4. История развития вычислительной техники
Развитие механики в XVII в. стало предпосылкой создания вычислительных устройств и приборов, использующих механический принцип вычислений. Такие устройства строились на механических элементах и обеспечивали автоматический перенос старшего разряда.
Первая механическая машина была описана в 1623 г. В. Шиккардом, реализована в единственном экземпляре и предназначалась для выполнения четырех арифметических операций над 6-разрядны- ми числами.
Машина Шиккарда состояла из трех независимых устройств: суммирующего, множительного и записи чисел. Сложение производилось последовательным вводом слагаемых посредством наборных
дисков, а вычитание последовательным вводом уменьшаемого и вычитаемого. Вводимые числа и результат сложения/вычитания отображались в окошках считывания. Для выполнения операции умножения использовалась идея умножения решеткой. Третья часть машины применялась для записи числа длиною не более шести разрядов. Принципиальная схема машины Шиккарда стала классической: она (или ее модификации) использовалась в большинстве последующих механических счетных машин вплоть до замены механических деталей электромагнитными. Однако из-за недостаточной известности машина Шиккарда и принципы ее работы не оказали существенного влияния на дальнейшее развитие вычислительной техники, но она по праву открывает эру механической вычислительной техники (ВТ).
Вмашине Б. Паскаля использовалась более сложная схема переноса старших разрядов. Построенная в 1642 г. первая действующая модель машины, а затем серия из 50 машин способствовали достаточно широкой известности изобретения и формированию общественного мнения о возможности автоматизации умственного труда. До нашего времени дошло только восемь машин Паскаля, из которых одна является 10-разрядной. Именно машина Паскаля положила начало механическому этапу развития ВТ.
ВXVII–XVIII вв. предлагался целый ряд суммирующих устройств и арифмометров различного типа и конструкции, пока в XIX в. растущий объем вычислительных работ не определил устойчивый спрос на механические счетные устройства и не способствовал их серийному производству на коммерческой основе.
21
Первый арифмометр, позволяющий производить все четыре арифметические операции, был создан Г. Лейбницем в результате многолетнего труда. Арифмометр Лейбница позволяет использовать 8-разрядное множимое и 9-разрядный множитель с получением 16-разрядного произведения. По сравнению с машиной Паскаля это было принципиально новое вычислительное устройство, существенно ускоряющее выполнение операций умножения и деления. Однако арифмометр Лейбница не получил распространения по двум основным причинам: из-за отсутствия на него устойчивого спроса и конструкционной неточности, сказывающейся при перемножении предельных для него чисел.
В XVII–XVIII вв. были предложены целый ряд вычислительных инструментов по образцу устройств Паскаля и Лейбница (с той или иной степенью модернизации), на основе палочек Непера либо оригинальные разработки. Эти конструкции являлись отдельными множительными устройствами или комбинациями суммирующей и множительной частей.
Начало XIX в. характеризуется развитием вычислительных средств в трех основных направлениях: суммирующие, множительные устройства, а также арифмометры; при этом преобладающим становится развитие арифмометров.
В 1881 г. Л. Томас организовывает в Париже серийное производство арифмометров. Конструкция его арифмометра была основана на использовании ступенчатого валика Лейбница и явилась дальнейшим развитием арифмометра Лейбница, отличаясь рядом полезных конструкторских решений: удобной формой ввода числа, наличием противоинерционного устройства, механизма гашения числа и др. Такой арифмометр получил название томас-машины, и его серийность была невелика – за весь XIX в. было выпущено около 2000 томасмашин. Однако важным достоинством была их долговечность: арифмометр использовался даже при расчетах, связанных с подготовкой плана ГОЭЛРО в 1920 г.
Важной вехой в развитии арифмометров следует считать создание в 1888 г. машины Болле, которая операцию умножения выполняла втрое быстрее существующих на то время арифмометров (именно поэтому машину называли множительной).
Увеличение во второй половине XIX в. вычислительных работ в целом ряде областей человеческой деятельности выявило настоятельную потребность в ВТ и предъявило повышенные требования к ней. Существующие на тот момент вычислительные устройства различно-
22
го типа решить эту задачу не могли. И только создание в 1874 г. В. Однером (Россия) своей модели арифмометра, в основе которой лежало специальной конструкции зубчатое колесо Однера, можно считать началом математического машиностроения. На всем протяжении своего существования арифмометр Однера совершенствовался и выпускался в нескольких вариантах, получив целый ряд высоких наград. Рост производства арифмометров Однера продолжался как в
СССР, так и за рубежом; с 1931 г. он получает название «Феликс», под которым хорошо известен и сейчас отечественным вычислителям.
Первоначально появление ЭВМ не очень существенно повлияло на выпуск и применение арифмометров прежде всего из-за их различных назначений, распространенности и стоимости. Однако уже с 60-х гг. в массовое использование все активнее проникают ЭКВМ (электронные клавишные вычислительные машины).
Особое место среди разработок механического этапа развития ВТ занимают исследования Ч. Бэбиджа, который с полным основанием считается родоначальником и идеологом современной ВТ. В работах Бэбиджа явно просматриваются два основных направления: разработка разностных и аналитических вычислительных машин.
Проект разностной машины был разработан в 20-х гг. XIX в. и предназначался для табулирования полиномиальных функций методом конечных разностей. Основным стимулом в данной работе была настоятельная потребность в табулировании функций и проверке существующих математических таблиц, содержащих ошибки. Однако данный проект не был завершен, но последователями Бэббиджа были созданы работающие разностные машины, которые нашли широкое применение в науке и технике.
