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, д
о 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.
Ч
ерез 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
Машини на електронних елементах повинні працювати не в десятковій, а двійковій системі числення.
Програма повинна розміщуватися в одному з блоків машини—у запам'ятовуючому пристрої,
що володіє достатнім обсягом і відповідними швидкостями вибірки і запису команд програми.
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.
Труднощі фізичної реалізації запам'ятовуючого пристрою, швидкодія якого відповідає швидкості роботи логічних схем, вимагає ієрархічної організації пам'яті.
Арифметичний пристрій машини конструюється на основі схем, що виконують операцію додавання, і створення спеціальних пристроїв для виконання інших операцій недоцільно.
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
Відображення документу є орієнтовним і призначене для ознайомлення із змістом, та може відрізнятися від вигляду завантаженого документу
