Курс «История информатики» Лекция

Главная страница
Контакты

    Главная страница


Курс «История информатики» Лекция



страница3/17
Дата04.11.2017
Размер2,09 Mb.


1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   17






Вопросы





  1. Какие имена связаны с историей кибернетики и информатики?

  2. История какой науки связана с именем Винера?

  3. Как назвал Норберт Винер свои автобиографические книги?

  4. Какие успехи в учебе дают право считать Норберта Винера вундеркиндом?

  5. В каком возрасте Норберт Винер поучил среднее и высшее образование?

  6. Помогли ли способности быстрому успеху Норберта Винера в молодые годы?

  7. В каком учебном заведении Норберт Винер получил место преподавателя?

  8. В какой области нашёл Норберт Винер практическое применение своему дарованию математика?

  9. Изучение каких систем привело Норберта Винера к пониманию роли обратной связи?

  10. Какой метод решил применить Норберт Винер для решения задачи прогнозирования во время Второй мировой войны?

  11. При решении каких задач Норберт Винер придумал статистическую модель?

  12. Авторы статистических основ современной теории информации?

  13. Кто ввел меру количества информации – бит?

  14. Как названа мера количества информации?

  15. Какие работы привели Норберта Винера к пониманию важной роли обратной связи?

  16. Название книги Норберта Винера об управлении?

  17. Перевод слова “кибернетика” с греческого?

  18. В каких науках слово “кибернетика” использовалось до Винера?

  19. Название книги, принесшей Норберту Винеру мировое признание?

  20. Научно-популярные работы Норберта Винера?

  21. Как проявляет свое мировоззрение Норберт Винер в полупопулярных работах на кибернетические темы “Человеческое использование человеческих существ” и “Бог и Голем”, а также в романе “Искуситель”?


Лекция 4.
Краткая история вычислительной техники

Вступление


В этой лекции мы познакомимся с историей вычислительных машин, или – компьютеров. Современный компьютер это сердце всей информатики. Можно сказать даже больше: компьютер – это движущая сила современной цивилизации.

Мы знаем, что первая настоящая вычислительная машина (то есть цифровая и, что очень важно, – электронная!) была построена в США в 1946 году. Вскоре после этого в микроэлектронике и технологии производства интегральных схем были достигнуты замечательные успехи. В результате, компьютеризация приобрела удивительные, сказочные темпы.

Само по себе появление вычислительной техники в середине 20-го века не вызывает особого удивления. Оно было результатом развития человеческого знания, результатом общего прогресса науки и техники, которым был щедро отмечен прошлый век. Но то, что произошло с компьютерами и всем их информационным окружением в последней четверти 20-го века, действительно, похоже на чудо.

Научная и инженерная мысль с давних пор приносили людям всё новые и новые возможности, которые меняли условия их существования и самый стиль их жизни. Изобретение паровой машины, двигателя внутреннего сгорания, электродвигателя позволило механизировать практически все трудоемкие работы и создать удобные и быстрые виды транспорта. Изобретение телефона и радио обеспечило оперативную связь, независимо от расстояния между абонентами.

Изобретение электронных вычислительных машин (ЭВМ), которые мы сейчас называем компьютерами, играет особую роль в истории. Это изобретение совпадает по времени с серединой 20-го века. До этого момента все человеческие изобретения, в том числе самые выдающиеся и полезные, служили для механизации или автоматизации работ, связанных с физическими процессами. С появлением ЭВМ (а затем – и других средств информатики) впервые возникает возможность автоматизации умственной работы и, в каком-то смысле, даже творческой деятельности человека.

Первые счетные машины

В средние века, по мере развития математики и роста объема необходимых вычислений, возникает стремление упростить и облегчить вычислительные работы.

Первая механическая вычислительная машина была создана в 1623–1624 гг. профессором Тюбингенского университета Вильгельмом Шиккардом (1592–1636). Эта машина была десятичной, 6-разрядной. Каждый разряд имел соответствующее зубчатое (счетное) колесо с 10 зубьями, а также однозубое колесо для передачи переноса в старший разряд. В. Шиккард смог изготовить только два экземпляра своей машины, но они не сохранились и были забыты в дальнейшем.

