Электронная мини-энциклопедия "История вычислительной техники"

От абака до ЭНИАК

История вычислительной техники

Разделы:

• Абак и счеты.
• Первые механические счетные машины.
• Вычислительные машины XIX - начала XX века.
• Вычислительные машины XX века.

Римский абак

Старинные китайские счеты

Абак - первое счетное приспособление, которое стал применять человек.

Греческий абак

Абак Герберта

Абак был известен еще в Древнем Египте и, возможно, в Вавилонии, а финикийские купцы завезли его в Грецию. Первое письменное упоминание об абаке принадлежит древнегреческому историку Геродоту (484 - 425 г. до н.э.). А вот самое раннее изображение абака можно видеть на вазе, изготовленной греческими мастерами в III в. до н.э. На ней рядом с персидским царем Дарием I находится казначей, занятый подсчетами на абаке. О том, что изначально данное устройство служило именно для выполнения денежных расчетов, свидетельствует и единственный сохранившийся до наших дней древнегреческий абак - так называемая саламинская плита, найденная при раскопках в 1846 г. Это действительно большая (размером 105х75 см) мраморная плита, на которой прорезаны параллельные линии, образующие несколько колонок. В левой колонке подсчитывали крупные денежные единицы - драхмы и таланты. В правой части считали «мелочь» - халки и оболы. «Стоимость» разрядов обозначена высеченными рядом с ними греческими буквами. На такой доске легко складывать и вычитать, добавляя или убирая камешки и перенося их из разряда в разряд.

Греческий абак

Хотя в Древнем Риме абак и назывался calculi - «камешки» (отсюда произошел латинский глагол calculare - «вычислять», а от него русское слово «калькулятор»), - камушки уже не использовали. Абак изменился, превратившись в настоящий счетный прибор. Изготавливали его римляне из бронзы, цветного стекла или слоновой кости в виде доски с двумя рядами прорезей, по которым передвигались косточки (в нижнем ряду по четыре, а в верхнем по одной). В работе римский абак был значительно удобнее греческого.

Римский абак

Только в X в., после нескольких столетий упадка науки и культуры, наступивших вслед за падением Римской империи, абак снова распространяется в Европе. Его возрождение связано с именем одного из самых ярких и образованных людей раннего Средневековья Герберта из Орийака (940-1003), ставшего в 999 г. Папой Римским Сильвестром II . Самое известное сочинение Герберта называется «О правилах абака».

Абак Герберта содержал 27 колонок, объединенных по три, и три дополнительных колонки для представления дробей. Вместо камешков использовались специальные жетоны с нанесенными на них цифрами от 1 до 9. Герберт не только усовершенствовал прибор, но и создал целую систему правил, с помощью которых производились весьма сложные вычисления.

Абаком пользовались все: и купцы и менялы, и ремесленники. К абацистам принадлежали многие видные ученые. Даже спустя шесть столетий изобретение Герберта оставалось важнейшим инструментом для практических вычислений. В Западной Европе учителей арифметики даже в XVII в. продолжали именовать магистрами абака.

Правда, в XII - XIII вв. абак принял форму так называемого счета на линиях. В нем использовались специальные разлинованные таблицы и жетоны, которые можно было помещать как на линиях, так и между ними. До конца XVIII в. счет на линиях сохранял свои позиции в некоторых европейских странах и лишь затем окончательно уступил место вычислениям на бумаге.

Абак Герберта

Старинные китайские счеты

С IV в. до н.э. абак известен в Китае - в то время использовались счетные палочки, которые выкладывали на специальной доске. Постепенно их сменили разноцветные фишки, доска приобрела иную форму, а в X в. появились китайские счеты - суан-пан. В них место доски заняла рама с нанизанными на прутья косточками (по семь на каждом). Из Китая суан-пан в XVI в. пришел в Японию - здесь он получил название «соробан». Рама соробана также состоит из двух частей, но они содержат по одной и по четыре косточки.

Почти одновременно счеты появились в Японии и в России, поэтому бытует мнение, что и к нам их завезли из Китая. Однако это не так. Русские счеты очень сильно отличались от китайских, и сейчас большинство исследователей полагают, что в России они были изобретены самостоятельно. Тем более, что возникло это изобретение не на пустом месте.

В России с древних времен был распространен «счет костьми», близкий европейскому счету на линиях. Вместо жетонов обычно применялись плодовые косточки. В XVI в. возник так называемый дощаной счет, первый вариант русских счетов (спустя 100 лет появилось и само слово «счеты»). Их устройство было достаточно сложным: целых четыре счетных поля для рядов по десять косточек. Уже к началу XVIII в. русские счеты приобрели современный вид.

Почти 300 лет счеты имели в России широчайшее распространение. Смертельный удар нанесло им только появление дешевых карманных электронных калькуляторов.

Счетная машина Лейбница

Механизм калькулятора Леонардо да Винчи

Первые счетные машины.

Восьмиразрядная машина Паскаля

Более трех столетий приоритет в изобретении счетной машины безоговорочно признавался за Паскалем . Однако, в XX столетии были найдены записки Леонардо да Винчи , в которых говорилось о некоей механической счетной машине. Историкам также известно письмо Вильгельма Шиккарда , в котором говорилось о создании Шиккардом машины для автоматического производства вычислений. Так кто же был первым? История раннего периода развития вычислительной техники до сих пор не написана до конца. Никто не знает, какие еще интереснейшие открытия сделают ученые - историки и архивисты.

В XX столетии (в 1967 г.) были найдены записки великого ученого, блестящего изобретателя и живописца Леонардо да Винчи, где говорится о механической счетной машине. Принцип ее работы напоминал устройство одометра (прибор в автомобиле для подсчета пройденного пути), в котором если покрутить колесико километров в сторону увеличения, то после 9 будет 0, зато колесико десятков повернется на 1, т.е. счетчик покажет 10. В дневниках да Винчи имелся эскизный набросок 13-разрядного суммирующего устройства, построенного на основе десятизубцовых колес. Точно датировать запись не удалось, хотя известно, что дневник был начат еще до открытия Америки

в 1492 г.

Столь «сложный» прибор имеет много общего с первыми арифмометрами, где число кодировалось положением (поворотом) диска с десятью

зубцами.

Механизм калькулятора Леонардо да Винчи

В письме от 20 сентября 1623 г., адресованном знаменитому математику и астроному Иоганну Кеплеру, профессор Тюбингенского университета Вильгельм Шиккард сообщал, что сконструировал машину для автоматического производства вычислений. Однако других тому подтверждений не имелось, и долгие годы к этим сведениям относились с недоверием.

В свое время рукописи Кеплера были куплены императрицей Екатериной II и сохранились в архиве Российской академии наук. Уже после Второй мировой войны, в 1957 г., изучая фотокопии этих документов, директор Кеплеровского научного центра, расположенного в Штутгарте, Франц Гаммер обнаружил набросок чертежа некоего механизма, похожего на счетное устройство. Кропотливый и целенаправленный поиск позволил исследователю найти в письме Шиккарда Кеплеру, написанном 25 февраля 1624 г., подробное описание внешнего вида созданной им вычислительной машины.

Из описания можно сделать вывод, что шестиразрядный десятичный вычислитель состоял из десятизубцовых и однозубцовых колес и был рассчитан на выполнение сложения, вычитания, а также табличного умножения и деления. Шиккарду удалось решить проблему переноса между разрядами: машина накапливала и переносила влево десятки или сотни. Вычитание выполнялось вращением колес в обратном направлении.

В том же письме Шиккард извещал, что вместе с механиком Вильгельмом Пфистером построил два экземпляра машины, которые, к сожалению сгорели во время большого пожара. Профессор писал о том, как тяжело он переживает эту потерю, и жаловался на отсутствие времени для постройки новой машины.

