КОМПЬЮТЕРЫ

Компьютер это машина, которая работает с информацией. Говоря научно, компьютер это информационный процессор. Компьютеру задаётся информация, называемая данными, и набор инструкций, называемый программой. Программа указывает компьютеру, что он должен делать с информацией. Современный компьютер представляет собой, в сущности, набор переключателей. Они используются как для представления информации в виде двоичных чисел (битов), так и для управления процессами её обработки. Двоичные данные по своей сути характеризуются двумя состояниями – «включено» и «выключено», поэтому главным требованием к устройствам их обработки является качество переключателей. В компьютерах используется очень простой код, состоящий только из двух сигналов: есть импульс (включено) или нет импульса (выключено). Такой код называется двоичным. Чтобы было проще записывать, состояние "есть импульс” обозначают цифрой 1, а состояние "нет импульса” цифрой 0. Так как в двоичной системе только две цифры, то и система строится на двойках. Каждая цифра двоичного числа имеет значение в два раза большее, чем цифра, стоящая справа от неё. Возьмём число 1101 и определим его значение, читая справа налево: 1 раз по 1 = 1 0 раз по 2 = 0 1 раз по 4 = 4 1 раз по 8 = 8 Сумма = 13 Таким образом, 1101 является двоичным представлением числа 13 в десятичной системе. В десятичной системе существует десять цифр и система строится на десятках. Каждая цифра десятичного числа имеет значение в десять раз большее, чем цифра, стоящая справа от неё. Существует простой способ переводить двоичные числа в десятичные: Держите правую руку ладонью к себе. Теперь возьмите карандаш и нарисуйте цифру 1 на указательном пальце, цифру 2 на среднем, цифру 4 на безымянном и цифру 8 на мизинце. Пользоваться вашим «пальцевым компьютером» просто: нужно выпрямить соответствующие пальцы для двоичных единиц и загнуть для двоичных нулей. После этого надо сложить те цифры, которые написаны на выпрямленных пальцах. Полученная сумма и есть искомое десятичное число. Двоичные цифры 1 и 0 называются битами. Для того чтобы записать все буквы алфавита, все цифры и знаки, компьютеру мало четырёх комбинаций 10,01,11 и 00, которые можно получить, если использовать только два бита. Поэтому обычно каждая буква или цифра представляется группой, состоящей из восьми битов. Такая группа называется байтом. Всю работу в компьютерах выполняют электрические импульсы под управлением элементов, называемых электронными компонентами. Компонентами первых компьютеров были электронные лампы, и хотя, это порождало массу сложностей. Лампа как электронный переключатель малоэффективна. Она потребляет значительную мощность и выделяет огромное количество тепла, отвод которого был одной из основных технических проблем в первых компьютерах. Кроме того, лампы весьма ненадёжны: в больших системах одна из них выходила из строя раз в два часа, а то и чаще. Изобретение инженерами Джоном Барденом, Уолтером Бреттеном и Уильямом Шокли в 1948 г. транзистора стало важнейшим событием, которое привело к компьютерной революции. Транзисторный ключ заменил громоздкую и неудобную электронную лампу. Поскольку потребляемая транзисторами мощность незначительна, построенные на их основе компьютеры имели гораздо меньшие размеры, чем ламповые, стали более быстродействующими и эффективными. Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно. Многие тысячи лет назад для счёта использовались счётные палочки, камешки и т.д. В раскопках, датируемых 30 тыс. лет до н.э. обнаружена «вестоницкая кость» (рис. 33) с зарубками. Это позволяет историкам предположить, что уже тогда наши предки были знакомы с зачатками счета.