В 1645 году молодой французский математик Блез Паскаль (1623–1662) построил “арифметическую машину” (так он называл свою счетную машину). Эта десятичная

8-разрядная машина, в отличие от машины Шиккарда, была снабжена оригинальным эффективным механизмом переноса, изобретенным Паскалем. Машина Паскаля имела большой успех. Он демонстрировал её при дворе и получил поддержку. В частности, ему было разрешено производить и продавать свои машины. С 1646 по 1652 год он построил около 50 машин. Некоторые из них сохранились до наших дней. Машина Паскаля вызвала к жизни целый ряд изобретений в области вычислительной техники.

Блез Паскаль был не только математиком и изобретателем счетных машин. Он был также незаурядным физиком и философом. Современники называли его “французским Архимедом”. В наши дни имя Паскаля увековечено в названии языка программирования паскаль.

Важную роль в истории вычислительной техники сыграла машина Лейбница. Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646–1716) – великий немецкий философ, ученый-энциклопедист, один из создателей дифференциального и интегрального исчислений, дипломат, государственный деятель. Лейбниц оказал решающее влияние на развитие европейской науки. Арифметическая машина, которую он построил в 1672 году, была первым в мире арифмометром, то есть машиной, выполняющей все четыре арифметические действия. Умножение и деление оказалось возможным благодаря “ступенчатому валику”, который изобрел Лейбниц. Эта идея оказалась весьма плодотворной: в дальнейшем на принципе ступенчатого валика было построено большинство арифмометров.

Чарльз Бэббидж


Все изобретатели 17-го и 18-го веков строили машины для выполнения арифметических действий, которые мы бы сейчас отнесли к так называемым калькуляторам. Первая попытка создания универсальной цифровой вычислительной машины, которая по праву может считаться прототипом современных ЭВМ, принадлежит англичанину Чарльзу Бэббиджу (1791–1871). Идея построить вычислительную машину для расчета таблиц возникла у него в 1812 году. С этого момента она не оставляла ученого и была главным предметом его научных изысканий на протяжении всей его жизни. Приблизительно через 10 лет Ч. Бэббидж изготовил действующую модель машины, которая позволяла вычислять значения полиномов второй степени с точностью до 8 десятичных знаков, и сообщил о ней членам Астрономического общества. Эту машину Бэббидж назвал разностной машиной. Действующая модель этого вычислителя содержала 96 зубчатых колес. В отличие от счетных машин Б. Паскаля и Г.В. Лейбница в разностной машине не требовалось вмешательства человека при переходе к расчету следующего значения функции. В этом был шаг вперед в развитии вычислительной техники, но не это определяло значение трудов Бэббиджа, который по праву считается основоположником принципа программного управления и “запоминаемой программы”.

В 1822 году Бэббидж предлагает проект разностной машины, которая должна вычислять значения полиномов до 7-й степени с точностью до двадцати значащих цифр и печатать результаты вычислений на бумаге. Работа над этой машиной субсидировалась Казначейством, заинтересованным в создании астрономических и морских таблиц. Однако этот проект не был завершен. Не только из-за отсутствия достаточных средств, но, главным образом, по той причине, что Бэббиджем овладела новая идея: создать аналитическую машину или, в переводе на современный язык, универсальную вычислительную машину, способную выполнять вычислительные алгоритмы любой сложности. Бэббидж разработал проект такой машины. Согласно этому проекту аналитическая машина должна была состоять из следующих узлов:

– устройства для хранения чисел на регистрах из зубчатых колес (в современной терминологии это – память);

– устройства, способного выполнять арифметические действия над числами (которое Бэббидж назвал мельницей), т. е. арифметического устройства;

– устройства, управляющего последовательностью действий машины,– в нашей терминологии устройства управления;

– устройства для ввода исходных данных и печати результатов, иначе – устройства ввода-вывода.



Последовательность операций и последовательность передач чисел из памяти в мельницу и обратно, т. е. программа, должна была специальным образом задаваться на перфорированных картах Жаккара, которые еще в конце 18-го века использовались для управления ткацкими станками. На этих картах предполагалось пробивать исходные данные. Карты программы могли двигаться в прямом и обратном направлении в зависимости от знака результата на арифметическом устройстве. Тем самым открывалась возможность менять программу в зависимости от результатов вычислений (условный переход). Этот принцип изменения программы вычислений в зависимости от промежуточных результатов является гениальным открытием, принадлежащим Бэббиджу, и является главным свойством, отличающим универсальные вычислительные машины от иных вычислительных устройств. Именно это открывает возможность использовать вычислительные машины как инструмент аналитических исследований. Бэббидж не только высказал этот принцип, но и понял огромное его значение.

