История развития вычислительной техники

Отличительной чертой нашей эпохи является развитие техники во всех отраслях жизни. Чтобы экономике выйти из кризиса, нужны обновленные машины, оборудование, программы по автоматизации различных производств, новые технологии. Грозно нависают над человечеством проблемы. Решение этих и многих других проблем требует большой вычислительной работы. Разнообразные, многочисленные и громоздкие вычисления необходимы для хозяйственной деятельности больших и малых предприятий, для разработки планов, в том числе семейных, личных, для учета их выполнения. Все это обязывает основательно овладеть техникой вычислений. «Счет и вычисления – основа порядка в голове» (И. Песталлоци). К средствам, облегчающим и ускоряющим вычисления, можно отнести: таблицы, номограммы, счетные приборы: счеты, арифмометры, логарифмические линейки и калькуляторы и т. д.

Вычислительная техника имеет давнюю историю. На протяжении многих лет проводились специальные исследования по истории вычислительной техники. Но с начала 60-х годов ХХ века произошел перелом, когда применение ЭВМ во многом изменило наш мир. ЭВМ начинают применяться в экономике, в науке, в управлении, в здравоохранении и обучении. Трудно найти сферу деятельности, в которой в настоящее время можно обойтись без персонального компьютера. И как сказал Готфрид Лейбниц: «Кто хочет ограничиться настоящим без знаний прошлого, тот никогда его не поймет». В результате интерес к ЭВМ, в том числе в историко-техническом плане, резко повышается, и продолжает, устойчиво расти.

Ручной этап

Ручной этап можно сравнить с изобретением колеса, ибо именно в это время зарождались первые методы подсчетов, которые лишь спустя тысячелетия усложнились на столько, что потребовалось специальное оборудование для их реализации. Ручной период «автоматизации» начался на заре нашей цивилизации и базировался на использовании учета пальцев рук и ног.

Пальцевой и узловой счет:

Пальцевой счет самый древний, и он встречается в том или ином виде у каждого народа и по сей день.

Имена числительные во многих языках указывают, что у первобытного человека орудие счета были преимущественно пальцы. От пальцевого счета берет начало пятеричная система счисления (одна рука), десятеричная (две руки), двадцатеричная (пальцы ног и рук). У многих народов пальцы рук остаются инструментом счета и на наиболее высоких ступенях развития.

Другие народы – китайцы, персы, индейцы, перуанцы использовали для представления чисел и счета ремни или веревки с узелками.

Каждая нить прикреплялась в особом порядке к одной нити - основе, образуя как бы бахрому. Узлы располагались согласно определенному порядку. В нижней части нити располагались единицы, выше десятки, сотни и тысячи, а в самом верху десятки тысяч и очень редко сотни тысяч. Таким образом, на всех нитях каждый разряд располагался на одном и том же уровне. Помимо этого узлы имели различную форму. Со временем техника такого письма совершенствовалась и усложнялась.

Абак, японские счеты, русские счеты:

Первым устройством, специально предназначенным для вычислений, был простой абак, с которого началось развитие вычислительной техники. Счет на абаке, известен уже в Древнем Египте и Древней Греции задолго до нашей эры, просуществовал вплоть до XVI-XVII вв.

Абак первое счетное приспособление, которое стал применять человек. Идея его устройства заключается в наличии специального вычислительного поля, где по определенным правилам перемещают счетные элементы, сгруппированные по разрядам. Именно эта идея объединяет столь разные на первый взгляд приборы, такие как греческий и римский абак, китайские и русские счеты, а также счет на линиях.

Сначала роль абака выполняла покрытая пылью или песком доска, на которой можно было чертить линии и перекладывать камешки. На такой доске легко складывать и вычитать, добавляя или убирая камешки и перенося их из разряда в разряд.

Из Китая суан – пан (китайские счеты) в XVI в. пришел в Японию – здесь он получил название «соробан». Рама соробана 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 сильно отличаются от китайских.