Блез Паскаль родился 19 июня 1623 г. Его отец Этьен Паскаль (1588-1651) принадлежал к судейскому сословию, человек богатый и образованный, был неплохим математиком и даже переписывался со знаменитым французским ученым Пьером Ферма. После смерти жены он посвятил жизнь воспитанию детей.

Блез с самого раннего возраста проявлял признаки несомненной гениальности. Он обладал феноменальной памятью, в четыре года умел читать и писать, а в десять лет, пытаясь понять, почему при ударе звенит фаянсовая тарелка, написал первую научную работу «Трактат о звуке». Через два года мальчик самостоятельно (отец считал, что сыну пока рано заниматься математикой, и прятал от него учебники) доказал теорему о сумме углов треугольника, а спустя еще год его как равного приняли в кружок крупнейших парижских математиков.

В 1640 г. Этьен Паскаль получил назначение «интендантом полиции,

юстиции и финансов» в Руан. Эта должность подразумевала и контроль за сбором налогов по всей провинции. Считается, что мысль об арифметической машине возникла у юного Блеза из-за желания помочь отцу в сложных расчетах, которые тот производил на бумаге и на счетной доске, «с помощью пера и жетонов». Вполне возможно, что первый толчок к размышлениям дала ему мысль великого философа Рене Декарта о том, что некоторые умственные процессы по сути своей не отличаются от механических.

Так или иначе, к концу того же года у Блеза сформировалась главная идея конструкции будущей машины - автоматический перенос разряда. «… Каждое колесо … некоторого разряда, совершая движения на десять арифметических цифр, заставляет двигаться следующее только на одну цифру».

Автор рассчитывал на коммерческий успех своего детища. Но настоящего производства наладить так и не удалось. Всего с 1645 по 1653 г. было изготовлено около 50 арифметических машин (из них восемь сохранились до наших дней). Изобретатель руководил мастерами, часто сам вытачивал детали на токарном станке, подбирал наиболее подходящие материалы для машины, пробовал разные конструкции, испытывал свое изобретение на прочность.

Несколько машин Паскаль сумел продать, в частности одну - принцу Конде за 100 ливров. Однако создателю она обошлась вчетверо дороже. Да и покупали их не для работы, а скорее как интересную игрушку. Паскаль некоторое время продолжал совершенствовать машину, пытался даже создать устройство для извлечения квадратного корня, но после 1653 года больше к этому не возвращался. Возможно, он счел поставленную перед собой задачу решенной, а возможно, просто не видел для нее дальнейших перспектив. Общество еще не было готово к использованию его изобретения.

В 1642 -1643 гг. Французский философ и математик Блез Паскаль (1623-1662) изобрел и сконструировал первое механическое счетное устройство, позволяющее складывать в десятичной системе счисления.

Механический сумматор осуществлял сложение чисел на специальных дисках-колесиках. В машине Паскаля десятичные цифры пятизначного числа задавались поворотами дисков, на которых были нанесены цифровые деления. Результат читался в окошечках. Диски имели один удлиненный зуб, чтобы при сложении можно было учесть перенос единицы в следующий десятичный разряд. Диски были механически связаны через промежуточные шестерни: диски сотен, десятков и единиц вращались в одну сторону - в сторону увеличения. Отклонение специального рычага на определенный угол позволяло «вводить» однозначное число и суммировать его с числом, хранящимся в сумматоре. Такой привод был у каждого диска, что позволяло суммировать многозначные числа. В первом калькуляторе Паскаля было пять разрядов, затем он увеличил их до восьми.

Счетная машина Паскаля

Готфрид Вильгельм Лейбниц родился 1 июля 1646 г. в городе Лейпциге. Его отец был профессором этики, а дед - профессором права Лейпцигского университета. Мальчику не исполнилось и семи, когда он потерял отца. Готфрид с детства много занимался: в восемь лет он самостоятельно изучил греческий язык и латынь, а в пятнадцать - окончил гимназию. В 1661 г. Лейбниц стал студентом факультета права Лейпцигского университета. Кроме юриспруденции он изучал философию и математику в университетах Лейпцига, Йены и Альтдорфа. В 1666 г. 20-летний студент защитил сразу две диссертации: «Об искусстве комбинаторики» и «О запутанных делах». В 1668 г. Лейбниц поступил на службу к курфюрсту Майнца. С 1672 по 1676 г. он находился в Париже с дипломатической миссией, что не помешало ему заниматься математикой и естествознанием. Здесь Лейбниц познакомился со многими учеными. Одним из них был известный голландский изобретатель и физик Христиан Гюйгенс (1629-1695). Видя, сколько вычислений приходится тому делать и как много времени уходит на это, молодой человек решил облегчить его труд с помощью механического устройства для расчетов.

Сначала он хотел лишь улучшить машину великого Паскаля. Первое описание подобного «арифметического инструмента» Лейбниц сделал еще в 1670 году. Через два года он предложил новое описание, по которому был изготовлен экземпляр, продемонстрированный в феврале 1673 г. На заседании Лондонского королевского общества. По словам самого ученого, он придумал арифмометр, чтобы надежно и быстро механически выполнять все арифметические действия, особенно умножение. Лейбниц неоднократно возвращался к своему арифмометру. Усовершенствованная машина появилась лишь в 1694 г. в Ганновере.

Лейбниц гордился своим изобретением. Вот что он писал: «Мне посчастливилось построить такую арифметическую машину , которая бесконечно отличается от машины Паскаля, так как моя машина дает возможность совершать и умножение, и деление над огромными числами мгновенно, притом не прибегая к последовательному сложению и вычитанию». Работа над машиной обошлась ему в 24 тыс. таллеров. Для сравнения можно сказать, что годовая зарплата министра равнялась 2 тыс. таллеров. Несмотря на прогрессивность изобретения, счетная машина не получила широкого распространения, потому что в конце XVII -начале XVIII в. отсутствовал спрос на такую сложную и дорогую технику.

Умер Лейбниц 14 ноября 1716 г. в нищете, как часто случается в мире науки, - заслуги великого ученого не принесли ему богатства.

В 1673 г. Лейбниц изобрел арифмометр, который не только складывал, но и умножал. Машина Лейбница выполняла сложение практически тем же способом, что и машина Паскаля , но в ее конструкцию были включены движущаяся часть (подвижная каретка) и ручка, с помощью которой крутились специальное колесо или (в более поздних вариантах) барабаны, расположенные внутри аппарата.

В машине каждый разряд имел собственный механизм, связанный с механизмами соседних разрядов. Лейбниц использовал шаговые барабаны - цилиндры с девятью зубцами разной длины (длина зубца увеличивалась по возрастающей). Когда барабан поворачивался, связанное с ним передаточное колесо с десятью зубцами поворачивалось от 0 до 9 в зависимости от его позиции по отношению к барабану (колесо могло перемещаться по оси вдоль пошагового барабана). Так Лейбниц использовал операцию «сдвига» для поразрядного умножения чисел. Данный метод лег в основу всех механических калькуляторов последующих веков.

Счетная машина Лейбница

Шаговый барабан машины Лейбница

Разностная машина Бэббиджа

Аналитическая машина Бэббиджа

Табулятор Холлерита

Вычислительные машины XIX - начала XX века.

Открытия конца XIX -начала XX века

Арифмометры

Чарлз Бэббидж родился 26 декабря 1791 г. на юго-западе Англии, в маленьком городе Тотнес графства Девоншир, в семье совладельца банкирской фирмы Бенджамина Бэббиджа, оставившего после смерти сыну большое состояние. С детства Бэббидж увлекался всевозможными механизмами. Получая новую игрушку, он обязательно спрашивал: «А что там внутри?». Если ответ не удовлетворял его, игрушка обязательно разбиралась на части. Из-за слабого здоровья Чарлз до 11 лет учился дома. Потом мальчика отдали в одну из лучших частных школы Англии.