Бэббидж предполагал, что запоминающее устройство должно содержать около 1000

50-разрядных чисел с тем, чтобы иметь достаточный запас точности и емкости. Скорость выполнения операции сложения в аналитической машине по расчетам изобретателя должна была составлять около одной секунды, умножения и деления – около одной минуты.

В середине 19-го века, при том уровне состояния техники, грандиозный проект создания аналитической машины, наверное, трудно было бы реализовать, однако эта работа была доведена Бэббиджем до инженерного проекта.

Для того, чтобы описывать сложные логические связи между узлами и механическими элементами аналитической машины, Бэббидж придумал некоторую знаковую систему, некоторый язык, позволявший компактно записывать эти взаимосвязи. Необходимость разработки такого аппарата диктовалось существом дела – немыслимо было пытаться по чертежам проверять логику работы такой сложной установки. Бэббидж широко пользовался этой мнемоникой. Правда, она была жестко связана с такими понятиями как “храповик”, “зубчатая рейка” и т. д.

Чтобы заставить аналитическую машину выполнять нужные вычисления, необходимо было составить для нее программу – последовательность команд арифметического устройства, команд, управляющих пересылками информации между мельницей и запоминающими регистрами, и команд, управляющих движением перфокарт Жаккара в зависимости от полученного знака результата (в нашей терминологии, команд условного перехода). Случилось так, что эту работу блестяще выполнила, заинтересовавшись проектом Бэббиджа, молодая женщина, обладавшая блестящими математическими способностями и широким кругозором. Это была графиня Ада Августа Лавлейс (дочь поэта Джорджа Гордона Байрона). Леди Лавлейс исследовала возможности использования аналитической машины для выполнения сложных вычислений. Она проанализировала и разработала первые программы, доказав тем самым универсальные возможности вычислительной машины. Это дает основание называть эту замечательную женщину первым программистом в мире. В честь Ады Лавлейс в наше время был назван язык программирования ада.

В 1973 году наши программисты провели отладку на машине БЭСМ-6 программы для вычисления чисел Бернулли, составленной леди Лавлейс в 1843 году. Была обнаружена всего одна ошибка, хотя обычный уровень ошибок при написании программ такой сложности более высок.

Идеи Бэббиджа намного опередили свое время. В течение почти 80 лет после опубликования работ, касающихся его аналитической машины, поднятый им вопрос об автоматизации вычислительных процессов почти не сдвинулся с места. Интерес к этим работам возобновился лишь во второй половине 30-х годов прошлого века. Это было результатом, с одной стороны, важных научных и технологических достижений, а с другой – необходимости решать все более сложные научно-технические и оборонные задачи.


Электромеханические вычислительные машины


В конце 19-го века на смену зубчатым колесам приходят электромеханические устройства. Американец Герман Холлерит разрабатывает и организует серийное производство весьма удачного комплекса счетно-аналитических машин, где в качестве основного носителя информации использовались перфокарты, сыгравшие важную роль в истории вычислительной техники. Перфораторы и табуляторы Холлерита имели большой успех и применялись в разных странах (в том числе, в СССР) вплоть до 40-х годов 20-го века.

Электромеханический этап развития вычислительной техники продолжили релейные вычислительные машины. В 30-е и 40-е годы 20-го столетия был создан ряд удачных релейных машин. Наконец, в 1946 году в США была построена первая электронная цифровая вычислительная машина ЭНИАК.


В 30-е годы 20-го века происходит развитие и совершенствование счетно-аналитической техники. Наряду с табуляторами фирма ИБМ (США) начинает серийный выпуск множительных перфораторов (для сложения, вычитания и умножения) и вычислительных перфораторов (для выполнения четырех арифметических действий). Разрабатываются ленточные перфораторы, вводные устройства для автоматической записи показаний различных приборов, итоговые перфораторы и т. п. Во второй половине 30-х годов в Германии и США начинается работа над проектами универсальных вычислительных машин с программным управлением для выполнения сложных расчетов. Первая такая машина была создана германским инженером Конрадом Цузе в 1941 г. (машина Z-3). Конрад Цузе вел работы над проектами автоматических вычислительных машин с 1935 г.

