Лекція № 2

Тема I: Предмет, методи і завдання дисципліни.

Заняття 2 Основні відомості про комп’ютер.

Зміст

1. Історія розвитку обчислювальної техніки.

2. Загальні зведення про персональний комп'ютер.

1. Історія розвитку обчислювальної техніки

1.1. Еволюція засобів обчислювальної техніки

С учасним комп’ютерам передували механічні і електромеханічні пристрої. Аж до сімнадцятого століття абак і його модифікація - рахівниці (у китайців – «суан-пан», у японців – «серобян», в Росії – «щоты».)- залишалися єдиним інструментом для проведення обчислень.

У 1642 році французький математик і філософ Блез Паскаль у віці 18 років створює першу модель обчислювальної машини «Паскаліну» или «Паскалеве колесо». Машина Паскаля складалася з восьми дисків, які рухалися, з прорізами і могла підсумовувати числа до восьми знаків. Для своєї машини Паскаль використовував десяткову систему числення. Наприклад, якщо перший диск зміщувався на десять прорізів, що складало його повний оберт, він переміщав наступний диск на одну позицію і, таким чином, збільшував кількість десятків на один. Коли диск, що представляє десятки, робив повний оберт, він зміщував наступний диск, збільшуючи кількість сотень, і т. інш.

Відомі і більш ранні спроби створення механічних підсумовуючих машин. Опис підсумовуючої машини, що нагадує за характеристиками машину Паскаля, у 1967 році було виявлено в записках, що належать Леонардо да Вінчі. Подібний пристрій також був описаний у 1623 році Вільгельмом Шикардом. До наших днів дійшли тільки креслення Шикарда, виявлені в 1956 році.

У 1694 році німецький математик і філософ Готфрід Вільгельм Лейбніц, використовуючи креслення і малюнки Паскаля, поліпшив машину Паскаля, додавши можливість перемножувати числа. Замість звичайних шестерінок Лейбніц використовував покроковий барабан.

Проте широкого поширення обчислювальні апарати набули тільки в 1820 році, коли француз Чарльз Калмар винайшов машину, яка могла виконувати чотири основні арифметичні дії. Машину Калмара назвали арифмометр. Завдяки своїй універсальності, арифмометри використовувалися досить тривалий час. Багато учених і винахідників удосконалювали ці пристрої. Так, швед, що жив в Росії, Вільгодт Однер в 1880 році створив арифмометр, в якому використовувалося змінне число зубців. Пізніше на основі арифмометра Однера був створений арифмометр "Фелікс", що випускався в СРСР аж до 70-х років ХХ ст.

Початок ери комп’ютерів у тому вигляді, в якому вони існують зараз, пов’язаний з ім’ям англійського математика Чарльза Бебіджа, який у 30-х роках XIX століття запропонував ідею обчислювальної машини, здійснену лише в середині XX століття. Бебідж звернув увагу на те, що машина може без помилок виконувати обчислення великих математичних таблиць за допомогою простого повторення кроків. Працюючи над цією проблемою, Бебідж у 1822 році запропонував проект машини для розв’язування диференціальних рівнянь. Для повторення операцій у машині Бебіджа повинна була використовуватися енергія пари. Таким чином, сам процес обчислень дійсно був автоматизований, тобто проходив без участі людини. Надалі Бебідж вирішив створити модель універсальної обчислювальної машини, здатної виконувати широке коло завдань. Він назвав її аналітичною машиною. В аналітичної машини Бебіджа були усі основні риси сучасного комп’ютера

(для цієї машини була написана перша у світі програма. Її автор - Августа Ада Байрон (1815–1852), віконтеса де Лавлейс, дочка досить відомого поета Джорджа Гордона Байрона. Саме їй належала ідея використання перфорованих карт для програмування обчислювальних операцій (1843). Її можна з повною підставою назвати найпершим у світі програмістом. Сьогодні її ім’ям названа одна з відомих мов програмування). Аналітична машина, що складалася більш ніж з 50000 компонентів, включала пристрій введення інформації, блок управління, запам’ятовуючий пристрій і пристрій виведення результатів. Аналітична машина могла виконувати певний набір інструкцій, які записувалися на перфокартах. Перфокарти були прямокутними картками з картону. Кожній інструкції аналітичної машини відповідала певна послідовність дірочок, які пробивалися на перфокартах, а потім за допомогою пристрою введення поступали в блок управління. Бебиджу так і не вдалося закінчити свій проект, а незавершений варіант його "комп'ютера", що прозвав сучасниками "дивацтвом Беббиджа", був зданий на зберігання в музей королівського коледжу в Лондоні. Хоча аналітична машина в тому вигляді, в якому її задумав Бебідж , так і не була створена, ідеї, закладені Бебіджем, зробили величезний вплив на розвиток обчислювальної техніки. Автоматизація обчислень, універсальність обчислювальної машини, набір внутрішніх інструкцій, загальна конструктивна схема, організація введення і виведення інформації – усі ці елементи згодом були використані при створенні комп’ютера.

Повністю «Різницева машина» Ч. Бебіджа була добудована тільки у 1991 р. двома інженерами Р. Криком і Б. Холловеєм у Лондонському науковому музеї до 200-річчя з дня народження її автора. Вона складається з 4000 деталей и може обчислювати різниці 7-го порядку.