Чарлз проявлял серьезные математические способности в период учебы в Тринити-колледже Кембриджского университета, куда он поступил в 1810 г. Очень быстро Чарлз перегнал по математическим знаниям даже своих преподавателей. Был одним из основателей Аналитического общества, которое своей активностью инициировало реформу математического образования в Кембридже, а затем и в других университетах.

Бэббидж неоднократно посещал Францию, где познакомился с известным астрономом, математиком и физиком Жаном Батистом Фурье. Но наибольшее влияние на Бэббиджа оказал французский ученый-математик Г. Прони . Идеи Прони разделения труда при организации сложного вычислительного процесса навели Бэббиджа на мысль о замене исполнителей рутинных вычислений механическим устройством и вдохновили на создание первой дифференциальной машины.

В 1822 г. Бэббидж закончил описание разностной машины , которая могла бы производить вычисления с точностью до 18-го знака. В 1823 г. Бэббидж, получив финансовую поддержку британского правительства, начал ее постройку. Он считал, что на ее создание уйдет три года. Но машину не удалось построить и через десять лет. Бюджет был превышен в пять раз.

В 1833 г. испытания построенной части машины убедили автора в правильности расчетов: машина выполняла действия с запланированной точностью и скоростью. Но государство отказало ученому в поддержке. В 1843 г. Незавершенную машину поместили на хранение в музей Королевского колледжа в Лондоне. Именно из частей этой машины сыном изобретателя Генри Бэббиджем была построена действующая модель. Машина Бэббиджа оказалась работоспособной, но изобретатель этого уже не увидел. Мыслитель Бэббидж намного опередил свое время: при существующей технике и производстве нельзя было детально и точно воспроизвести чертежи ученого.

После испытаний 1833 г. Бэббидж задумал создать принципиально новую машину, способную выполнять различные действия в соответствии с предварительно составленным планом работ - программой. Первые чертежи появились в 1834 г. Машину назвали аналитической. В 1849 г. Бэббидж представил схему аналитической машины . К сожалению аналитическая машина при жизни автора также не была построена.

Чарлз Бэббидж

Генри Бэббидж

Печальная история Прони началась в 1790 г., когда император Наполеон, задумав проведение радикальных общественных реформ, поручил Прони (руководившему в ту пору Бюро переписи) создание новых логарифмических и тригонометрических таблиц для перехода на метрическую систему мер.

Прони перенес идею разделения труда на вычислительный процесс, распределив исполнителей по трем квалификационным уровням. Заслуга Прони в том, что он нашел алгоритмический подход для сведения сложных вычислений к простым, рутинным операциям, не требующим от исполнителя творческого подхода. Но к тому времени, когда работы завершились, во Франции не нашлось денег, чтобы напечатать грандиозные таблицы, занимающие 17 огромных томов, колоссальный труд так и остался невостребованным. Бэббидж застал дела Прони в плачевном состоянии, но это не помешало ему уловить главное: возможность упрощения процедуры сложных вычислений путем механического выполнения однообразных рутинных действий. Идеи ученого навели его на мысль о замене малообразованных исполнителей механическим устройством и вдохновили на создание первой дифференциальной машины.

Г. Прони

Августа Ада Лавлейс, дочь великого английского поэта Джорджа Байрона, родилась 10 декабря 1815 г. Увлекалась математикой. Это увлечение поддерживали друзья леди Байрон - известный английский математик и логик Август де Морган, его жена, математик-любитель Мэри Соммервил и Чарлз Бэббидж .

В октябре 1842 г. Итальянский математик Л.Ф.Менабреа опубликовал статью «Очерк аналитической машины , изобретенной Ч.Бэббиджем». Вскоре после появления очерка Ада Лавлейс перевела его. Бэббидж предложил ей добавить некоторые примечания к очерку Менабреа. Эта идея понравилась графине Лавлейс, и она немедленно приступила к работе. Ада непрерывно дополняла, исправляла и совершенствовала свои «Примечания»: «Я хочу вставить в одно из моих примечаний кое-что о числах Бернулли в качестве примера того, как неявная функция может быть вычислена машиной без того, чтобы предварительно быть разрешенной с помощью головы и рук человека». А через неделю она уже сообщает Бэббиджу, что самостоятельно «составила список операций для вычисления каждого коэффициента для каждой переменной», т.е. написала программу для вычисления чисел Бернулли.

Немногое удалось сделать за свою короткую жизнь Августе Аде Лавлейс (она, как и ее отец, лорд Байрон, не дожила до 37 лет). Но это немногое вписало ее имя в историю вычислительной математики и вычислительной техники.

Августа Ада Байрон Лавлейс

Основными составляющими вклада Ады Лавлейс и ее учителя Чарлза Бэббиджа в «компьютерную науку» являются:

- идея программного управления процессом вычислений;

- предложение использовать перфокарты для ввода и вывода данных и для управления, а также для обмена и передачи чисел в самой машине;

- изобретение системы предварительного переноса для ускорения расчетов;

- использование способа изменения хода вычислений, получившего в дальнейшем название условного перехода;

• введение понятий цикл и рабочая ячейка;
• использование двоичной системы счисления вместо десятичной.

Аналитическая машина Бэббиджа не была построена, и программы, написанные Адой Лавлейс, никогда не отлаживались и не работали, однако ряд высказанных Лавлейс общих положений сохранил свое принципиальное значение и для современного программирования, а ее определение «цикла» почти дословно совпадает с приводящимся в современных учебниках программирования.

В основу работы разностной машины Бэббидж положил свойство многочленов степени n-1 : конечные разности n -го порядка равны нулю.

Наиболее важным элементом машины Бэббиджа являлся регистр - устройство для хранения десятичных чисел. Поскольку предполагалось обрабатывать 18-разрядные числа, то регистр одного числа состоял из восемнадцати зубчатых колес. Для вычисления полинома n -й степени необходимо было иметь n+1 регистр (1 - для хранения предыдущего значения функции и n - для хранения разностей). Машина предназначалась для вычисления многочленов шестой степени, поэтому в ней предусматривалось наличие семи 18-разрядных регистров.

Поскольку основная операция в машине - операция суммирования, то, естественно, имелись и суммирующие устройства, совмещенные с каждым из регистров. Конструктивно машина состояла из трех рядов зубчатых колес: первый ряд - зубчатые колеса регистров, второй ряд - зубчатые счетные колеса на осях для выполнения суммирования и третий ряд - оси с так называемыми установочными пальцами для подготовки очередной операции суммирования. Бэббидж разделил выполнение операции переноса десятков на две части. Впоследствии это использовалось практически во всех механических калькуляторах.

В машине предполагалось использование устройства, выводящего результаты на печать параллельно с проведением вычислений.

Разностная машина Бэббиджа могла наряду с одним заранее заданным действием ( вычислением полиномов по методу конечных разностей ) вычислять значения некоторых функций с помощью специально подобранных формул.

Постройка разностной машины представляла большую проблему: требовалось разрабатывать не только новые конструкции и узлы, но и нередко инструменты для их изготовления; точность обработки металла была очень приближенной, да и рабочих нужной квалификации не хватало.

Разностная машина Бэббиджа

Выкройки деталей разностной машины

Для многочленов степени n-1 конечные разности n- го порядка равны нулю. Данное свойство конечных разностей можно проиллюстрировать следующим примером. Пусть надо вычислить многочлен второй степени: y=x 2 +3x-4. Для этого строится таблица из пяти колонок. В первой колонке находится значение аргумента, во второй значение многочлена, в остальных - значения конечных разностей:

 n 1 =y n -y n-1 ( первые разности),

 n 2 =  n 1 -  n -1 1 (вторые разности)

 n 3 =  n 2 -  n -1 2 (третьи разности)

Первые разности получают, вычитая из значения функции ее предыдущее значение. Так в первой строке  1 1 = y 1 -y 0 =0-(-4)=4. Для второй строки  2 1 = y 2 -y 1 =6-0=6.

