10

1 Доэлектронная история вычислительной техники

Современная история вычислительных машин насчитывает почти шестьдесят лет, однако у этой истории есть предыстория длиной в несколько веков. Краткий обзор доэлектронной истории вычислительной техники (ВТ) в настоящей главе включает лишь принципиальные, узловые события истории, цепь которыхдаствозможность понять, что создание современного компьютера – не чудо сверхъестественных сил, а закономерный результат технического творчества поколений ученых и конструкторов. В истории вычислительной техники можно выделить четыре эпохи [1]:

Домеханическая эпоха – с древнейших времен и до середины XVII века. Элементной базой вычислительных устройств тех лет были подручные предметы – камешки, палочки и т.п. Величайшие достижения домеханической эпохи – счеты и логарифмическая линейка.

Механическаяэпоха. XVIIи XVIII века – времярасцвета точныхмеханических устройств. Именно в это золотое для механики время были созданы первые конструкции вычислительных машин – суммирующая машина Паскаля, арифмометр Лейбница и аналитическая машина Бэббиджа, по смелости инженерных решений на столетие опередившая свое время.

Электромеханическая эпоха. В конце XIX века появилась техническая возможность превратить чисто механические вычислительные устройства в электромеханические, в которых передача сигналов не шестеренками, а импульсами тока. Начало этой эпохи отмечено изобретением табулятора Холлерита, конец - релейными вычислительными машинами типа MARK.

Электронная эпоха. Царство электромеханики было недолгим – меньше столетия. В начале XX века были изобретены первые электронные приборы – радиолампы, затем триггер – радиосхема с двумя устойчивыми состояниями, которая пришла на сменуэлектромагнитномуреле. На ихоснове в 1920-х и 1930-х годах были построены основные комплектующие средств ВТ – регистры, счетчики и логические схемы. Таким образом, к 40-м годам была создана элементная база электронной вычислительной техники, и вскоре была построена первая работающая ЭВМ ENIAC.

Наконец, в конце 1950-х годов на смену радиолампам пришли транзисторы, которые со временем становились все миниатюрней. Пришла пора микроэлектроники, когда практически сняты все ограничения на сложность электронных устройств: современные микросхемы насчитывают миллионы дискретных элементов. Технологический прорыв оказался столь существенным, что его назвали микропроцессорной революцией. Эта революция продолжается и по сей день.

11

А теперь перейдем к более подробному изложению доэлектронной истории вычислительной техники

1.1 Простейшие вычислительные устройства

Простейшими вычислительными устройствами домеханической

эпохи были абак и счеты.

По принципу действия они являются цифровыми (дискретными), так как оперируют с цифровой записью числа. Абак представлял собой дощечку, разделенную вертикальными перегородками на несколько отделений, соответствующих отдельным разрядам числа в позиционной системе счисления. В отделениях помещались камешки (по латыни «камешек» - «calculus», отсюда происхождение слова «калькулятор»). Число их в отделении равно значению разряда и может меняться в десятичной системе счисления от 0 до 9. Сложение чисел производится путем поразрядного добавления камешков, при переполнении отделения оно «очищается» и происходит перенос единицы в другой разряд. Единственное неудобство– камешки легко рассыпались и терялись при переноске. Арабские купцы разнесли абак по всему миру, а практичные китайцы нанизали камешки на спицы, вставили их в деревянную раму и повернули все на 90 градусов. В таком виде абак и попал в XVI веке в Россию, где стал называться рус-

скими счетами.

Наряду с цифровыми устройствами существуют аналоговые, оперирующие с физическими величинами, представляющими значение числа.

Простейшим аналоговым вычислителем является логарифмическая линейка, изобретенная в первой половине XVII века. Логарифмическая линейка –устройство, позволяющее выполнять несколько математических операций, в том числе умножение и деление чисел, возведение в степень и вычисление логарифмов и т.п.

В противоположность «точному» устройству – абаку, на логарифмической линейке представляется не цифровая запись числа, а некоторыйего физический аналог.

Таким образом, логарифмическая линейка является простейшим примером аналоговой вычислительной машины (АВМ). Цифровые (дискретные) и аналоговые вычисления – это две постоянно сосуществующие и конкурирующие ветви математики.