Рис. 33. Вестоницкая кость

Историю цифровых устройств начать следует со счетов (VI-V в. до н.э). Подобный инструмент был известен у всех народов. Древнегреческий абак (доска или "саламинская доска" по имени о. Саламин в Эгейском море). Одна бороздка соответствовала единицам, другая десяткам и т.д. Если в какойто бороздке при счете набиралось более 10 камешков, их снимали и добавляли один камешек в следующем разряде. У китайцев в основе счета лежала не десятка, а пятерка, рамка китайских счетов суан-пан (рис. 34) имеет более сложную форму. Она разделена на две части: в нижней части на каждом ряду располагаются по 5 косточек, в верхней части подве. Таким образом, для того чтобы выставить на этих счетах число 6, ставили сначала косточку, соответствующую пятерке, и затем прибавляли одну в разряд единиц. У японцев это же устройство для счета носило название серобян. На Руси долгое время считали по косточкам, раскладываемым в кучки. Примерно с XV века получил распространение «дощатый счет», завезенный, видимо, западными купцами вместе с ворванью и текстилем. "Дощатый счет" почти не отличался от обычных счетов и представлял собой рамку с укрепленными горизонтальными веревочками, на которые были нанизаны просверленные сливовые или вишневые косточки.

Рис. 34. Китайский суан-пан

В IX в. до нашей эры индийские ученые сделали одно из важнейших в математике открытий. Они изобрели позиционную систему счисления, которой теперь пользуется весь мир. При записи числа, в котором отсутствует какой-либо разряд (например, 101 или 1204), индийцы вместо названия цифры говорили слово пусто. При записи на месте «пустого» разряда ставили точку, а позднее рисовали кружок. Такой кружок назывался «сунья» на языке хинди это означало «пустое место». Арабские математики перевели это слово по смыслу на свой язык они говорили «сифр». Современное слово «нуль» родилось сравнительно недавно позднее, чем «цифра». Оно происходит от латинского слова «nihil” – «никакая». Приблизительно в 0 г. до н.э. арабский ученый математик Мухаммед ал-Хорезм написал книгу об общих правилах решения арифметических задач при помощи уравнений. Она называлась «Китаб-ал-Джебр». Эта книга дала имя науке алгебре. Очень большую роль сыграла еще одна книга алХорезми, в которой он подробно описал индийскую арифметику. Ему мы обязаны появлению термина «алгоритм». В конце XVначале XVI в. Леонардо-да-Винчи (14521519) создал эскиз 13-разрядного суммирующего устройства с десятизубными кольцами. По его чертежам в наши дни американская фирма по производству компьютеров в целях рекламы построила работоспособную машину. 1614 год. Шотландский математик Джон Непер (15501617) изобрел таблицы логарифмов. Принцип их заключается в том, что каждому числу соответствует специальное числологарифм это показатель степени, в которую можно возвести число (основание логарифма), чтобы получить заданное число. Таким способом можно выразить любое число. Логарифмы очень упрощают деление и умножение. Для умножения двух чисел достаточно сложить их логарифмы. Благодаря данному свойству сложная операция умножения сводится к простой операции сложения. Для упрощения были составлены таблицы логарифмов, которые позже были как бы встроены в устройство, позволяющее значительно ускорить процесс вычисления логарифмическую линейку. Непер предложил в 1617 г. другой (не логарифмический) способ перемножения чисел. Инструмент, получивший название палочки Неппера, состоял из разделенных на сегменты стерженьков, которые можно было располагать таким образом, что при сложении чисел в прилегающих друг к другу по горизонтали сегментах получался результат умножения двух чисел. 1642 год. Французский математик Блэз Паскаль (16231662) сконструировал счетное устройство, позволяющее суммировать десятичные числа. Внешне оно представляло собой ящик с многочисленными шестеренками. Основой суммирующей машины стал счетчик-регистратор, или счетная шестерня. Она имела десять выступов, на каждом из которых были нанесены цифры. Для передачи десятков на шестерне располагался один удлиненный зуб, зацеплявшийся и поворачивающий промежуточную шестерню, которая передавала вращение шестерне десятков. Дополнительная шестерня была необходима для того, чтобы обе счетные шестерни единиц и десятков вращались в одном направлении. Счетная шестерня при помощи храпового механизма (передающего прямое движение и не передающего обратного) соединялись рычагом. Отклонение рычага на тот или иной угол позволяло вводить в счетчик однозначные числа и суммировать их. В машине Паскаля храповой привод был присоединен ко всем счетным шестерням, что позволяло суммировать и многозначные числа. В 1654 г. англичане Роберт Биссакар, а в 1657 г. независимо от него С. Патридж разработали прямоугольную логарифмическую линейку (рис. 35), конструкция которой в основном сохранилась до наших дней.