Вторые разности получают, вычитая из первой разности ее предыдущее значение. Тогда для первой строки  1 2 =  1 1 -  0 1 =6-4=2.

По тому же принципу строят и третьи разности. Очевидно, для данного многочлена третьи разности равны нулю.

Если суммировать значения разностей и предыдущее значение функции, то можно получить следующее значение многочлена. При x= 7 y 7 = y 6 +  5 1 +  4 2 = 50+14+2=66.

То есть можно получить новое значение функции путем суммирования ранее вычисленных значений.

Машину для автоматизации процесса составления таблиц Бэббидж назвал

разностной .

Считается, что первым сделать вычислительную машину с использованием метода конечных разностей предложил немецкий военный инженер Иоганн Г. Мюллер (1746-1830). Описание механизма универсального калькулятора Мюллера было опубликовано в 1786 году, в книге, основные разделы которой были переведены для Бэббиджа его другом, математиком Джоном Гершелем. Дата этого перевода неизвестна, и вопрос, насколько самостоятельно Бэббидж пришел к идеям разностных вычислительных машин, до сих пор остается открытым.

Бэббидж решил слегка изменить конструкцию разностной машины : расположить оси по окружности так, чтобы колонка результата располагалась рядом с колонкой последней разности и легко связывалась с ней. Это позволило бы управлять процессом вычислений, воздействуя на порядок расчета. Вскоре ученый сформулировал идею независимого устройства управления вычислениями, с помощью которого можно было производить все арифметические действия.

Аналитическая машина задумывалась как чисто механическое устройство, однако ученый хотел выполнять расчеты не вручную, а с применением внешнего источника энергии, в частности парового двигателя.

Машина состояла из трех основных блоков: склад (память для хранения чисел на регистрах, состоящих из механических колес); фабрика (блок для выполнения арифметических операций); устройство, оставленное автором без названия, для управления процессом вычисления, осуществления выборки чисел из памяти, выполнения вычислений и вывода результатов.

Перфокарты , используемые в машине, разделялись на две группы: операционные - для выполнения арифметических операций, и управляющие - для осуществления загрузки чисел из регистров в арифметическое устройство и выгрузки обратно в память, а также ввода-вывода.

Вот как Бэббидж описывал механизм чтения с перфокарт: «Два больших ящика, один из которых пустой, а другой - наполненный перфорированными картами, располагаются спереди и сзади многогранной призмы. Эта призма прерывисто вращается и каждый раз продвигается вперед на короткое расстояние, после чего немедленно возвращается. Карта проходит над призмой только перед каждым ходом механизма, такого же как челнок. Карты, которые прошли, падают вниз, пока не достигнут пустого ящика для сбора карт, в котором они располагаются одна над другой…»

Леди Лавлейс , соратница Бэббиджа, предложила способ возврата одной или нескольких «отработанных» перфокарт из ящика-приемника обратно в источник для последующего считывания и выполнения действий. Таким образом, стало возможным многократно повторять целые участки программ, т.е. организовывать программные циклы.

В аналитической машине предусматривались все основные элементы, присущие современным компьютерам: склад - память, фабрика - арифметическое устройство процессора, устройство для управления - управляющее устройство процессора. Архитектура машины практически соответствует архитектуре современных ЭВМ, а команды, которые выполняла аналитическая машина, в основном включают все команды современных процессоров, в том числе и изменение порядка

выполнения программы, условный переход, цикл.

Поэтому аналитическую машину Бэббиджа хочется назвать

первым настоящим компьютером.

Приблизительная схема механизма аналитической машины

Аналитическая машина Бэббиджа

Идею использования перфокарт Бэббидж позаимствовал у французского изобретателя Жозефа Жаккара. В 1801 г. Жаккар создал автоматический станок, управляемый перфокартами. Наличие или отсутствие отверстия в карте заставляло нить подниматься и опускаться при каждом ходе челнока. Таким образом, поперечная нить могла обходить продольную с той или иной стороны в зависимости от программы на перфокарте. Карточки с разным расположением отверстий давали различные узоры на плетении ткани. Этот станок был первым массовым промышленным устройством, автоматически работающим по заданной программе. Жаккар даже не мог предположить, что его идея будет впоследствии использована для обработки информации с помощью компьютеров. По сути дела Бэббидж был первым, кто использовал перфокарты применительно к вычислительной машине.

Жозеф Мари Жаккар

Кодирование арифметических операций на перфокартах

Схема работы аналитической машины Бэббиджа

Ткачи за работой на станке Жаккара

29 февраля 1860 г. В американском городе Буффало в семье немецких иммигрантов Холлеритов родился сын Герман. Когда мальчик пошел в школу, выяснилось, что он страдает весьма неприятным заболеванием - дисграфией и с трудом пишет. И хотя математика и естественные науки давались Герману гораздо легче, мучения на уроках грамматики в конце концов вынудили его в возрасте 14 лет оставить школу. Усиленные домашние занятия позволили ему год спустя поступить в Горную школу при Колумбийском университете. на способного юношу обратил внимание профессор У. Траубридж, и пригласил после окончания школы в 1879 г. На работу в возглавляемое им Национальное бюро по переписи населения. Это стало решительным моментом в судьбе Германа Холлерита.

Бюро занималось сбором и статистической обработкой информации при проведении переписей населения. Население постоянно росло, а бурно развивающаяся американская экономика нуждалась в большом количестве разнообразных данных о его составе. Например, в 1880 г. Численность населения составила 50 млн. человек, и на каждого требовалось завести и заполнить карточку, содержавшую 210 рубрик! Подсчеты и обработка результатов переписи затянулись на семь с половиной лет, почти до следующей переписи. Это был тупик. Срочно требовались новые методы организации работы. В 1887 г. Герман Холлерит предложил использовать для обработки статистических данных свою счетно-аналитическую машину .

В 1896 г. Холлерит основал компанию Tabulating Machine Company (TMC). Его машины применялись повсюду: на железных дорогах и промышленных предприятиях, в крупных торговых фирмах и страховых компаниях. С их помощью начисляли заработную плату и вели складской учет, решали множество других задач. В 1900 г. Госдепартамент США вновь выбрал систему Холлерита для переписи.

Однако вскоре чиновники отказались от машины Холлерита в пользу новой машины, созданной инженером Джеймсом Пауэрсом, сотрудником Национального бюро по переписи населения. Эти машины были чисто механическими и имели весьма сложную конструкцию. Холлерит отошел от дел, продал фирму, оставшись консультантом в поглотившей ее компании Computer Tabulating Recording Company (CTRC). Когда он ушел в 1921 г. В отставку, фирма уже уверенно смотрела в будущее. А еще три года спустя директор Томас Уотсон переименовал фирму в IBM ( International Business Machines).

Герман Холлерит скончался 17 ноября 1929 г. в Вашингтоне. И хотя официально основателем могущественной империи IBM считается Томас Уотсон, многочисленные награды и патенты Холлерита занимают в музее компании одно из самых почетных мест.

Герман Холлерит

Джеймс Пауэрс

Если Чарлз Бэббидж был первым, кому пришла идея использовать перфокарты применительно к вычислительной машине, то первым, кто реализовал эту идею, был Герман Холлерит .