После изобретения радиоламп и транзисторов появились электронные АВМ, завоевавшие к 1960 годам большую популярность, сравнимую с популярностью цифровых вычислительных машин, их изучение было обязательным на всех технических факультетах, что объяснялось следующими факторами:

12

−аналоговые машины были проще, меньше по размерам и дешевле цифровых;

−на АВМ очень легко выполнялись трудоёмкие операции дифференцирования и интегрирования функций, решения дифференциальных уравнений высоких порядков;

−результат вычислений получался немедленно после ввода исходных данных, причем выводился в виде физической величины и мог непо-

средственно использоваться для отображения на экране осциллографа. В дальнейшем АВМ развивались вместе с цифровыми, они прошли

все эпохи вплоть до электронной, однако в 1970-х годах XX века были вытеснены более универсальными цифровыми компьютерами. Но это не значит, что аналоговые вычисления вытеснены цифровыми навсегда.

Дело в том, что некоторые объекты, например графические или звуковые образы, являются исключительно трудными для символьной обработки. Например, мощнейшие цифровые процессоры с большим трудом и недостаточным качеством справляются с задачами чтения слитного рукописного текста или распознаванием потока речи.

Почему? Установлено, что в человеческом мозгу одно полушарие (левое) подобно ЦВМ, оперирует со знаками и абстрактными понятиями. Правое же полушарие отвечаетза образное, аналоговое мышление. Только совместная работа обоих полушарий делает мозг таким как он есть – пока недоступным для конкуренции со стороны чисто цифровых компьютеров.

1.2 Механические вычислительные машины

Первая цифровая механическая вычислительная машина - Паскалина – была изобретена французским ученым и изобретателем Блезом Паскалем в 1642 году(рис. 1.1). Она могла выполнять операции сложения и вычитания.

Рис. 1.1. Паскалина Б.Паскаля (1642 г.)

13

Говорясовременным языком, Паскаль изобрелмногоразрядныйдесятичный механический счетчик оборотов, который до сих пор используется в спидометрах автомобилей, бытовых электросчетчиках и т.д. Однако машина предназначалась исключительно для сложения и вычитания, а самые трудоёмкие операции умножения и деления она не механизировала.

Машина Паскаля была усовершенствована великим немецким ученым Готфридом Лейбницем в 1673 году. Он ввел в конструкцию ступенчатый «валик Лейбница» и подвижную каретку, в результате получился прообраз арифмометра, выполняющего четыре арифметических действия. Арифметические машины Лейбница совершенствовалась на протяжении XVIII-XIX веков, получили название арифмометров и выпускались промышленностью в массовых количествах. На московском заводе им. Ф. Дзержинского эти арифмометры выпускались под маркой «Феликс», в 1969 году их было произведено 300 тысяч штук. Впоследствии их заменили электромеханические, а затем электронные калькуляторы.

Однако современные электронные калькуляторы недалеко ушли от арифмометра Лейбница: они предназначены для выполнения одной изолированной операции, а если нужно выполнить цепочку вычислений, то приходиться каждый раз результат запоминать и вводить данные вручную. Это происходит по одной простой причине – в калькуляторах не реализован фундаментальный принцип, который, собственно и превратил калькулятор в компьютер – принцип программного управления.

1.3 Принцип программного управления

Принцип механического программного управления был впервые реализован французским механиком Жозефом Мари Жаккаром, который в 1801 году построил ткацкий станок, который управлялся программным механизмом на перфокартах. Перфокарта представляла собой прямоугольный кусок тонкого картона с пробитыми на нем рядами отверстий, каждый ряд соответствовал одной нити основы ткани. Желаемый рисунок ткани предварительно кодировался на перфокартах, а в процессе работы цепочка перфокарт протягивалась через станок и ощупывалась программным механизмом. Есть отверстие – щуп опускался и челнок в это месте нырял под основу, нет – челнок проходил над основой. Таким образом, стало возможным запрограммировать рисунок любой сложности и станок его отрабатывал с непостижимой для человека скоростью.

Станок Жаккара произвел революцию в технике, ибо он ознаменовал собой рождение нового технологического принципа – принципа про-