Рис. 35. Логарифмическая линейка

1673 год. Немецкий философ, математик, физик Готфрид Вильгейм Лейбниц (1646-1716) создал «ступенчатый вычислитель» счетную машину, позволяющую складывать, вычитать, умножать, делить, извлекать квадратные корни, при этом использовалась двоичная система счисления. Это был более совершенный прибор, в котором использовалась движущая часть (прообраз каретки) и ручка, с помощью которой оператор вращал колесо. Изделие Лейбница постигла печальная участь предшественников: если им кто-то и пользовался, то только домашние Лейбница и друзья его семьи, поскольку время массового спроса на подобные механизмы еще не пришло. Машина являлась прототипом арифмометра, использующегося с 1820 г. до 60-х гг. ХХ в. 1703 год. Г. В. Лейбниц написал трактат об использовании двоичной системы счисления в вычислительных машинах. Первые его работы по арифметике относятся к 1679 г. 1723 год. Член Лондонского королевского общества немецкий математик, физик, астроном Христиан Людвиг Герстен изобрел арифметическую машину, а двумя годами позже ее изготовил. Машина Герстена замечательна тем, что в ней впервые применено устройство для подсчета частного и числа последовательных операций сложения, необходимых при умножении чисел, а также предусмотрена возможность контроля за правильностью ввода второго слагаемого. 1727 год. Джакоб Леопольд создал счетную машину, в которой использовался принцип машины Лейбница. 1804 год. Французский изобретатель Жозеф Мари Жаккар (1752-1834) придумал способ автоматического контроля за нитью при работе на ткацком станке. Способ заключался в использовании специальных карточек с просверленными в нужных местах ( в зависимости от узора, который предполагалось нанести на ткань) отверстиями. Таким образом, он сконструировал ткацкий станок, работу которого можно было программировать с помощью специальных карт. Работа станка программировалась при помощи целой колоды перфокарт, каждая из которых управляла одним ходом челнока. Переходя к новому рисунку, оператор просто заменял одну колоду перфокарт другой. Создание ткацкого станка, управляемого картами с пробитыми на них отверстиями и соединенными друг с другом в виде ленты, относится к одному из ключевых открытий, обусловивших дальнейшее развитие вычислительной техники. 1820 год. Чарльз Ксавьер Томас (17-1870) создал первый механический калькулятор, который мог не только складывать и умножать, но и вычитать и делить. Бурное развитие механических калькуляторов привело к тому, что к 1890 г. добавился ряд полезных функций: запоминание промежуточных результатов с использованием их в последующих операциях, печать результатов и т.п. Создание недорогих надежных машин позволило использовать эти машины для коммерческих целей и научных расчетов. 1822 год. Английский математик Чарльз Бэббидж (17921871) выдвинул идею создания программно-управляемой счетной машины, имеющей арифметическое устройство, устройство управления, ввода и печати. В том же году он построил пробную модель своей Разностной машины, состоящую из шестеренок и валиков, вращаемых вручную при помощи специального рычага. Одновременно с английским ученым работала леди Ада Лавлейс (1815-12). Она разработала первые программы для машины, создала основы машинного программирования и ввела ряд понятий и терминов, сохранившихся до настоящего времени. Аналитическую машину в то время так и не построили. Ни её, ни другие, более простые механические счётные машины, разработанные Бэббиджем. Эти машины не были изготовлены не только из-за недостатка денег, но и из-за того, что в то время было невозможно построить их с достаточной точностью. Аналитическую машину Бэббиджа (рис. 36) построили энтузиасты из Лондонского музея науки в июне 1991 г., чтобы отметить этим 200-летие со дня рождения Бэббиджа, а заодно и проверить его идеи. Она состоит из четырех тысяч железных, бронзовых и стальных деталей, весит три тонны и имеет длину 3,3 м, а высоту 2,1 м. Правда, пользоваться ею очень тяжело при каждом вычислении приходится несколько сотен (а то и тысяч) раз крутить ручку автомата. Машина работала точно так, как ожидал Бэббидж, и это подтвердило, что его идеи были правильными.

