” то, что создал, он становиться взрослым. История машин невероятна, можно увидеть, что люди того времени отдавали всю свою жизнь, для того, чтобы изучать и создавать их. Машины постоянно менялись в размерах, сначала считали на деревянных приспособлениях, размеров с лист А4, а потом, спустя два века, была создана машина размером с локомотив, но способная делать огромные расчёты.

Их начинка постоянно дорабатывалась, добавлялись новые компоненты, даже часть ткацкого станка, до сих пор является основой “мозга” для ЭВМ. Всё это требовало больших накоплений и изучение длиной в жизнь, ведь многие структуры улучшались и становились всё обширнее и обширнее, такие как: торговля, астрономия и т.д. Всё это именно благодаря машинам создателей. Именно благодаря им: мы можем печатать текст, который машина сохранит, ведь у неё есть “память”, клавиатура, на которой проходит около 80% работы на компьютере. Есть язык, на котором машина может понимать нас. Всё это благодаря обычному человеку, который отдал исследованиям всю, свою, жизнь.

Библиография

  1. "Архитекторы компьютерного мира" автора Частиков Аркадий / https://www.rulit.me/books/arhitektory-kompyuternogo-mira-read-398933-1.html
  2. https://sheba.spb.ru/za/istoria-vychteh-1990.htm
  3. Ада Лавлейс – первая женщина-программист / https://geekbrains.ru/posts/ada_lovelace
  4. Большая книга мудрости стр. 3 - Марк Туллий Цицерон / http://iknigi.net/avtor-sbornik/91337-bolshaya-kniga-mudrosti-sbornik/read/page-3.html

  5. Бэббидж, Чарльз – Википедия / https://ru.wikipedia.org/wiki/Бэббидж,_Чарлз
  6. История вычислительной техники / И. А. Апокин, Л. Е. Майстров Изд-во “Наука” /
  7. История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.
  8. История развития ЭВМ – Викиучебник / https://ru.wikibooks.org/wiki/История_развития_ЭВМ
  9. От абака до компьютера. – Гутер Р.С., Полунов Ю.Л (Библиотека Знание) – 1981/ https://studfiles.net/preview/6048056/

Приложение

Все материалы скачаны из данного ресурса: https://yandex.ru/images/?clid=2270456&win=321

Страница 1

  1. Счёт на пальцах
  2. Счётная пирамида
  3. Дощаный счёт
  4. Счёты

Страница 2

  1. Джон Непер
  2. Счетные палочки
  3. Леонардо да Винчи
  4. Машина Шиккарда

Страница 3

  1. Блез Паскаль
  2. ”Паскалина”
  3. Готфрид Вильгельм Лейбниц
  4. Ступенчатый валик Лейнбица

Страница 4

  1. Колесо и арифмометр Однера
  2. Пафнутий Львович Чебышев
  3. Жозеф Мари Жаккар
  4. Ткацкий станок Жаккара

Страница 5

  1. Чарльз Бэббидж
  2. Разностная машина Ч. Бэббиджа
  3. Ада Лавлейс
  1. Большая книга мудрости стр. 3 - Марк Туллий Цицерон

  2. Стр. 4 История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.

  3. Стр. 4 История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.

  4. Стр. 5 История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.

  5. Стр. 5 История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.

  6. Часть 1.1.1 История вычислительной техники / И. А. Апокин, Л. Е. Майстров Изд-во “Наука”

  7. Стр. 6 История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.

  8. Часть 1.1.2 История вычислительной техники / И. А. Апокин, Л. Е. Майстров Изд-во “Наука”

  9. Стр. 7 История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.

  10. Стр. 8 История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.

  11. Часть 1.2. История вычислительной техники / И. А. Апокин, Л. Е. Майстров Изд-во “Наука”

  12. История развития ЭВМ – Викиучебник (Глава - Счётно-решающие средства до появления ЭВМ)

  13. Стр. 15 История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.

  14. Стр. 2 Гутер Р.С., Полунов Ю.Л. – От абака до компьютера (Библиотека Знание) – 1981

  15. Часть 1.3. История вычислительной техники / И. А. Апокин, Л. Е. Майстров Изд-во “Наука”

  16. Стр. 19 История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.

  17. Стр. 2 Гутер Р.С., Полунов Ю.Л. – От абака до компьютера (Библиотека Знание) – 1981

  18. Стр. 19 История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.

  19. Стр. 19 История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.

  20. Стр. 20 История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.

  21. Стр. 2 Гутер Р.С., Полунов Ю.Л. – От абака до компьютера (Библиотека Знание) – 1981

  22. Стр. 25 История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.

  23. Глава 2.1 История вычислительной техники / И. А. Апокин, Л. Е. Майстров Изд-во “Наука”

  24. Стр. 26-27 История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.

  25. Стр. 27 История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.

  26. Стр. 3Гутер Р.С., Полунов Ю.Л. – От абака до компьютера (Библиотека Знание) – 1981

  27. Стр. 28 История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.

  28. Стр. 29-30 История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.

  29. Стр. 31 История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.

  30. Стр. 4 "Архитекторы компьютерного мира" автора Частиков Аркадий

  31. Стр. 32 История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.

  32. Стр. 32 История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.

  33. Стр. 33 История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.

  34. Введение История вычислительной техники / И. А. Апокин, Л. Е. Майстров Изд-во “Наука”

  35. Стр. 34 История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.

  36. Стр. 9 "Архитекторы компьютерного мира" автора Частиков Аркадий

  37. Стр. 36 История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.

  38. Стр. 37 История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.

  39. Стр. 6 "Архитекторы компьютерного мира" автора Частиков Аркадий

  40. Стр. 38 История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.

  41. Бэббидж, Чарльз – Википедия / https://ru.wikipedia.org/wiki/Бэббидж,_Чарлз

  42. Стр. 7 "Архитекторы компьютерного мира" автора Частиков Аркадий

  43. История развития ЭВМ - Викиучебник

  44. Стр. 7 "Архитекторы компьютерного мира" автора Частиков Аркадий

  45. Стр. 40 История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.

  46. Стр. 10 Гутер Р.С., Полунов Ю.Л. – От абака до кмпьютера (Библиотека Знание) – 1981

  47. Стр. 10 Гутер Р.С., Полунов Ю.Л. – От абака до компьютера (Библиотека Знание) – 1981

  48. Стр. 40 История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.

  49. Стр. 40 История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.

  50. Стр. 10 Гутер Р.С., Полунов Ю.Л. – От абака до компьютера (Библиотека Знание) – 1981

  51. Ада Лавлейс – первая женщина-програмист / https://geekbrains.ru/posts/ada_lovelace

  52. Стр. 46 История вычислительной техники : учеб. пособие / И. А. Казакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – 232 с.