У 1889 році американський винахідник Герман Холлерит сконструював перфокартковий пристрій для розв’язування статистичних задач. На відміну від ідеї Бебіджа, зберігати на перфокартах інструкції, Холлерит використовував перфокарти для зберігання даних. Крім того, для роботи перфокарткового пристрою використовувалася електрика. Цифри на перфокарті зображалися одинарними отворами, а букви алфавіту – подвійними. Спеціальний електричний прилад розпізнавав отвори на перфокартах і посилав сигнали в оброблювальний пристрій. Обчислювальна машина Холлерита виявилася на ті часи дуже швидким пристроєм обробки даних, а перфокарти – зручним способом зберігання даних. Машина Холлерита була використана для обробки результатів перепису населення США. Обробка результатів попереднього перепису 1880 року зайняла близько 10 років. За цей час встигло вирости нове покоління американців. За допомогою машини Холлерита ті ж дані були оброблені всього за шість тижнів. У 1896 році Холлерит заснував компанію по виробництву перфоруючих пристроїв – Tabulating Machine Company, яка в 1924 році після серії злиттів і поглинань перетворилася на знамениту компанію по виробництву комп’ютерів – IBM (International Business Machines).

Окрім механічних і електромеханічних обчислювальних машин з’явилися також аналогові обчислювальні машини, в яких обробка інформації відбувалася за допомогою спеціально підібраного фізичного процесу, що моделює обчислювану закономірність. Простою аналоговою обчислювальною машиною є годинник. Першими аналоговими машинами були пристрої, в яких головними елементами були інтегруючі і диференціюючі пристрої, що дозволяють миттєво обчислювати інтеграл і похідну заданої функції, відстежуючи її зміну в часі.

Корисною властивістю аналогової обчислювальної машини є практично миттєве отримання рішення після задання необхідних параметрів задачі і встановлення моделюючого фізичного процесу. Проте коло задач, які може вирішувати аналогова машина, обмежений тими фізичними процесами, які вона в змозі моделювати. Крім того, точність рішення аналогової машини часто недостатня для певного кругу завдань, а підвищення точності пов’язане із значним зростанням вартості обчислень.

З іншого боку, механічні та електромеханічні обчислювальні машини, призначені для вирішення складних задач, вимагають наявності величезної кількості елементів для представлення чисел і зв’язків між ними, що істотно ускладнює їхню роботу.

У 1936 році англійський математик Алан Т’юрінг опублікував роботу “Про обчислювані числа”, заклавши теоретичні основи теорії алгоритмів. Концепція Т’юрінга виникла в результаті проведеного ним аналізу дій людини, що виконує відповідно до заздалегідь розробленого плану ті або інші обчислення, тобто послідовні перетворення знакових комплексів. Аналіз цей, у свою чергу, був здійснений ним з метою вирішення проблеми пошуку точного математичного еквіваленту для загального інтуїтивного уявлення про алгоритм. Робота Т’юрінга стимулювала виникнення абстрактної теорії автоматів і багато в чому визначила її особливості.

У своїй роботі Т’юрінг описав абстрактну обчислювальну машину, яка дістала назву машини Т’юрінга. Машина Т’юрінга є автоматичним пристроєм, здатним знаходитися в кінцевому числі внутрішніх станів і забезпеченим нескінченною зовнішньою пам’яттю – стрічкою. Серед станів виділяються два – початковий і кінцевий. Стрічка поділена на клітинки. У кожну клітинку може бути записана будь-яка з букв деякого алфавіту. У порожню клітинку записана “порожня буква”. У кожен момент часу машина Т’юрінга знаходиться в одному із своїх станів і, розглядаючи одну з клітинок стрічки, сприймає записаний в ній символ.

У некінцевому стані машина Т’юрінга здійснює крок, який визначається її поточним станом і символом на стрічці, що сприймається в даний момент. Крок машини Т’юрінга полягає в наступному:

1. У даній клітинці записується символ, співпадаючий із старим, або порожній.

2. Машина переходить у новий стан, співпадаючий із старим, або кінцевим.

3. Стрічка зсувається на одну клітинку або залишається на місці.

Перерахування усіх можливих кроків машини Т’юрінга, залежно від поточної комбінації некінцевого стану і сприйманого символу називається програмою машини Т’юрінга. Конфігурація машини Т’юрінга визначається конкретним заповненням клітинок стрічки символами і внутрішнім станом, в якому машина знаходиться. Якщо зафіксувати яку-небудь некінцеву конфігурацію машини в якості початкової, то робота машини полягатиме в послідовному перетворенні початкової конфігурації відповідно до програми машини до тих пір, поки не буде досягнутий кінцевий стан.

Т’юрінг не переслідував мети винайти комп’ютер. Проте, описана ним абстрактна машина визначила деякі характеристики сучасних комп’ютерів. Так, наприклад, нескінченна стрічка є аналогом оперативної пам’яті сучасного комп’ютера. Уперше подібна модель пам’яті була використана в комп’ютері Атанасова і Беррі.

Вирішуючи цю проблему, американці Джон Атанасов і Кліффорд Беррі у 1940 році розробили модель повністю електронного комп’ютера, що використовує єдину систему представлення чисел і зв’язків між ними, – булеву алгебру. Їхній підхід базувався на роботах англійського математика XIX ст. Джорджа Буля, присвячених апарату символьної логіки. В основі булевої алгебри лежить інтерпретація елементів булевої алгебри як висловлювань, що набувають значення “істина” або “брехня”. Атанасов і Беррі застосували цю концепцію для електронних пристроїв. Істині відповідало проходження електричного струму, а брехні – його відсутність. Для представлення чисел Атанасов і Беррі запропонували використовувати двійкову систему числення.