В 1939 г. Говард Айкен (Гарвардский университет, США) возглавил работу над проектом релейной машины МАРК-1 и в 1944 г. завершил эту разработку. В машине МАРК-1 для хранения чисел использовались механические элементы, а для управления – реле. Программа вводилась с помощью перфоленты. Сложение и вычитание выполнялись за 0,3 сек, умножение за 5,7 сек, деление за 15,3 сек.

С 1938 г. работу над автоматическими цифровыми машинами на контактных реле ведет Дж. Стибиц (фирма “Белл”, США). Результатом работ явилось создание нескольких специализированных машин (Белл-I, 1939 г.; Белл-II, 1943 г.; Белл-III, 1944 г.) и мощной универсальной релейной машины Белл-V, которая содержала 9000 реле. Эта машина была закончена в 1946 г., уже после постройки первой электронной цифровой вычислительной машины.

Дальнейшее развитие

Развитие вычислительной техники протекало в двух направлениях и представлено машинами двух принципиально различных классов: машинами непрерывного и машинами дискретного действия.

В машинах непрерывного действия, о которых мы уже говорили в Лекции 2, математические переменные изображаются физическими величинами (изменяющимися углами поворота, длинами, скоростями, электрическими напряжениями и т. п.). Простейшими машинами непрерывного действия являются логарифмическая линейка, планиметр, интегратор.

Основой для создания машин непрерывного действия явился метод моделирования. Если два процесса различной физической природы описываются одинаковыми математическими выражениями, то любой из них можно считать моделью другого, всякий реальный процесс можно считать моделью тех математических формул, которые являются его описанием.

Важнейшим видом машин непрерывного действия являются электронные интеграторы, предназначенные для решения систем дифференциальных уравнений. Конструктивно машины непрерывного действия состоят из отдельных блоков, предназначенных для выполнения различных математических операций и для моделирования математических функций. Для решения задачи необходимые блоки, из числа имеющихся в комплекте машины, соединяются между собой тем или иным способом, зависящим от характера задачи.

Таким образом, сложность задачи, поддающейся решению на машине непрерывного действия, ограничена наличным комплектом ее оборудования. Точность результатов решения обусловлена качеством элементов, из которых построена машина непрерывного действия, и сравнительно невелика (три–четыре верных значащих цифры). Повышение точности решения наталкивается на существенные технологические и эксплуатационные трудности. Несмотря на перечисленные недостатки, машины непрерывного действия обладают ценной особенностью: их можно сочетать с реальной аппаратурой, заменяя, таким образом, натурные испытания этой аппаратуры лабораторными (например, электронная машина непрерывного действия, моделирующая сигналы, вырабатываемые приборами самолета, может быть применена для испытаний автопилота).

В машинах дискретного действия принят цифровой способ представления чисел, откуда и происходит их название – цифровые машины. Для изображения каждой цифры применяется какой-либо прибор (элемент машины), которому свойственно несколько устойчивых состояний, резко разграниченных между собой (обычно – два состояния).

Каждому состоянию элемента поставлена в соответствие определенная цифра. Первые цифровые вычислительные машины появились в глубокой древности (например, абак древних греков). Широко известны конторские счеты, арифмометры и ручные электрифицированные счетно-клавишные машины.

При создании цифровой вычислительной машины всегда можно предусмотреть сколь угодно высокую точность её работы, что достигается использованием достаточного количества элементов, изображающих разряды чисел. При этом высокие требования к точности изготовления и стабильности работы элементов не предъявляются, так что из сравнительно грубых элементов можно построить цифровые машины, обеспечивающие высокую точность вычислений.

Арифмометры и ручные счетно-клавишные машины выполняют только арифметические операции. Однако разработанные к настоящему времени численные методы математики позволяют с помощью таких “арифметических” машин решать самые разнообразные математические задачи. Другими словами, в отличие от машин непрерывного действия, цифровые машины могут быть практически универсальными.

Электронные вычислительные машины


В сороковых годах 20-го века появилась принципиально новая разновидность цифровых машин – электронные цифровые программно-управляемые машины.

