Історія обчислювальної техніки

Обчислювальна техніка: від джерел до поколінь ЕОМ

Необхідність в обчисленнях завжди була нерозривно зв'язана з практичною діяльністю людини. Поняття числа виникло задовго до того, як з'явилася писемність. Люди дуже повільно і важко училися вважати, передаючи свій досвід з покоління в покоління. В міру росту потреб в обчисленнях і розвитку методів обчислень виникали і розвивалися пристосування для рахунка.

Найдавнішим рахунковим інструментом, що сама природа надала в розпорядження людини, була його власна рука. Для полегшення рахунка люди стали використовувати пальці - спочатку однієї руки, потім обох, а в деяких племенах і пальці ніг. Рахунок на пальцях використовувався дуже довго - час його виникнення визначити дуже важко. У XVII в. його прийоми ще викладалися в підручниках. У наш час їм користаються маленькі діти, що осягають поняття числа.

Ці обставини пояснюють появу спеціального рахункового приладу - абака, до V ст. до н.е. він одержав широке розповсюдження в Єгипті, Греції, Римі. Абак являв собою дошку з жолобками, у яких по позиційному принципі розміщувалися які-небудь предмети - камінчики, кісточки і т.п. Історики думають, що абак був похідним інструментом купців, оскільки камінчики в жолобках відповідали різним грошовим одиницям.

У Древньому Римі абак називався abaculi чи calculi. Латинське слово calculus означає камінчик (відкіля і відбулося слово calculator - перекладати камінчики, підраховувати).

Згодом абак був удосконалений: дошка перетворилася в рамку, камінчики в кульки, жолобки в прутики, - так з'явилися рахівниця. Російська рахівниця виникли на рубежі XVI - XVII століть.

Першим приладом для обчислень був абак, але він не дуже пристосований для розподілу і множення. Тому блискучим досягненням математики стало відтоді коли з'явився винахід логарифмів Джоном Непером (1550-1617), що дало можливість замінити множення і розподіл додаванням і вирахуванням і привело до створення набагато більш зручного інструмента - логарифмічної лінійки.

Обчислення за допомогою логарифмічної лінійки виконувалося швидко, просто, але приблизно. Тому і вона не годилася для точних розрахунків, наприклад, фінансових.

Історія створення засобів цифрової обчислю­вальної техніки сягає глибини віків. У щоденни­ках геніального італійця Леонардо да Вінчі (1452-1519 ще в наші часи були знайдені малюн­ки, які виявилися ескізним начерком сумуючої об­числювальної машини на зубчастих колесах, здат­ної додавати 3-розрядні десяткові числа. Спеціа­лісти фірми ІВМ відтворили цю машину в металі, і вона виявилася працездатною. Механічну сумую­чу машину да Вінчі можна вважати початком в іс­торії обчислювальної техніки, зародком майбутніх електронних суматорів—найважливішого елемен­та сучасних ЕОМ. Свого часу геніальний учений був, мабуть, єдиною людиною у світі, яка розуміла значення створення засобів, які б полегшили пра­цю під час проведення обчислень.

У ті часи такої потреби ще не було. Пройшло більше ста років після смерті Леонардо да Вінчі, як німецький уче­ний Вільгельм Шіккард (1592-1636)запропонував свій варіант лічильної маши­ни для сумування і множен­ня 6-розрядних десяткових чисел. Причиною, яка спо­нукала його до цього, було ознайомлення з працями ві­домого астронома І. Кеплера, які були пов'язані з обчис­леннями. У листі Кеплеру, датованому 1623 p., Шіккард наводить малюнок ма­шини і описує її будову. На жаль, даних про подаль­шу долю цієї машини історія не зберегла.

Про винаходи Леонардо да Вінчі та Вільгельма Шіккарда стало відомо лише в наші дні. Сучасни­кам вони були невідомі.

Вільгельм Шіккард Машина Шіккарда

У XYII ст. стан справ змінюється. У1641-1642 pp. дев'ятнадцятирічний Блез Паскаль (1623-1662) створив діючу сумуючу машину ("Паскаліну"), яку він створив з метою полегшення праці своєму батько­ві під час обрахунку податків. Наступні чотири роки ним були створені зразки більш досконалих машин. Вони були 6- і 8-

розрядними, будувались на основі зубчас­тих коліс і могли виконувати додавання і віднімання деся­ткових чисел. Було створено більше 50 зразків машин. Б. Паскаль мав королівську привілею на їх виробництво, але практичного викорис­тання "паскаліни" не набу­ли, хоча про них багато гово­рилось і писалось (в основно­му, у Франції).

Блез Паскаль Машина Паскаля

У 1673 р. німецький уче­ний Вільгельм Готфрід Лей бніць(1646-1716)ство­рює лічильну машину для додавання і множення 12-розрядних десяткових чи­сел. До зубчастих коліс він додав ступінчастий валик, який дозволяв робити множення і ділення. Про машину Лейбніця знали у більшості країн Європи. Свою машину він назвав "арифметичним прила­дом", який став прообра­зом основного пристрою сучасного комп'ютера— арифметично-логічного пристрою. Крім того він усе життя від студентства до старості займався дослідженням властивостей двійкової системи числення.