На мысль механизировать труд счетчиков Холлерита навел доктор Джон Биллингс, возглавлявший в бюро департамент, в котором составляли сводные данные. Он же предложил использовать для записи информации перфокарты. Правда, сначала Холлерит хотел использовать бумажную ленту, намотанную на барабан и скользившую по металлическому столу. Сверху ее прижимала металлическая полоса с рядом слабо закрепленных тупых гвоздей. При попадании гвоздя в отверстие на ленте электрический контакт замыкался, приводя в движение счетный механизм. Скоро выяснилось, что бумага часто рвется, информация не успевает считываться, да и перематывать ленту в поисках нужных данных слишком долго. Так что от лент пришлось отказаться в пользу перфокарт. Позднее Холлерит писал, что окончательное решение он принял, наблюдая за работой кондуктора в поезде. Тот компостером пробивал на билете дырки в условных местах, отмечая таким образом пол, цвет волос и глаз пассажира. В результате получалось что-то вроде перфокарты, содержавшей описание внешности владельца билета.

Первый табулятор был опробован в 1887 г. в статистическом бюро Балтимора. Результаты оказались весьма обнадеживающими, и через два года состоялось еще одно испытание - частичная перепись населения в Сент-Луисе. Выигрыш во времени был двукратным, а на некоторых участках работы - десятикратным! Правительство заключило с Холлеритом контракт на поставку оборудования, и уже в июне 1890 г. началась первая в истории перепись населения с применением машин. Обработка ее результатов, занесенных на 62 млн. карточек, заняла менее двух лет, а экономия составила 5 млн. долларов - огромную сумму, ведь государственный бюджет США не превышал тогда 100 млн. долларов. Система Холлерита не только обеспечивала высокую скорость, но и позволяла сравнивать статистические данные по самым разным параметрам. Холлерит совершенствовал свою машину. Он разработал удобный клавишный перфоратор, автоматизировал процедуры подачи и сортировки перфокарт. В общей сложности изобретатель получил более 30 патентов.

Герман Холлерит

Джон Биллингс

Табулятор Холлерита

Машина Холлерита включала:

• клавишный перфоратор, позволяющий пробивать (перфорировать) около 100 отверстий в минуту одновременно на нескольких картах;
• машину для сортировки, которая представляла собой набор ящиков с крышками (карты продвигались по своеобразному конвейеру; с одной стороны карты находились считывающие штыри на пружинах, с другой - резервуар со ртутью; когда штырь попадал в отверстие на перфокарте, то благодаря пружине слегка касался ртути, находившейся на другой стороне, и замыкал электрическую цепь, открывая крышку соответствующего ящика; туда и попадала перфокарта);
• табулятор, который работал аналогичным образом, только замыкание электрической цепи приводило к увеличению показаний соответствующего счетчика на единицу.

Перфокарты были размером с долларовую бумажку, они имели 240 позиций для перфорации (12 рядов по 20 позиций). Сейчас бы сказали, что в машине Холлерита использовалось кодирование информации с помощью

перфокарт.

В 1820 г. во Франции Карл Ксавье Томас де Колмер (1785-1870), используя идеи машины Лейбница, построил первый механический компьютер-калькулятор - арифмометр. Машина могла не только складывать и вычитать, но и производила деление и умножение в ручном режиме.

Арифмометр имел настоящий коммерческий успех. Более полутора тысяч машин было изготовлено в течение последующих 90 лет. В Германии в 1878 г. Артур Бургхард наладил производство подобных машин.

В России над созданием арифмометра с 1874 г. работал швед Вильгольд Однер, а в 1890 г. механические настольные счеты стали производить на заводе. (Их модификация «Феликс» выпускалась в России до 80-х гг. XX столетия. Основная деталь - зубчатое колесо носит имя Однера). В начале XX в. арифмометры Однера выпускались во всем мире, только в России к 1914 г. их работало более 20 тысяч.

В Швеции с 1913 г. производится арифмометр MADAS . Полностью автоматическое умножение и деление арифмометры стали производить в 1927 г.

Термин арифмометр подразумевает механическое устройство, которое способно выполнять четыре арифметических действия. С усовершенствованием механических калькуляторов был добавлен ряд функций: запоминание промежуточных результатов, последующие операции над ними, печать результатов и т.д. Это явилось следствием расширяющегося коммерческого спроса на настольные счетные машины, а не результатом научных исследований. Научный результат состоит в том, что и в современных компьютерах есть арифметическое устройство (или устройства), которое умеет производить

простые (в некоторых машинах сложные)

арифметические действия.

Карл де Колмер

Вильгельм Одмер

Арифмометр Колмера

В 1880 г. американский изобретатель Томас Эдисон (1847-1931) начал выпуск безопасных электрических лампочек.

В 1896 г. компания General Electric (Германия) разработала новый стандарт в электричестве: использование переменного тока для питания электрических приборов. Калькуляторы оснащаются электрическими моторами для проведения вычислений и печати на бумаге. В компьютерах все большее применение находят компоненты, работающие на электрическом токе.

В 1904 г. английский физик Джон Флеминг (1849-1945) на основе открытия Эдисона создал диод - электронное устройство, пропускающее ток в одну сторону и не пропускающее в другую. Через два года американский инженер Ли де Форест (1873-1961) изобрел триоды.

Английский математик Джордж Буль (1815-1864) еще в 1848 г. описал правила логики, оперирующей алгебраическими элементами, которые могут принимать только два возможных состояния («да» или «нет», 0 или 1), названной впоследствии булевой алгеброй. Фактически благодаря его алгебре стало возможным конструирование логической схемы компьютера.

Русский ученый Михаил Александрович Бонч-Бруевич в 1918 г. и английские ученые В. Икклз и Ф. Джордан чуть позже, в 1919 г., независимо друг от друга создали электронное реле, которое могло находиться в одном из двух состояний (0 или 1). Реле, сейчас известное как триггер, стало основой памяти ЭВМ.

К XX веку все было подготовлено для

рождения ЭВМ.

Лампа Эдисона

Релейные машины Z3 , Z4 и Mark I

Аналоговые вычислительные машины

Вычислительные машины XX века.

ЭВМ первого поколения

В отличие от машин Бэббиджа в аналоговых машинах числа заданы какими-либо физическими величинами. Говорят, что аналоговая машина обрабатывает информацию, которая представлена в непрерывной (аналоговой форме). Развитие аналоговых машин, как и положено, шло от простых решающих устройств к сложным. Еще около IV тысячелетия до н.э. в местах, где впоследствии возникло государство Вавилония, при проведении землемерных работ и составлении карт применялись принципы аналоговых вычислений. Около 80 г. до н.э. греки, используя геоцентрическую модель Солнечной системы, построили планетарий.

И, таким образом, стало возможным определять положение Солнца и планет. Существует легенда о механическом устройстве для решения логических задач, автором которого якобы являлся философ Платон.

Тем не менее первым аналоговым вычислительным устройством принято считать логарифмическую линейку. Логарифмические шкалы изобрел английский математик Гантер, применявший их для умножения и деления чисел путем сложения и вычитания отрезков. В 1654 г. Робер Биссакер (Франция) изготовил первую логарифмическую линейку.

Графики и номограммы можно считать еще одной разновидностью аналоговых вычислительных устройств. В 1791 г. графики впервые стали использоваться в руководствах по навигации для нахождения значения функции нескольких переменных.

С той поры изобретено множество аналоговых устройств для решения самых разных задач. В XIX столетии применялись наполненные водой сообщающиеся сосуды для решения обычных уравнений. В 1814 г. английский инженер Дж. Герман разработал аналоговый прибор - планиметр для вычисления площадей плоских фигур, ограниченных замкнутой кривой. Планиметр усовершенствовал в 1854 г. швейцарский ученый Якоб Амслер, предложивший интегрирующий прибор с катящимся колесом. А английский физик Джозеф Джон Томсон, изобрел т.н. фрикционный интегратор.