Русский абак – счеты появились вXVI-XVII вв. Русские счеты стоят на особом месте среди разновидностей абака, т. к. они используют десятичную, а не пятеричную систему счисления, как все остальные абаки. Этот "народный калькулятор" продержался на рабочих местах кассирш в магазинах вплоть до середины 90-х годов. Счеты представляют собой деревянное основание, на котором укреплены металлические прутья, на которые нанизаны деревянные косточки. На каждом пруте находится десять косточек, за исключением разделителя рублей и копеек, на котором находится четыре косточки. Счеты предназначены для сложения и вычитания. Основная заслуга изобретателей абака состоит в создании позиционной системы представления чисел.

Палочки Непера:

Следующий толчок к развитию счетного дела был дан шотландским математиком Джоном Непером, придумавшим специальные счетные палочки, которые позволяли быстро выпол- нять операции умножения и деления. В таблицу умножения Пифагора математик Непер (1550-1617гг. ) внес некоторые изменения, пользуясь которыми можно значительно упростить умножение и деление многозначных чисел. Непер отделил косой чертой десятки произведения от единиц, таблица приняла вид . Числа верхней строки принимаются за множимое, а левой вертикали за множитель. Дальше Непер придал всей таблице подвижной характер, разрезав ее по вертикали на 10 полосок.

По числам первой горизонтальной строки путем перестановок составляются любые числа, а по вертикали, прикладывая 11-ю полоску, находятся произведения их на любые числа от одного до девяти. Если в середине встречаются нули или повторяющиеся цифры, то для умножения таких чисел делают запасные полоски. Произведение находится так же, как и по таблице Пифагора легко было работать, но они имели один существенный недостаток:

Палочки Непера накопленные единицы механически не переносились в высший разряд. У Непера оказалось много последователей, которые совершенствовали его изобретение.

Логарифмическая линейка:

В 1614 году шотландский математик Джон Непер изобрел таблицы логарифмов. В дальнейшем им была изобретена логарифмическая линейка, которая с XVII века практически без изменений прослужила "верой и правдой" вплоть до 70 годов 20 века.

Обычная логарифмическая линейка (с длиной основной шкалы 250мм) представляет собой, по существу, трехзначные таблицы логарифмов в одной из удобных форм механического счетного устройства. На логарифмической линейке можно производить самые разнообразные операции: умножение, деление, возведение в степень, извлечение корня, логарифмирование и потенцирование, отыскание значений тригонометрических функций заданных углов.

Логарифмическая линейка состоит из трех частей: корпуса, движка (подвижная часть). Скользящего в желобе корпуса линейки, и бегунка, состоящего из вделанного в металлическую рамку стекла. Посередине стекла тонкая визирная линия. На лицевой стороне логарифмической линейки и движка находятся несколько шкал: шкала кубов, шкала квадратов, основная шкала, шкала логарифмов.

Логарифмическую линейку можно считать первым аналоговым вычислительным устройством.

Механический этап

Следующим важным шагом в развитии вычислительной техники было создание суммирующих машин и арифмометров. Такие машины были сконструированы независимо друг от друга разными изобретателями.

Машина Блеза Паскаля:

Считается, что первую механическую машину, которая могла бы выполнять сложение и вычитание, изобрел в 1646г. 18- летний французский математик и физик Блез Паскаль. Она называется «паскалица».

Формой своей машина напоминала длинный сундучок. Она была достаточно громоздка, имела несколько специальных рукояток, при помощи которых осуществлялось управление, имела ряд маленьких колес с зубьями. Первое колесо считало единицы, второе – десятки, третье – сотни и т. д. Машина позволяла выполнять сложение и вычитание, а также умножение (деление) путем многократного сложения (вычитания).

Готфрид Лейбниц

Следующим шагом было изобретение машины, которая могла выполнять все четыре действия арифметики. Такую машину изобрел в 1671 г. немец Готфрид Лейбниц. Хоть машина Лейбница и была похожа на "Паскалицу", она имела движущуюся часть и ручку, с помощью которой можно было крутить специальное колесо или цилиндры, расположенные внутри аппарата. Такой механизм позволил ускорить повторяющиеся операции сложения, необходимые для умножения. Самоповторение тоже осуществлялось.