Вільгельм Готфрід Лейбніц Машина Лейбніца

Завершальний крок у еволюції цифро­вих автоматичних при­строїв (механічного ти­пу) зробив англійський учений Чарльз Беббідж (1791-1871), чудовий математик, який доско­нало володів числовими методами обчислень і вже мав досвід у створен­ні технічних засобів (різ­ницева машина Беббі­джа для табулювання по­ліномів, 1812-1822 pp Аналітична машина Беббіджа, проект якої він розробив у 1836—1848 pp. була механічним про­тотипом перших ЕОМ. У ній мали бути п'ять основ­них пристроїв: арифметичний, пам'ять, управлін­ня, уведення і виведення. Для арифметичного при­строю Ч. Беббідж використовував зубчасті колеса, на яких він мав намір побудувати пристрій пам'яті з тисячі 50-розрядних регістрів (по 50 коліс у кож­ному). Програма проведення обчислень записува­лася за допомогою пробивок на перфокартах, на яких записувалися початкові дані та результати обчислень. Крім чотирьох арифметичних операцій були введені операції умовного переходу та з кода­ми команд. Автоматичне виконання команд забез­печувалось пристроєм управління. Час додавання двох 50-розрядних чисел складав, за розрахунком ученого, 1 сек, множення —1 хв.

Аналітична машина Беббіджа Чарльз Беббідж

Програми обчислень для машини Беббіджа, складені дочкою Дж. Г. Байрона Адою Лавлейс (1815-1852), дуже схожі з програмами, складени­ми згодом для перших ЕОМ.

Механічний принцип побудови пристроїв, ви­користання десяткової системи числення, яка утруднювала створення простої елементної бази, не дозволили повністю реалізувати задуми Ч. Беб­біджа, а обмежитися лише проектами. Якби вона була втілена в життя, то розмірами була б з величе­зний локомотив, а для приведення її в дію потрібен був би паровий двигун.

Не дивлячись на всі зусилля Ч. Беббіджа і Ади Лавлейс, побудувати машину не вдалося. Сучасни­ки, не бачачи конкретного результату, розчарува­лися в роботах ученого. Він випередив свій час. Пі­сля смерті Ч. Беббіджа Комітет Британської нау­кової асоціації, розглядаючи питання про долю незакінченої аналітичної машини, відзначали, що успішна її реалізація буде означати епоху в історії обчислень.

Через 63 роки після смерті Ч. Беббіджа знай­шлася людина, що втіли­ла в життя його ідею. Ним став німецький студент Конрад Цузе (1910-1987), який розпочав роботу над створенням машини в 1934 p., нічого не знаючи про машину Беббіджа, ро­боти Лейбніця, алгебру Буля. Він повернув до ! життя двійкову систему числення, а під час розра­хунку схем щось подібне до булевої алгебри. А в 1937 р. машина Z1 (що озна­чало Цузе 1) була готова і запрацювала.

Ця машина також була чисто механічною, але двійкова система числення зробила чудо—машина займала всього два квадратних метри. Довжина слів складала 22 двійкових розряди (для мантиси зі зна­ком—15, порядку—7 розрядів). Виконання опера­цій відбувалося із застосуванням плаваючої коми, пам'ять містила 64 слова, числа і програма вводили­ся вручну. Через рік у машині (Z2) з'явився при­стрій для введення даних і програми за допомогою кінострічки, на яку перфорувалась інформація, а механічний арифметичний пристрій замінений був на пристрій послідовної дії на телефонних реле," в останньому К. Цузе допоміг австрійський інженер у галузі електроніки Т. Шрайєр. У 1941 р, К. Цузе з його допомогою створив релейну обчислювальну машину з програмним управлінням (Z3), яка місти­ла 2000 реле і мала основні характеристики Z1 і Z2. Машина Z3 успішно експлуатувалася.

По іншому розвивалися події у США. У 1944 учений Гарвардського університету Говард Айкен (1900-1973) створює першу в США релейно-механічну машину МАРК-1. За своїми характеристиками продуктивність, обсяг пам'яті) вона була близького до Z3, але за розмірами значно більшою (17x2,5 м), вагою 5 т і мала 500 тис. механічних деталей, та ще
й базувалася на десятковій системі числення.

У лічильниках та регістрах пам'яті використовувалися зубчасті колеса, а управління і зв'язок між ними здійснювався за допомогою реле, кількість яких перевищувала 3000.

Говард Айкен Релейно – механічна машина
МАРК - 1

Надходив час, коли обсяг розрахункових робіт У розвинутих країнах почав швидко зростати, осо­бливо у військовій техніці.