В 1876 г. другой английский физик, Уильям Томсон барон Кельвин, придумал прибор, определяющий время и высоту прилива в различных портах, применив фрикционный интегратор. Вычисления основывались на положении Солнца и Луны, а механизмы, отображающие их, приводились в движение электромотором. Кельвин является и автором машины для решения системы линейных уравнений. Кроме того, он показал возможность решения дифференциальных уравнений путем соединения нескольких интеграторов, однако это не было реализовано

из-за низкого уровня техники.

Первую механическую вычислительную машину для решения дифференциальных уравнений построил в 1904 г. русский механик и математик А.Н. Крылов. Он использовал идею польского математика Бруно Абданк-Абакановича, придумавшего в 1879 г. механический аналоговый интегрирующий прибор - интеграф для интегрирования произвольных функций.

В 1909 г. Артур Райт сконструировал устройство для сложения и вычитания, работающее на основе закона последовательного и параллельного соединения электрических сопротивлений в цепи.

Особенно интенсивно велась разработка аналоговых машин до и во время Второй мировой войны. В те годы были созданы устройства для управления артиллерийским огнем и наведения бомб. Аналоговые устройства хорошо отвечали требованиям армии давать решение сразу же после ввода данных.

Предельная точность аналоговых машин достигала 0,1%, что, с одной стороны, позволяло успешно решать большинство поставленных задач, а с другой - являлось непреодолимым

Универсальная аналоговая машина фирмы «Шот Бразерс»

барьером, так как требовало точности изготовления узлов самой машины.

В аналоговых машинах часто числа кодируются величиной напряжения . С помощью обычного потенциометра (переменного сопротивления) производят операции сложения и вычитания, поворачивая ручку прибора на соответствующую величину по или против часовой стрелки.

Аналоговая машина не в состоянии решить задачу в общем виде, из которого потом можно было бы получать частные решения, подставляя новые исходные данные. По принципу действия аналоговые машины могут оперировать только конкретными числами и давать только частные решения.

К середине XX в. кроме дифференциальных анализаторов существовал еще большой класс аналоговых машин, используемых в моделировании.

Возможно, и аналоговые машины ждет второе рождение, ведь

квантовые компьютеры тоже относятся к этому классу машин.

11 марта1890 г. в г. Эверетт (штат Массачусетс) родился Ванневер Буш (1890-1974) - американский ученый, инженер и организатор, которого называют первым отцом гипертекста.

В 1930 г. Буш создал машину - первый диференциальный анализатор, получивший в дальнейшем название аналоговой вычислительной машины . Машина Буша оказалась способной быстро решать сложные математические задачи. Она приводилась в действие электричеством , а для хранения информации в ней использовались электронные лампы, подобные тем, что использовались в те времена в радиоприемниках.

Однако дифференциальный анализатор Буша имел так много составных частей, что фактически занимал целую комнату. Нетрудно себе представить, что и вес такой машины был значительным. Даже более поздняя модель дифференциального анализатора, построенная в 1942 г., весила 200 тонн!

Ванневер Буш

Усилители постоянного тока являются важным элементом электронных аналоговых машин . На них основаны схемы операций суммирования, вычитания, интегрирования, дифференцирования, изменения шкалы времени и пр. В больших машинах иногда использовалось более 500 усилителей. Подобные приборы смонтированы в специальных ячейках, легко устанавливающихся в машине. Это позволяет собирать любую схему, применяя базовые ячейки усилителей, конденсаторы и сопротивления. Соединения происходят на коммутационной панели (она похожа на панель телефонной станции), на которую выводятся провода от всех участвующих в схеме элементов. Соединения между гнездами производят проводами с быстросъемными штекерами. Решение задачи можно получить, включив питание схемы, на точном стрелочном приборе, регистрирующем самописце или электронно-лучевой трубке.

Усилитель постоянного тока

Установка новой задачи на коммутационной панели машины фирмы «Элиот»

Конрад Цузе родился 22 июня 1910 г. в Берлине. В 1935 г. получил диплом инженера-строителя, специалиста по прочности в Техническом университете в Берлине. Работу над созданием вычислительных устройств Цузе начал еще будучи студентом, в 1934 г. Так что его без преувеличения можно назвать пионером современной вычислительной техники на европейском континенте.

Цузе отличался аналитическим, научным складом мышления. Для проведения сложных инженерных расчетов он хотел создать более мощный, чем существующие на тот момент, вычислитель. Обдумывая проблему вычислений, Цузе вскоре пришел к нескольким выводам. Во-первых, вычислитель должен управляться с помощью программ, причем предпочтительно использовать двоичную систему счисления и арифметику с плавающей запятой. Во-вторых, необходимо иметь полностью автоматическое арифметическое устройство, память большого объема и элементы с двумя устойчивыми состояниями.

Таким образом, Цузе фактически воспроизвел основные идеи аналитической машины Чарлза Бэббиджа, о которой он узнает лишь спустя несколько лет. Только в одном отношении идеи Цузе уступали идеям его гениального предшественника: он не предусмотрел команды условного перехода.

Цузе понял также, что вычисление - универсальное понятие, что это просто преобразование данных, которые можно представить в виде комбинации двоичных разрядов (сейчас мы называем их битами). Теория нуждалась в проверке практикой, и Цузе начал с создания устройства памяти .

Первые полностью механические машины Z1 и Z2 Цузе полностью построил в 1936-1939 гг.

В 1941 г. была построена Z3 - новая электромеханическая программно управляемая машина без использования механических элементов .

В 1942 г. Цузе приступил к постройке более мощной машины Z4 .

Цузе был пионером во многих направлениях развития и применения компьютеров. Вероятно, он первым в мире построил вычислительное устройство, предназначенное для управления и контроля технологических процессов .

В истории вычислительной техники имя Конрада Цузе стоит особняком. Один человек, работавший с несколькими помощниками, не только повторил путь, проделанный большими коллективами ученых в других странах, но часто опережал их. Начав с механических и релейных машин, он пришел к пониманию роли электронных устройств . Цузе стал первопроходцем в теории и практике программирования, в области систем искусственного интеллекта, в создании управляющих вычислительных машин… В истории науки часто случалось, что опередившие время идея часто оставались невостребованными современниками. Идей Цузе были актуальны и могли быть востребованы. Но этому помешали обстоятельства. И хотя его не обошло прижизненное признание, вычислительная техника развивалась своим путем. Кто знает, каким оказался бы этот путь, стань работы Цузе известны своевременно.

Конрад Цузе

Выбор двоичной системы счисления позволял использовать для создания памяти, например, реле , принимающие только два положения: «открыто» и «закрыто». Однако сначала Цузе все-таки остановился на механическом решении. Сконструированная им память состояла из набора металлических пластин, способных перемещаться в определенном направлении. Значения обрабатываемых величин и выполняемая операция задавались смещением пластин. Оно вызывало смещение других пластин, соответствующее вырабатываемому результату. Этот результат сохранялся в наборе битов памяти и, в свою очередь, мог быть использован в дальнейших вычислениях. В 1936 г. устройство памяти было запатентовано, причем в заявке подчеркивалось, что хранить в ней можно наряду с числами произвольную информацию, в том числе и сами программы, записанные в двоичном виде.

Память оказалась достаточно компактной и могла быть расширена до 1 тыс. слов (релейная память такого объема потребовала бы 40 тыс. реле, заняв целую комнату).