Рис. 36. Вычислительная машина Бэббиджа

Числа записываются (набираются) на дисках, расположенных по вертикали и установленных в положения от 0 до 9. Двигатель приводится в действие посредством считывания информации с перфокарт, содержащих инструкции (программу). 13 год. Американский художник Сэмюэл Морзе (17911872) изобрел новый телеграфный код, заменивший код Кука и Уитстона. Он разработал для каждой буквы знаки из точек и тире. Морзе устроил демонстрацию своего кода, проложив телеграфный провод длиной 6 км от Балтимора до Вашингтона и передавая по нему новости о президентских выборах. Позднее (в 18 г.) Чарлз Уитстон создал систему, в которой оператор с помощью кода Морзе набивал сообщения на длинной бумажной ленте, поступавшей в телеграфный аппарат. На другом конце провода самописец набивал принятое сообщение на другую бумажную ленту. Производительность телеграфистов повышалась в десять раз теперь сообщения пересылались со скоростью сто слов в минуту. 17 год. английский математик Джордж Буль (18151864) опубликовал работу "Математический анализ логики". Так появился новый раздел математики. Его назвали Булева алгебра. Каждая величина в ней может принимать только одно из двух значений: истина или ложь, 1 или 0. Эта алгебра очень пригодилась создателям современных компьютеров. Ведь компьютер понимает только два символа: 0 и 1. Его считают основоположником современной математической логики. 15 год. Братья Джорж и Эдвард Шутц из Стокгольма построили первый механический компьютер, используя работы Ч.Бэббиджа. 1867 год. Американский издатель и политик Кристофер Шоулз (1819-1890) вместе со своим другом Карлом Глидденом изобрели счетную машинку, которую затем преобразовали в пишущую. Шоулз создал около 30 машинок и разработал клавиатуру, аналогичную современной (с раскладкой QWERTY, рис. 37). Кстати, клавишу Shift добавили только в 1878 г., до того заглавные буквы располагались на клавиатуре отдельно.

Рис. 37. Клавиатура с раскладкой "QWERTY"

Русский математик и механик Пафнутий Львович Чебышев создал суммирующий аппарат с непрерывной передачей десятков, а в 1881 году приставку к нему для умножения и деления. 1880 год. Вильгод Однер, швед по национальности, жил в России и работал мастером экспедиции, выпускающей государственные денежные и ценные бумаги. Над арифмометром он начал работать в 1874 г., а в 1890 г. наладил их массовый выпуск. Их модификация «Феликс» (рис. 38) выпускалась до 50-х гг. Главная особенность детища Однера заключается в применении зубчатых колес с переменным числом зубцов (это колесо носит имя Однера) вместо ступенчатых валиков Лейбница. Оно проще валика конструктивно и имеет меньшие размеры. Умер Однер в 1906 г. Его предприятие по производству арифмометров перешло его наследникам и просуществовало до 1917 г. В первой четверти 20-го века счетные аппараты Однера под разными названиями выпускались во всем мире. Стоит отметить, что в 1914 году только «российский парк» подобных аппаратов составлял 22 тысячи единиц. 18 год. Американский инженер Герман Холлерит (1860-1929) взял патент «на машину для переписи населения». Изобретение включало перфокарту и сортировальную машину. Перфокарта Холлерита оказалась настолько удачной, что без малейших изменений просуществовала до наших дней.