У 1941 р. співробітники лабораторії балістич­них досліджень Абердинського артилерійського полігону звернулися до технічної школи при Пен­сільванському університеті за допомогою у скла­данні таблиць стрільби для артилерійських гар­мат, розраховуючи на наявний в університеті ди­ференціальний аналізатор Буша. Проте фізик цієї школи Джон Мочлі (1907-1986) запропонував вій­ськовому відомству створити потужний комп'ютер на електронних лампах. Пропозиція не була б сприйнятою, якби не співробітники лабораторії які добилися, щоб у 1943 р. була укладена угода з Пенсільванським університетом на створення об­числювальної машини, названої електронним ци­фровим інтегратором і комп'ютером (ЕНІАК). Ке­рівниками роботи були Дж. Мочлі й талановитий інженер - електронщик Дж. Преспер Еккерт (1919-1995). Напружена робота тривала до 1945 р. і завершилася успішною роботою машини. Прав­да, за розмірами вона була ще більшою МАРК-1, довжиною 26 м, шириною 6 м і вагою 35 т, але мог- ла виконувати операції в 1000 разів швидше за свою попередницю. В ЕНІАК використовувалася десяткова система числення, розрядність—10 де­сяткових розрядів, обсяг електронної пам'яті—20 слів; уведення програми було з комутованого поля, що викликало незручності: зміна програми прово­дилася кілька годин, а то й днів.

ЕОМ «ЕНІАК» Дж. Преспер Еккерт й Джон Мочлі

У 1945 р. творці ЕНІАК розпочали розроб­ку нового цифрового ком­п'ютера ЕДВАК, у якому мали розміщувати про­граму в оперативній па­м'яті. У цей час до них приєднався в якості кон­сультанта один із розроб­ників проекту атомної бо­мби Джон фон Нейман (1903-1957), який після завершення робіт нaпиcaв^ звіт про їх виконання.

Згодом у 1946 р. Нейманом, Голдстайном і Берксом був складений ще один звіт, який містив розгорну­тий і детальний опис принципів побудови елект­ронно-обчислювальних машин.

Викладені у звіті принципи зводилися до на­ступного.

Джон фон Нейман

1. Машини на електронних елементах повинні пра­цювати не в десятковій, а двійковій системі числення.

2. Програма повинна розміщуватися в одному з блоків машини—у запам'ятовуючому пристрої,
   що володіє достатнім обсягом і відповідними швидкостями вибірки і запису команд програми.

3. Програма, як і числа, записується у двійковому коді, тобто числа і команди однотипні. Звідси
   випливає:

• проміжні результати обчислень, константи та інші числа можуть розміщуватися в тому ж за­пам'ятовуючому пристрої, що й програма;

• числова форма запису програми дозволяє маши­ні виконувати операції над величинами, якими закодовані команди програми.

4. Труднощі фізичної реалізації запам'ятовую­чого пристрою, швидкодія якого відповідає швидкості роботи логічних схем, вимагає ієрархічної організації пам'яті.

5. Арифметичний пристрій машини конструює­ться на основі схем, що виконують операцію дода­вання, і створення спеціальних пристроїв для ви­конання інших операцій недоцільно.

6. У машині використовується паралельний принцип організації обчислювального процесу (операції над словами виконуються одночасно з усіх розрядах).

Ці принципи були висловлені не вперше, проте Дж. Нейман разом з колегами узагальнили досвід побудови цифрових обчислювальних машин і пе­рейшли від теоретичних основ (машина Тьюрінга і до практики побудови реальних ЕОМ. Згодом ці принципи і структура ЕОМ стали називатися нейманівськими.

Під керівництвом Дж. Неймана в Прінстонському інституті перспективних досліджень у 1952 р. була створена ще одна машина на електронних лампах МАНІАК (для розрахунків зі створення водневої бом­би), а в 1954р. ще одна, уже і без участі Дж. Неймана, і яку в його честь назвали "Джонніак".

У 1942-1943 pp. в Англії під його керівництвом секретно була побудована й успішно експлуатува­лася перша у світі спеціалізована машина "Ко­лосе" на електронних лампах (2000 шт.) для роз­шифровування радіограм німецьких радіостанцій.

Проте у практичному плані Дж. Мочлі і П. Еккерт дійсно виявилися першими, хто, зрозумівші доцільність зберігання програми в оперативній па м'яті машини (незалежно від А. Тьюрінга), закладі це в реальну машину—свою другу машину ЕДВАК На жаль, її розробка затрималася і вона була введе на в експлуатацію лише в 1951 р.

На цей час у Англії вже два роки працювала ЕОМ зі збереженням програми в оперативній пам'яті. / справа виявилася в тому, що в 1946 р. в Пенсільванському університеті Дж. Мочлі прочитав курс лек цій з принципів будови ЕОМ. Серед слухачів був талановитий молодий англійський учений Моріс Уїлкс (нар. 1905 p.), який, повернувшись на батьківщину, зміг швидко створити ЕОМ ЕДСАК (1949 р. послідовної дії з пам'яттю на ртутних трубках з ви користанням двійкової системи числення і збереженням програми в оперативній пам'яті. У 1951 р він запропонував мікропрограмне управління пам'яттю. ЕДСАК став прототипом першої у світі се­рійної комерційної ЕОМ ЛЕО (1953 p.).

Моріс Уїлкс