Первая полностью механическая машина Z1 была построена в 1936-1938 гг. Управление ею осуществлялось с перфоленты, на которую записывались трехадресные команды программы. Память имела объем 16 чисел по 24 бит. Надежностью машина не отличалась, поэтому Цузе решил перейти на новую элементную базу, заменив все механические элементы на электромеханические реле . Но сначала он построил небольшую машину Z2 , оперировавшую 16-разрядными двоичными числами с фиксированной точкой. Работа над ней завершилась в 1939 г. Арифметическое устройство, выполненное из 200 старых телефонных реле, соединялось в машине с механической памятью.

Этот опыт придал Цузе уверенности в своих силах. Он понял, что готов создать машину без использования механических элементов .

В 1941 г. Конрад Цузе завершил разработку вычислительной машины Z3 . Это была электромеханическая программно управляемая универсальная машина и фактически первое в истории реальное воплощение аналитической машины Бэббиджа . Как и в предыдущих моделях, здесь использовалась двоичная система счисления.

Команды были одноадресными (это увеличивало скорость вычислений),

Машина Z3

они вводились с перфоленты (ее роль выполняла кинопленка). Исходные данные задавались с клавиатуры, а результаты вычислений высвечивались на специальном табло. Операции над числами с плавающей точкой реализовывались аппаратно (всего имелось девять арифметических команд: сложение, вычитание, деление, извлечение квадратного корня, а также умножение на ½, 2, 1/10, 10 и на -1). Сложение выполнялось за 0,3 секунды, а умножение занимало от 4 до 5 секунд. Арифметическое устройство было построено из 600 реле . Еще 1800 реле потребовалось для памяти объемом 64 числа по 22 бит.

Z 3 использовалась для весьма трудоемких расчетов, связанных с определением прочности конструкций самолетов. Машина погибла во время бомбежки Берлина, но ее копия, сделанная спустя 20 лет, экспонируется сейчас в одном из музеев Мюнхена.

В новой вычислительной машине Z 4 планировалось улучшить систему ввода-вывода и предоставить программисту больше возможностей по написанию гибких программ. Память на 1024 слова была в ней механической, но длина чисел увеличивалась до 32 бит.

Судьба Z4 сложилась удачнее, чем у ее предшественниц. В конце войны, спасая машину от бомбежек, Цузе покинул Берлин. Переезжая с места на место, он ухитрялся при этом не прекращать работу.

Машина Z4

За несколько недель до капитуляции Германии Конрад Цузе нашел убежище в старинном университетском городе Геттингене. Там 28 апреля 1945 г. работающая машина впервые была продемонстрирована местным ученым. Несколькими днями позже, отказавшись отправить машину на подземные заводы в горах Гарца, где фашисты лихорадочно дорабатывали «оружие возмездия», с помощью сотрудников Вернера фон Брауна Цузе снова увозит ее в никуда. Странствия по горящей, разрушенной стране закончились далеко на юге, в маленькой альпийской деревушке Хинтерштейн. Именно здесь, в помещении бывшей конюшни, постройка Z4 была завершена. Здесь же Цузе создал первый в истории язык программирования Plankalkul.

До 1950 г. Z4 оставалась практически единственным работающим компьютером в Европе. С 1950 до 1954 г. она успешно эксплуатировалась в Техническом университете в Цюрихе (Швейцария). Еще позднее, в знак признания исторического значения, Z4 поместили в музей в Мюнхене.

Во время войны Цузе (как инженер, специалист по прочности конструкций) был привлечен к работам по производству управляемых реактивных снарядов. Недостаточная точность изготовления ухудшала аэродинамические характеристики снарядов, поэтому в конце производственной линии каждое изделие подвергалось тщательному обследованию с помощью 80 датчиков. Затем производились достаточно сложные вычисления, определявшие степень отклонения от проектных норм и необходимую корректировку изделий. Сначала Цузе построил специализированный вычислитель из 500 реле , выполнявший фиксированную последовательность операций. Машина заменяла 12 человек и безотказно работала в течение двух лет, с 1942 по 1944 гг., по две смены ежедневно. Однако при этом требовалось участие техника, который считывал, записывал и передавал показания датчиков оператору, вводившему их в вычислитель. Цузе удалось полностью устранить вмешательство человека в этот процесс. Данные с датчиков считывались автоматически и передавались в вычислитель через изобретенное им устройство, которое сейчас мы бы назвали аналогово-цифровым преобразователем. Таким образом, Цузе удалось встроить вычислитель в замкнутый технологический процесс. Так что и полностью автоматизированные огромные современные производства, и миниатюрные встроенные микропроцессоры в бытовых приборах - все они ведут свою родословную от скромного релейного устройства Конрада Цузе.

Еще до войны вместе с другом Гельмутом Шрейером Цузе выполнил проект полностью электронной машины, содержавшей 2 тыс. электронных ламп . Их идея казалась в то время нереализуемой и не нашла поддержки в

официальных инстанциях, но к 1945 г. им все же удалось собрать макет арифметического устройства на 100 лампах, работавшего с десятиразрядными числами. (Когда после войны стало известно о появлении компьютера ENIAC , содержавшего 18 тыс. ламп, Цузе был потрясен - настолько невероятным представлялось создание такого сложного электронного устройства.) Эта работа Цузе не получила развития, поскольку в побежденной Германии исследования в области электроники запрещались.

Говард Айкен и Грейс Хоппер

Машина Mark I

В конце 30-х гг. XX в. многочисленные устройства, использующие перфокарты в роли носителей закодированной информации, стали достаточно надежны и по меркам того времени обладали хорошей скоростью считывания (порядка нескольких перфокарт в минуту). Их начали применять для хранения информации и в качестве устройства ввода-вывода, когда ученые приступили к созданию цифровых машин-компьютеров. Одна из таких машин была создана группой ученых из лаборатории фирмы IBM под руководством Говарда Айкена и получила название Mark I . Построили ее из стандартных электромеханических частей, применяемых в калькуляторах. Mark I мог выполнять не только четыре основных арифметических действия с 23-разрядными десятичными числами, но и специальные встроенные алгоритмы для вычисления тригонометрических функций и логарифмов. Машина «программировалась» с перфоленты (информация на перфоленте кодировалась пробиванием отверстий в определенных местах, как и на перфокартах), которая двигалась только вперед. Поэтому выполнение циклов или передача управления назад были невозможны.

Результат выдавался на перфоратор или обычную электрическую пишущую машинку. Mark I использовал для выполнения арифметических операций вращающиеся диски-счетчики (как в арифмометре) и для некоторых функций - электромагнитные реле, так что машину можно было классифицировать как релейный компьютер. Его габариты ужасают! Mark I размещался вдоль 20-метровой стены и весил около 5 т. Машина работала по современным меркам медленно (ей требовалось от 3 до 5 с для умножения), но полностью автоматически и могла использоваться для длинных вычислений, где отсутствовали циклы или

их вручную приходилось разбивать на последовательность операций.

Вторая мировая война вынуждала вести постоянные разработки автоматических вычислительных машин. Конструирование военной техники требовало быстрых математических расчетов, например для систем наведения при управлении зенитным огнем. Механические калькуляторы не могли обеспечить нужной скорости вычислений, поэтому военные настаивали на проведении скорейших разработок и немедленной постройке электронных вычислительных машин. В 1942 г. Джон Экерт и Джон Моучли со своими сотрудниками-единомышленниками в Школе электрических разработок Университета штата Пенсильвания (США) задумали создать быстродействующую ЭВМ, получившую название ENIAC (аббревиатура определения переводится с английского как «электронный числовой интегратор и вычислитель»).

Джон Моучли и

Джон Экерт

Компьютер ENIAC

Несмотря на то, что размер машинного слова был всего 10 десятичных цифр (у Mark I - 23 ), ENIAC производил 300 операций умножения за одну секунду и около 5000 сложений и вычитаний! Такой производительности удалось достичь при помощи хранения в памяти машины готовых результатов таблиц умножения. Вместо «медленных» реле ENIAC использовал 18 тыс. электронных вакуумных ламп , а для ввода-вывода закодированной информации - хорошо знакомые перфокарты .