Разностная машина Чарльза Бэббиджа

В 1822 г. англичанин Чарльз Бэббидж построил счетное устройство, которое назвал разностной машиной. В эту машину вводилась информация на картах. Для выполнения ряда математических операций в машине применялись цифровые колеса с зубьями. Десять лет спустя, Бэббидж спроектировал другое счетное устройство, гораздо более совершенное, которое назвал аналитической машиной.

Друг Бэббиджа, графиня Ада Августа Лавлейс, показала, как можно использовать аналитическую машину для выполнения ряда конкретных вычислений.

Арифмометр Чебышева:

Арифмометр Пафнутия Львовича Чебышева сконструированной в 1878 году состоял из двух основных частей: суммирующей машины и приставки для умножения появившийся примерно пятью годами позже. После установки множимого и множителя надлежало только вращать рукоятку, повороты которой либо передавались на механизм переноса, либо заставляли передвигаться на один разряд основной счетчик( суммирующую машину) относительно этого механизма. Для автоматизации всего процесса служил специальный управляющий регистр, на цифровых колесах которого устанавливался множитель. При умножении на цифру разряда единиц множителя установка колеса единиц управляющего регистра «уменьшалось» с каждым срабатыванием механизма переноса на единицу, пока не останавливалась на позиции 0. В этой позиции колесо, препятствовавшее ранее перемещению основного счета относительно механизма переноса, позволило осуществить такое перемещение на один разряд, после чего обороты рукоятки передавались уже на колесо десятков счетчика управления и т. д.

К сожалению, арифмометр Чебышева, который, как и большинство изобретенных им механизмов, остался невостребованным на родине, был подарен ученым Парижскому музею искусств и ремесел

Колесо Однера:

Вильгодтом Однером был создан арифмометр, который распространился во всем мире. Идея Однера заключалась в том, чтобы заменить ступенчатые валики Лейбница, более совершенной и компактной деталью – зубчатым колесом с меняющимся числом зубцов.

В основе конструкции зубчатки, вошедшей в историю под названием «колесо Однера», лежит следующий принцип: подвижный диск со ступенчатой прорезью соприкасается плоскостью с неподвижным диском, несущим на пазах радикальные выдвигающиеся зубья, бородки которых входят в ступенчатую прорезь. Если вращать подвижный диск, то по мере того как бородки будут проходить ступеньку прорези, зубцы будут выдвигаться на край колеса. Таким способом устанавливается на колесе Однера любая цифра от 0 до 9. Поворот ручки от себя позволяет складывать и умножать, а к себе вычитать и делить.

Основание арифмометра очень тяжелое, для того чтобы машина была устойчивой. На основании установлена каретка с помощью, которой при умножении и делении можно устанавливать соответствующий разряд. На каретке и на корпусе размещены бегунки, для выполнения математических действий с десятичными дробями. На каретке имеются окошечки, в которых можно прочитать числа справа налево. При помощи барашков числа в окнах обнуляются. От точности механической обработки зависят размеры колеса Однера, а, следовательно, и размеры его арифмометра.

Электромеханический этап

В конце XIX века на смену механическим устройствам пришли более сложные устройства – электромеханические.

Машина Холлерит

В 1888 г Герман Холлерит разработал первую удобную машину, использующую электрические реле и клавишный перфоратор. Автоматизировал процедуры подачи и сортировки перфокарт. Исключительность заключалась в том, что в нем впервые была употреблена идея перфокарт, и расчеты велись с помощью электрического тока. Это сочетание делало машину настолько работоспособной, что она получила широкое применение в свое время. Например, при переписи населения в России в 1897г.

Релейные машины довольно долго находились в эксплуатации, несмотря на появление электронных. В частности машина РВМ-1 конструкции советского инженера И. Н. Бессонова работала вплоть до 1965г. , однако релейные машины не могли долго конкурировать с ЭВМ, т. к. росли требования к надежности и быстродействию.

