История возникновения вычислительной техники. Структура и принципы функционирования ЭВМ.
Простейшие вычислительные средства
Потребность в автоматизации обработки данных возникла достаточно давно. Тысячи лет назад для счета использовались палочки, камешки и т.д. Но с зарождением рыночных отношений человечеству потребовались средства, позволяющие упрощать взаиморасчеты. Простейшим вычислительным средством стал абак.
Абак - доска, разделенная на полосы, где передвигались камешки, кости (как в русских счетах), служившая для арифметических вычислений с древнейших времен до 18 века.
Абак служил не столько для облегчения собственно вычислений, сколько для запоминания промежуточных результатов. Известны разновидности абака: собственно абак (греческий или египетский) в виде дощечки, на которой проводили линии или выдалбливали желобки, в которые колонки клали камешки; китайский суан-пан и японский соробан с шариками, нанизанными на прутики. Русский абак — счеты — появились приблизительно в 16 или 17 веке. Они использовали десятичную, а не пятеричную систему счисления, как остальные абаки. Основная заслуга изобретателей абака — создание позиционной системы представления чисел. Вплоть до 17 века счеты оставались единственным универсальным инструментом.
Вычислительные устройства механического типа
Семнадцатый век был ознаменован развитием творческой мысли, которая касалась идеи создания новых счетных устройств. Именно в это время начинается механизация вычислительных операций.
В 1617, незадолго до своей смерти, Джон Непер (1550 - 1617) изобрел математический набор для облегчения арифметических вычислений. Набор состоял из брусков с нанесенными на них цифрами от 0 до 9 и кратными им числами. Для умножения какого-либо числа бруски располагали рядом так, чтобы цифры на торцах составляли это число. Ответ можно было увидеть на боковых сторонах брусков. Помимо умножения, палочки Непера позволяли выполнять деление и извлечение квадратного корня. Однако самый заметный след деятельности Джона Непера в науке оставило изобретение логарифма.
На первом этапе создания вычислительных устройств механического типа использовались механизмы, аналогичные часовым.
Первое в мире механическое устройство для выполнения операций сложения было создано в 1623 г. Его разработал Вильгельм Шикард, профессор кафедры восточных языков.
В 1642 г. Блез Паскаль (1623 – 1662) сконструировал суммирующую машину «Паскалину», которая представляла собой ящик с многочисленными шестеренками. Числа вводились путем поворота наборных колесиков.
В 1673 г. Г. В. Лейбниц создал механический калькулятор, который мог выполнять операции умножения и деления путем многократного сложения и вычитания.
Идея автоматизации вычислительных операций нашла свое воплощение в 18 веке.
Автоматические вычислительные устройства
В 1804 г. Жозеф Мари Жаккар построил полностью автоматический ткацкий станок, способный производить сложные узоры. Работа станка программировалась с помощью колоды перфокарт, каждая из которых управляла одним ходом челнока. Это изобретение вызвало революцию в промышленности, а принцип работы данного устройства был в дальнейшем использован для автоматизации вычислительных операций.
Чарльз Бэббидж (26.12.1791 – 18.10.1871), английский математик и изобретатель в 1822 описал машину, способную рассчитывать и печатать большие математические таблицы, и сконструировал машину, состоявшую из валиков и шестеренок, вращаемых с помощью рычага. Машина могла производить некоторые математические вычисления с точностью до восьмого знака после запятой. Это был прообраз его разностной машины, к постройке которой он приступил в 1823 году, получив правительственную субсидию для продолжения работ. Разностная машина должна была производить вычисления с точностью до 20 знака после запятой. Постройка машины отняла у Бэббиджа 10 лет, ее конструкция становилась все более сложной, громоздкой и дорогой. Она так и не была закончена, финансирование проекта было прекращено.
Тем временем Бэббиджем овладела идея создания нового прибора — «Аналитической машины». Главное отличие машины заключалось в том, что в ней был впервые реализован принцип разделения информации на команды и данные. Аналитическая машина содержала в себе два крупных узла: «склад» и «мельницу». Данные вводились в механическую память «склада» путем установки блоков шестерен, а потом обрабатывались в «мельнице» с использованием команд, которые вводились с перфокарт. Однако и эта машина не была закончена, поскольку низкий уровень технологий того времени стал главным препятствием на пути ее создания. Через 19 лет после смерти Ч. Бэббиджа идея использования перфокарт нашла свое воплощение.
В 1888 Холлерит сконструировал электромеханическую машину, которая могла считывать и сортировать статистические записи, закодированные на перфокартах. Эта машина, названная табулятором, состояла из реле, счетчиков, сортировочного ящика. В 1890 г. она была использована при переписи населения. Это изобретение имело успех не только в США, но и в Европе, где стало широко применяться для статистических исследований. Несколько таких машин закупила Россия. Холлерит был удостоен нескольких премий и получил звание профессора Колумбийского университета. В 1896 он организовал в Нью-Йорке компанию по производству машин для табуляции, которая впоследствии (в 1924 году), претерпев ряд изменений, выросла в International Business Machines Corporation — IBM. К этому времени генеральным менеджером компании стал Томас Уотсон, с именем которого связаны основные достижения компании в 1920 – 1940 г.г.