Второй проект Бэбиджа – аналитическая машина, использующая принцип программного управления и явившаяся предшественницей современных ЭВМ. Данный проект был предложен в 30-е гг. XIX в. В 1843 г. Адой Лавлейс для машины Бэбиджа была написана первая в мире достаточно сложная программа вычисления чисел Бернулли. Оба эти достижения можно считать выдающимися, так как они опередили свою эпоху более чем на столетие. Проект аналитической машины не был реализован, но получил весьма широкую известность и заслужил высокую оценку целого ряда ученых, в первую очередь математиков. Ч. Бэбидж разработал множество чертежей самой машины, изготовил ряд ее блоков; его сын Генри пытался реализовать проект, но полностью он остался лишь на уровне эскиза. Идея аналитической машины возникла у Бэбиджа в процессе работы над разностной
23
машиной. Аналитическая машина предназначалась для вычисления любого алгоритма (в нашей терминологии) и была задумана чисто механической.
В начале 1836 г. Бэбидж уже четко представлял себе основную конструкцию машины, а в 1837 г. в статье «О математической производительности счетной машины» он достаточно подробно описал свой проект.
Аналитическая машина состояла из следующих четырех основных частей: блок хранения исходных, промежуточных данных и результатов вычислений (он состоял из набора зубчатых колес, идентифицирующих цифры подобно арифмометру); блок обработки чисел из склада, названный мельницей (в современной терминологии – это арифметическое устройство; организация блока была аналогична первому блоку); блок управления последовательностью вычислений (в современной терминологии – это устройство управления УУ); блок ввода исходных данных и печати результатов (в современной терминологии – это устройство ввода/вывода).
Ч. Бэбидж в своей машине использовал механизм, аналогичный механизму ткацкого станка Жаккарда, использующему специальные управляющие перфокарты. По идее Бэбиджа управление должно осуществляться парой жаккардовских механизмов с набором перфокарт в каждом.
Бэбидж имел прогрессивные представления о вычислительных машинах, однако имевшиеся в его распоряжении технические средства не позволяли реализовать все его замыслы.
Основная заслуга А. Лавлейс состоит не только в создании первой программы для машины Бэбиджа, но и в полном и доступном описании этой машины, а также анализе ее возможностей для решения различных вычислительных задач. Наряду с этим Лавлейс проводила широкую популяризацию идей Ч. Бэбиджа, сама проектировала некоторые узлы машины и исследовала вопросы применения двоичной системы исчисления, а также высказала ряд идей, получивших широкое применение только в наше время.
Электромеханический этап развития ВТ наименее продолжительный и охватывает всего около 60 лет – от первого табулятора Г. Холлерита (1887 г.) до первой ЭВМ ЕМ АС (1945 г.). Предпосылками создания проектов данного этапа явились как необходимость проведения массовых расчетов (экономика, статистика, управление, планирование и др.), так и развитие прикладной электротехники
24
(электропривод и электромеханические реле), позволившие создавать электромеханические вычислительные устройства.
Классическим типом средств электромеханического этапа был счетно-аналитический комплекс, предназначенный для обработки информации на перфокарточных носителях.
Первый счетно-аналитический комплекс был создан в США Г. Холлеритом в 1887 г. и состоял из ручного перфоратора, сортировочной машины и табулятора. Используя идеи Жаккарда и Бэбиджа (или открыв их заново), Г. Холлерит в качестве информационного носителя использовал перфокарты (хотя им рассматривался и перфоленточный вариант); все остальные компоненты комплекса носили оригинальный характер. Основным назначением комплекса являлась статистическая обработка перфокарт. В первых моделях комплекса использовалась их ручная сортировка (в 1890 г. замененная электрической), а табулятор был создан на основе простейших электромеханических реле. Первое испытание комплекса было произведено в 1887 г.
вБалтиморе (США) при составлении таблиц смертности населения, основные же испытания уже модифицированного комплекса осуществлялись в 1889 г. на примере обработки итогов переписи населения
вчетырех районах Сент-Луиса (США). Основные испытания прошли весьма успешно, и табулятор Холлерита очень быстро получил международное признание, использовался для переписи населения в России (1897 г.), США и Австро-Венгрии (1890), а также Канаде (1891 г.). В 1897 г. Холлерит организовал фирму, которая в дальнейшем стала называться IBM.
Значение работ Г. Холлерита для развития ВТ определяется двумя основными факторами. Во-первых, он стал основоположником нового направления в ВТ – счетно-перфорационного (счетно-аналити- ческого), состоящего в применении табуляторов и сопутствующего им оборудования для выполнения широкого круга экономических и научно-технических расчетов. На основе данной ВТ создаются ма- шинно-счетные станции для механизированной обработки информации, послужившие прообразом современных вычислительных центров (ВЦ). В 20–30-е гг. ХХ в. применение счетно-перфорационной техники становится ведущим фактором развития ВТ; только появление ЭВМ ограничило ее применение.
Во-вторых, даже после прекращения использования табуляторов основным носителем информации (ввод/вывод) для ЭВМ остается перфокарта, а в качестве периферийных применяются перфокарточные устройства, предложенные Холлеритом. И только в начале 1990 г.
25