Электронный этап

Идея создания электронных вычислительных машин возникла в конце 30-х начале 40-х гг. независимо друг от друга в четырех станах: СССР, США, Великобритании и Германии.

Калькуляторы

В начале 70-х годов привычный сегодня язык работы с микрокалькуляторами только зарождался. Первые модели микрокалькуляторов вообще могли иметь свой язык работы, и на калькуляторе приходилось учиться считать.

Первые советские настольные калькуляторы, которые появились в 1971 году, быстро завоевали популярность. ЭКВМ на основе БИС работали тихо, потребляли мало энергии, вычисляли быстро и безошибочно. Себестоимость микросхем быстро снижалась, и можно было думать о создании МК карманного размера, цена которого была бы доступна широкому потребителю.

В августе 1973 года электронная промышленность нашей страны поставила задачу за один год создать электронный карманный вычислитель на микропроцессорной БИС и с жидкокристаллическим индикатором. Над этой сложнейшей задачей работала группа из 27 человек. Через пять месяцев работы были готовы первые образцы МК, а через девять месяцев, за три месяца до установленного срока, электронный карманный вычислитель под названием <Электроника Б3-04> был сдан государственной комиссии. Уже в начале 1974 года электронный гном поступил в продажу. Это была большая трудовая победа, показавшая возможности нашей электронной промышленности.

Первое и второе поколения ЭВМ

Первое поколение (1945-1954) – компьютеры на электронных лампах, это эпоха становления вычислительной техники. Большинство машин первого поколения были экспериментальными устройствами и строились с целью проверки тех или иных теоретических положений. Вес и размеры этих компьютерных динозавров, нередко требовали для себя отдельных зданий.

Второе поколение (1955-1964) – вместо электронных ламп использовались транзисторы, а в качестве устройств памяти стали применяться магнитные сердечники и магнитные барабаны. Все это позволило резко уменьшить габариты и стоимость компьютеров.

Третье и четвертое поколения ЭВМ

Машины третьего поколения – это семейства машин с единой архитектурой, т. е. программно совместимых. В качестве элементной базы в них используются интегральные схемы, которые также называются микросхемами. Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы. Они обладают возможностями мультипрограммирования, т. е. одновременного выполнения нескольких программ.

Четвертое поколение – начиная с середины 70-х, все меньше становится принципиальных новаций в компьютерной науке. Прогресс идет в основном по пути развития того, что уже изобретено и придумано, прежде всего, за счет повышения мощности и миниатюризации элементной базы и самих компьютеров. С начала 80-х годов, благодаря появлению персональных компьютеров, вычислительная техника становится по-настоящему массовой и доступной.

Компьютеры будущего

Технология микропроцессоров уже приближается к фундаментальным ограничениям. Судя закону Мкра, к 2010-2020 годам размеры транзистора должны уменьшиться до четырех - пяти атомов. Вычислительная техника сольется не только со средствами связи и машиностроения, но и биологическими процессами, что откроет такие возможности, как создание искусственных имплантантов, интеллектуальных тканей, разумных машин, «живых» компьютеров.

Биокомпьютеры. Применение в вычислительной технике биологических материалов позволит со временем уменьшить компьютеры до размеров живой клетки. Пока эта чашка Петри, наполнена спиралями ДНК, или нейроны, взятые у пиявки и подсоединенные к электрическим проводам. По существу, наши собственные клетки – это не что иное, как биомашины молекулярного размера.

Оптические компьютеры. Оптоволокно стало предпочтительным материалом для широкополосной связи, веем традиционным кремниевым устройствам, чтобы передать информацию на расстояние несколько миль, приходится каждый раз преобразовывать электрические сигналы в световые и обратно. Эти операции можно упростить, если заменить электронные компоненты чисто оптическими, Первыми станут оптические повторители и усилители оптоволоконных линий связи, которые позволят сохранить сигнал в световой форме при передаче.

Квантовые компьютеры. Компьютер будет состоять из компонентов субатомного размера, и работать по принципам квантовой механики. Один квантовый бит может принимать несколько значений одновременно, то есть находиться сразу в состояниях « включено», «выключено» и в переходном состоянии. Теоретики утверждают, что такой компьютер, будет давать точные ответы, исключая возможность ошибки.

РАЗВИТИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ В РОССИИ

Счет на пальцах

Основным орудием счета у первобытных людей были пальцы. Не случайно в древнерусской нумерации единицы называются «перста», десятки – «составами», а все остальные числа «сочинениями». Кисть же рук – пясть – синоним и фактическая основа числительного «пять».

Вариант русских счетов

В России с древних времен был распространен «счет костьми», близкий европейскому счету на линиях. Вместо жетонов обычно применялись плодовые косточки (посетивший Россию в 1634-1636 гг. немецкий ученый Адам Олеарий отмечал, что писцы для этой цели имею при себе мешочки с косточками сливы). 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. К середине XVII в. относятся хранящиеся в Историческом музее в Москве, самые старые из дошедших до нас счетов. К началу XVIII в. русские счеты приобрели современный вид. Но были и попытки сделать счеты более мощным инструментом для вычислений (например соединить их с разными числовыми таблицами ) Почти 300 лет счеты имели в России широчайшее распространение. Смертельный удар нанесло им только появление дешевых карманных электронных калькуляторов.

Зарождение математического машиностроения

Петербургским инженером Вильгодтом. Однером был создан арифмометр в 1874г. , который распространился во всем мире, с его появлением зародилось математическое машиностроение. В основе изобретения лежало «колесо Однера», В России арифмометры В. Т. Однера были популярны на протяжении многих лет и выпускались до конца 1960-х годов под маркой «Оригинал Однер», «Союз», «Москва», «Феликс».

Зарождение теории механизмов как науки

Исследования великого русского математика Пафнутия Львовича. Чебышева проводились преимущественно в трех направлениях: теория чисел, теория вероятностей и теория механизмов. Им создано более 40 механизмов, среди которых автоматический арифмометр для умножения и деления чисел. Чебышев внес ряд новых идей и воплотил их во множительно-делительном устройстве. Главная и наиболее плодотворная из них состояла в автоматическом переводе каретки из разряда в разряд. Кареткой, т. е. подвижной частью арифмометра, служила сама приставка. Чебышев являлся сторонником взаимного обогащения теории и практики. Его изобретения вошли в широкую практику в 30-е годы 20 века.

Зарождение советских ЭВМ

История советской цифровой вычислительной техники начинается в 1948 году. В августе этого года появился проект автоматической цифровой вычислительной машины, по сути, первый в СССР проект ЭВМ с жестким программным управлением. Его авторами были уже маститый ученый И. С. Брук и его молодой коллега Б. И. Рамеев, в недалеком будущем создатель легендарных советских ЭВМ серии "Урал". Создан Институт точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ) АН СССР. Первый директор - Н. Г. Бруевич, с 1950 г. - директор М. А. Лаврентьев, а в 1954 г. - директором стал С. А. Лебедев. Проекту Брука-Рамеева по ряду причин не суждено было воплотиться в жизнь, но эта была первая ласточка, и до реально действующего лампового гиганта в нашей стране оставалось совсем немного. И наши достижения вызывают чувство гордости и огромного уважения к создателям первых советских ЭВМ.

Первое поколение ЭВМ (1948-1958)

Элементной базой машин этого поколения были электронные лампы – диоды и триоды. Машины предназначались для решения сравнительно несложных научно-технических задач. К этому поколению ЭВМ можно отнести: МЭСМ, БЭСМ-1, М-1, М-2, М-З, “Стрела”, “Минск-1”, “Урал-1”, “Урал-2”, “Урал-3”, M-20, "Сетунь", БЭСМ-2.

Второе поколение ЭВМ (1959-1967)

Элементной базой машин этого поколения были полупроводниковые приборы. Машины предназначались для решения различных трудоемких научно-технических задач, а также для управления технологическими процессами в производстве. К ЭВМ второго поколения относятся: ЭВМ М-40, -50 для систем противоракетной обороны; Урал -11, -14, -16 - ЭВМ общего назначения, ориентированные на решение инженерно-технических и планово-экономических задачи многие другие.