Рис. 38. Арифмометр Однера ("Феликс")

Идея наносить данные на перфокарты и затем считывать и обрабатывать их автоматически принадлежала Джону Биллингсу, а ее техническое решение принадлежит Герману Холлериту. Табулятор принимал карточки размером с долларовую бумажку. На карточках имелось 240 позиций (12 рядов по 20 позиций). При считывании информации с перфокарт 240 игл пронизывали эти карты. Там, где игла попадала в отверстие, она замыкала электрический контакт, в результате чего увеличивалось на единицу значение в соответствующем счетчике. Для изготовления перфокарт использовали специально сконструированный перфоратор. Разработанная Холлеритом перфокарта не претерпела существенных изменений и в качестве носителя информации использовалась в первых трех поколениях компьютеров. 1904 год. Известный русский математик, кораблестроитель, академик А.Н. Крылов предложил конструкцию машины для интегрирования обычных дифференциальных уравнений, которая была построена в 1912 г. Английский физик Джон Амброз Флеминг (19-1945) создал диод. Диоды используются для преобразования радиоволн в электросигналы, которые могут передаваться на большие расстояния. Через два года усилиями американского изобретателя Ли Ди Фореста появляются триоды. 1907 год. Американский инженер Дж. Пауэр сконструировал автоматический карточный перфоратор. Петербургский ученый Борис Розинг подал заявку на патент электроннолучевой трубки как приемника данных. Ассистентом у Розинга в то время работал будущий «отец» телевидения Владимир Зворыкин. 1918 год. Русский ученый М.А. Бонч-Бруевич и английские ученые В. Икклз и Ф. Джордан независимо друг от друга создали электронное реле, названное англичанами триггером, которое сыграло большую роль в развитии компьютерной техники. 1930 год. Вэннивер Буш (1890-1974) конструирует дифференциальный анализатор. По сути, это первая успешная попытка создать компьютер, способный выполнять громоздкие научные вычисления. 1937 год. Американский физик болгарского происхождения Дж. А. Атанасов формирует принципы автоматической цифровой вычислительной машины на ламповых схемах для решения систем линейных уравнений. В 1939 г. он создал работающую настольную модель ЭВМ. 1938 год. В телефонной компании Bell Laboratories создали первый двоичный сумматор (электрическая схема, выполнявшая операцию двоичного сложения) один из основных компонентов любого компьютера (рис. 39). Автором идеи был Джон Стибиц. К 1940 г. родилась машина, умевшая выполнять над комплексными числами четыре действия.