В 1918 г. М.А. Бонч-Бруевич (Россия) и в 1919 г., независимо от него, англичане У. Икклз и Ф. Джордан изобретают триггер (схему с двумя устойчивыми состояниями) на электронных лампах. По мнению С. Лилли, “в любое время после 1919 г. можно было бы создать практически действующую электронную счетную машину”. Теоретически это верно, однако на практике дело обстояло значительно сложнее. Необходимо было повысить надежность ламп и получить опыт проектирования устройств с большим числом ламп (в достаточно мощной ЭВМ количество ламп должно было составить несколько тысяч). В 20–30-е годы улучшаются характеристики электронных ламп, создаются новые типы ламп (тетроды, пентоды, комбинированные лампы и т. п.), развивается теория электронных цепей. В 30-е годы зарождаются телевидение и радиолокация, развивается электронная контрольно-измерительная техника. Электронные лампы впервые начинают применяться для выполнения счетных операций (в приборах ядерной физики для счета заряженных частиц). Первые электронные счетчики для данных целей были разработаны в 1931–1932 гг. С. Винн-Вильямсом (Великобритания).

Первый проект электронной вычислительной машины был разработан Джоном Атанасовым (США) в 1939 г. Постройка машины велась Атанасовым и его единственным помощником Клиффордом Берри в 1939–1941 гг., но осталась незавершенной из-за вступления США в войну и перехода Атанасова на исследовательскую работу военного назначения. В 1940 г. с работой Атанасова над ЭВМ знакомится Джон Мочли, который в 1942 г. предлагает свой проект, существенно отличающийся от проекта Атанасова. В 1943 г. возможностями выполнения расчетов на ЭВМ заинтересовалась Баллистическая исследовательская лаборатория армии США, и в том же году под руководством Дж. Мочли и Дж. Эккерта началась постройка машины. В 1945 г. машина ЭНИАК была введена в действие, а в феврале 1946 г. проект был рассекречен, и состоялась первая публичная демонстрация работы этой машины. По сравнению с упомянутыми выше релейными вычислительными машинами в машине ЭНИАК была достигнута приблизительно в 1000 раз более высокая скорость выполнения операций.

В 1946 г. выдающийся американский математик Джон фон Нейман, на основе критического анализа конструкции машины ЭНИАК, предложил ряд новых идей организации ЭВМ, в том числе концепцию хранимой программы, т. е. хранения программы в запоминающем устройстве (в ЭНИАК программа задавалась штеккерным методом, т. е. коммутацией блоков машины в определенной последовательности). В результате реализации идей Неймана была создана структура машин, во многих чертах сохранившаяся до настоящего времени. Первая ЭВМ с хранимой программой была создана в Великобритании в 1949 г. (машина ЭДСАК, конструктор Морис Уилкс). В 1951 г. в США начался серийный выпуск ЭВМ с хранимой программой (машина УНИВАК, проект Дж. Эккерта и Дж. Мочли).

Наряду с применением электронных приборов и элементов, обеспечивающих небывалую до сих пор быстроту выполнения операций, а также записи в запоминающее устройство и считывания из него чисел, для электронных цифровых вычислительных машин характерна полная автоматизация вычислительного процесса, исключающая участие в нем человека.

В программно-управляемой машине вычислительный процесс выполняется в соответствии с последовательностью команд, которые вводятся в запоминающее устройство машины вместе с исходными данными. Такие последовательности команд называются программами. Программы кодируются с помощью чисел, что позволяет подвергать их команды математическим операциям и, таким образом, автоматически видоизменять. Кроме того, программно-управляемые машины позволяют предусматривать в программах изменение порядка выполнения команд в зависимости от промежуточных результатов вычислений.

Как мы уже отметили, основные принципы построения архитектуры современных вычислительных машин были сформулированы Джоном фон Нейманом. Перечислим кратко принципы фон-Неймановской архитектуры:

1. Принцип программного управления.

2. Принцип условного перехода.

3. Принцип хранимой программы.

4. Использование двоичной системы счисления.

5. Использование иерархической памяти.

Перечисленные особенности электронных программно-управляемых машин позволили расширить область их применений далеко за первоначально намеченные рамки сверхбыстрых вычислений.

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   17

  • Вступление
  • Чарльз Бэббидж
  • Электромеханические вычислительные машины
  • Дальнейшее развитие
  • Электронные вычислительные машины