Третье поколение ЭВМ (1968-1973)

Элементная база ЭВМ - малые интегральные схемы (МИС). Машины предназначались для широкого использования в различных областях науки и техники (проведение расчетов, управление производством, подвижными объектами и др. ). Благодаря интегральным схемам удалось существенно улучшить технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ. В то же время в СССР создаются многопроцессорные и квазианалоговые ЭВМ, выпускаются мини-ЭВМ "Мир-31", "Мир-32", "Наири-34". Для управления технологическими процессами создаются ЭВМ серии АСВТ М-6000 и М-7000 . Характерной чертой данного периода явилось резкое снижение цен на аппаратное обеспечение.

Четвертое поколение ЭВМ (1974-1982)

Элементная база ЭВМ - большие интегральные схемы (БИС). Машины предназначались для резкого повышения производительности труда в науке, производстве, управлении, здравоохранении, обслуживании и быту. К этому поколению можно отнести ЭВМ ЕС: ЕС-1015, -1025, -1035, -1045, -1055, -1065, Ряд 2, СМ-1420, -1600, -1700, все персональные ЭВМ (“Электроника МС 0501”, “Электроника-85”, “Искра-226”, ЕС-1840, -1841, -1842 и др. ).

ШКОЛЬНЫЙ МУЗЕЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Результатом работы стало создание школьного музея вычислительной техники. В настоящее время в музее пять экспонатов: самодельные палочки Непера, счеты, логарифмическая линейка, арифмометр «Феликс» и калькуляторы, один из них 1976 года выпуска .

В музее проходят занятия элективного курса. На этих занятиях мы не только знакомимся с развитием вычислительной техники и учеными, которые ее создали, но и учимся считать с помощью палочек Непера и счет, логарифмической линейки и арифмометра.

Проверить свои знания можно, ответив на вопросы викторины, которая составлена специально для музея

Учимся умножать на палочкахЗакрепляем навыки сложения,

Непера и на счетах. вычитания, умножения и деления на арифмометре.

Знакомимся с логарифмическойПервый российский «карманный» линейкой. калькулятор – это интересно.

Закончилось путешествие в мир вычислительной техники. Я проследил историю и современное состояние компьютерной техники. Узнал, как зародилась вычислительная техника, какие претерпела изменения. Сколько трудностей встречалось на пути, и как ученые применяли свои изобретения на практике.

Сегодня персональный компьютер плотно вошел в нашу жизнь. Еще несколько лет назад было редкостью увидеть какой-нибудь персональный компьютер – они были, но были очень дорогими. Теперь же в каждом третьем доме есть компьютер, который уже глубоко вошел в жизнь человека. Современные вычислительные машины представляют одно из самых значительных достижений человеческой мысли, влияние, которого на развитие научно - технического прогресса трудно переоценить.

Область применения ЭВМ огромна и непрерывно расширяется. Уже сейчас вычислительная техника достигла просто потрясающих высот. В скором будущем компьютер будет иметь размер почтовой марки и, соответственно цену, не превышающую цену почтовой марки. Наступление эпохи таких компьютеров уже не за горами и об этом говорит тот факт, что американским ученым удалось на доли секунды остановить фотонный пучок (луч света).

Результатом моей работы стал школьный музей вычислительной техники. Пока в него входит только пять экспонатов: самодельные палочки Непера, счеты, логарифмическая линейка, арифмометр «Феликс» и калькуляторы. Но, благодаря, этим экспонатам я научился сам и обучил своих друзей счету на этих удивительных счетных приборах. Вместе с руководителем была составлена викторина для музея, с помощью которой можно проверить свои знания или проводить конкурсы по истории развития вычислительной техники.

Прав был Готфрид Лейбниц когда сказал: «Кто хочет ограничиться настоящим без знаний прошлого, тот никогда его не поймет». Я в этом убедился и поэтому планирую продолжить работу по созданию музея вычислительной техники, а также овладению навыками счета на «компьютерах» наших предков.