Как и у многих современных вычислительных машин, у ENIAC вычислитель состоял из нескольких блоков-устройств: один блок складывал и вычитал, другой умножал, третий делил и даже мог извлечь квадратный корень и т.д. Кроме того, имелось еще 20 десятичных регистров-счетчиков, которые использовались для сложения и временного хранения результатов. Чтение чисел из регистров и запись в них - так называемое время выборки из регистра - происходили за 0,2 миллисекунды. Благодаря тому что время доступа к числам, содержащимся в памяти, на несколько порядков превышало время доступа к регистрам, можно было хранить промежуточные результаты в регистрах, что уменьшало время счета.

Программа вычислений на ENIAC задавалась вручную с помощью механических переключателей и гибких кабелей со штекерами, которые вставлялись в нужные разъемы (кабельные соединения).

Изменение программы вычислений требовало немалых (в том числе и физических) усилий.

Еще до окончания постройки ENIAC машиной заинтересовался видный американский математик Джон фон Нейман , принявший участие в работе команды Моучли-Экерта.

При создании машины ENIAC разработчики использовали идеи Джона Винсента Атанасова .

Компьютер ENIAC

ENIAC изумил бы сегодняшних школьников не столько своими возможностями, сколько размерами. Он размещался на площади более 150 м 2 и потреблял свыше 180 кВт электроэнергии.

Джон фон Нейман произвел существенное усовершенствование машины, предложив создать блок со стандартным набором кабельных соединений, куда входили все команды вычислений и все функции. Управлять процессом вычислений стала программа, хранящаяся в выделенной области памяти. Она представляла собой набор двоичных чисел, а поскольку была малопонятна неспециалисту, то получила название машинной программы. Каждая из ее команд соответствовала определенной функции, т.е. определенному кабельному соединению из блока соединений. Теперь для загрузки программы не требовалось производить новые кабельные соединения или убирать старые. Оставалось лишь поместить новую программу в память. Таким образом, фон Нейман сформулировал принцип, лежащий в основе функционирования современных вычислительных машин: в памяти ЭВМ содержатся не только обрабатываемые числа, но и сама программа; и то и другое хранится в виде многозначных двоичных чисел. Внушительный масштаб решенных проблем и широкие возможности применения ENIAC положили начало первому поколению компьютеров.

Позднее, в 1971 г., было оспорено первенство ENIAC как первой цифровой вычислительной машины. Более простой вычислитель, построенный под руководством Джона Атанасова в 30-х гг., использовал те же принципы конструирования электронных переключателей на вакуумных лампах.

Тем не менее ENIAC можно назвать первым удачным быстродействующим электронным цифровым компьютером, который успешно работал с 1946 по 1955 г.

После Второй мировой войны Джон фон Нейман приступил к разработке собственного компьютера, который получил название IAS . Он впервые был представлен в 1952 г. в Принстоне (США).

Джон фон Нейман

Джон Винсент Атанасов появился на свет 4 октября 1903 г. на севере США под Нью-Йорком, в семье болгарских эмигрантов.

Любовь к математике Джон унаследовал от матери, Айвы Люцены Парди, преподававшей этот предмет в школе.Отец научил сына разбираться в электрике: девятилетний мальчик легко находил и исправлял поврежденную проводку в доме.

В 1921 г. Атанасов поступил в Университет шатата Флорида, а в 1925 г., окончив его, получил степень бакалавра. Его приглашали преподавать во многие учебные заведения, даже в Гарвард, но Атанасов выбрал университет штата Айова.

В 1929 г. Атанасов получил место в докторантуре в Мэдисоне, в 1930 г. защитил докторскую диссертацию, посвященную электронной структуре атомов гелия. Работа была связана с большими объемами вычислений, и это натолкнуло Атанасова на мысль создать электронное устройство для автоматизации вычислений. Вскоре он получил место профессора-ассистента по математике и физике в Университете штата Айова, куда Джон возвратился с намерением построить компьютер. Там он провел эксперименты с электронными вакуумными лампами и изучил разработанные к тому времени устройства для математических расчетов. Атанасов условно разделил их на аналоговые и «свойственные вычислительным машинам», т.е. цифровые.

В декабре 1939 г. Атанасов и его ассистент Клиффорд Берри создали первый образец машины, которая предназначалась для решения линейных уравнений. Они назвали ее АВС.

Попытки запатентовать изобретение оказались безрезультатными. Из-за Второй мировой войны работы над машиной были прекращены.

Во время войны Атанасов возглавлял управление акустики лаборатории Военно-морских сил США в штате Вашингтон. Одновременно он участвовал в проекте испытаний атомной бомбы в Тихом океане. Когда в 1948 г. Атанасов вернулся в Университет Айовы, то обнаружил, что его компьютер демонтирован, и все чертежи утеряны. Удалось спасти лишь немногие части машины.

Оригинальные идеи Атанасова предвосхитили инженерные решения, положенные в основу универсальных ЭВМ. Компьютер Атанасова, в отличие от электронно-механических машин 40-х гг. XX столетия, был

полностью собран из электронных элементов.

Джон Винсент Атанасов

Клиффорд Берри

Компьютер Атанасова АВС весил более 300 кг и состоял из:

• двух барабанов по 30 50-разрядных двоичных слов памяти, к каждому барабану можно было обращаться независимо. Запоминающее устройство использовало конденсаторы с автоматическим восстановлением заряда (сейчас это называется DRAM - «динамическая память»);
• блока управления, собранного на 300 электронных лампах и обеспечивающего поразрядное сложение и вычитание чисел при тактовой частоте 60 Гц (примерно одно сложение за секунду);
• перфокарт, которые использовались в качестве вторичной памяти, они вставлялись вручную (дырки на перфокартах не пробивались, как обычно, а прожигались со скоростью до 1500 бит данных в секунду с помощью свечек, похожих на автомобильные. Эта технология была настолько удачной, что ошибка при вводе случалась только 1 раз на 100 тыс. чисел).

В 1971 г. в Федеральном суде США началось разбирательство по установлению авторства электронной вычислительной машины. Ответчиком была фирма HONEYWELL - обладатель патента на машину ENIAC . Процесс длился два года и в 1973 г. Закончился полной победой Джона Винсента Атанасова.

В IAS машинные слова стали измеряться в битах, т.е. в двоичных разрядах, в отличие от десятичных разрядов в ENIAC . Машинное слово в IAS составляло 40 бит. Именно такое количество информации могло передаваться между памятью и процессором за одну передачу.

Память состояла из 4096 таких слов. В соответствии с идеями фон Неймана слово, записанное в память, может представлять собой либо команду процессору, либо данные.

Процессор IAS компьютера состоял из блока обработки данных (арифметические операции и др.) и управляющего устройства, которое и осуществляло выполнение программы. Процессор также содержал быстродействующие регистры, предназначенные для временного хранения инструкций (команд), адресов и данных. Для синхронизации работы всех устройств машины использовались электронные часы. Они подавали электрические сигналы через равные промежутки времени, называемые машинными тактами.

Выполнение программы IAS состояло в циклическом исполнении компьютером двух шагов - подготовительного и основного. На подготовительном шаге происходила загрузка инструкции, на основном - ее исполнение.

Инструкции программы хранились в памяти приблизительно в той же последовательности, в которой потом исполнялись. Таким образом, в IAS использовались основные принципы, повлиявшие на все последующие цифровые машины.

Машина IAS работала эффективно - выполняла умножение за 100 микросекунд, а доступ к памяти осуществляла за 50 микросекунд.

Компьютер IAS можно назвать основным представителем компьютеров первого поколения.

Компьютер IAS