Рис. 39. Двоичный сумматор

Рис. 40. Электронный цифровой интегратор и калькулятор

1942 год. Построена первая полностью электронная вычислительная машина (ENIAK – electronic numerical integrator and calculator). Это сокращение составлено из английских слов, означающих: «электронный цифровой интегратор и калькулятор». Первая машина (рис. 40) была больше похожа на калькулятор, чем на современный компьютер, поскольку не могла запоминать данные и программы. Она содержала 1768 электронных ламп шести различных типов, 7200 кристаллических диодов, 4100 магнитных элементов, занимала площадь в 300 кв. метров, в 1000 раз превосходила по быстродействию релейные вычислительные машины. Компьютер прожил девять лет, и последний раз был включен в 1955 г. Одновременно с постройкой ENIAC, в обстановке секретности создается ЭВМ в Великобритании. Секретность была необходима потому, что проектировалось устройство для дешифровки кодов, которыми пользовались вооруженные силы Германии в период второй мировой войны. Математический метод дешифровки был разработан группой математиков, в число которых входил Алан Тьюринг. В течение 1943 г. в Лондоне была построена машина Colossus на 1500 электронных лампах. Хотя ENIAC и Colossus работали на электронных лампах, они по существу копировали электромеханические машины: новое содержание (электроника) было втиснуто в старую форму (структуру доэлектронных машин). 1944 год. В 1937 г. гарвардский математик Говард Эйкин предложил проект создания большой счетной машины. Спонсировал работу президент компании IBM Томас Уотсон, который вложил в нее 500 тыс долларов. Проектирование Mark-1 началось в 1939 г., строило этот компьютер нью-йоркское предприятие IBM. Компьютер содержал около 750 тыс. деталей, 3304 реле и более 800 км проводов. В 1944 г. готовая машина была официально передана Гарвардскому университету. В 1944 г. американский инженер Джон Эккерт впервые выдвинул концепцию хранимой в памяти компьютера программы. Эйкен, располагавший интеллектуальными ресурсами Гарварда и работоспособной машиной Mark-1, получил несколько заказов от военных. Так, следующая модель Mark-2 была заказана управлением вооружения ВМФ США. Проектирование началось в 1945 году, а постройка закончилась в 1947 г. Mark-2 представляла собой первую многозадачную машину наличие нескольких шин позволяло одновременно передавать из одной части компьютера в другую несколько чисел. 1946 год. Джон фон Нейман на основе критического анализа конструкции ENIAC предложил ряд новых идей организации ЭВМ, в том числе концепцию хранимой программы, т.е. хранения программы в запоминающем устройстве. В результате реализации идей фон Неймана была создана архитектура ЭВМ, во многих чертах сохранившаяся до настоящего времени. 1947 год. Норберт Винер вводит в обращение термин «кибернетика». 23 декабря сотрудники Bell Telephone Laboratories Джон Бардин и Уолтер Бремен впервые продемонстрировали свое изобретение, получившее название транзистор. Это устройство спустя десять лет открыло совершенно новые возможности в развитии вычислительной техники. 1948 год. С. А. Лебедевым (1990-1974) и Б. И. Рамеевым был предложен первый проект отечественной цифровой электронно вычислительной машины. Под руководством академика С. А. Лебедева С.А. и В. М. Глушкова разрабатываются отечественные ЭВМ: сначала МЭСМ малая электронная счетная машина (1951 г., Киев), затем БЭСМ быстродействующая электронная счетная машина (1952 г., Москва). Параллельно с ними создавались счетные машины: «Стрела», «Урал», «Минск», «Раздан», «Наири». Американский математик Ноберт Винер выпустил в свет книгу "Кибернетика, или Упраление и связь у животных и машин", которая положила начало развитию теории автоматов и становлению кибернетики науки об управлении и передаче информации. Также Клод Шеннон выпускает книгу «Математическая теория передачи информации». 1949 год. Морис Уилкис ввел систему мнемонических обозначений для машинных команд, названную языком ассемблера. 1951 год. Была закончена работа по созданию UNIVAC (Universal Automatic Computer). Первый образец машины UNIVAC-1 был построен для бюро переписи США. Синхронная последовательного действия вычислительная машина UNIVAC-1 создана была на базе ЭВМ ENIAC и EDVAC. Работала она с тактовой частотой 2,25 МГц и содержала около 5000 электронных ламп. Внутреннее запоминающее устройство объемом 1000 12-разрядных десятичных чисел было выполнено на 100 ртутных линиях задержки. Этот компьютер интересен тем, что планировалось его сравнительно массовое производство без изменения архитектуры и особое внимание было уделено периферийной части (средствам ввода-вывода). Офицер ВМФ США и руководитель группы программистов, в то время капитан (в дальнейшем единственная женщина в ВМФ адмирал) Грейс Хоппер разработала первую транслирующую программу, которую она назвала компилятором (фирма Remington Rand). Эта программа производила трансляцию на машинный язык всей программы, записанной в удобной для обработки алгебраической форме. Джей Форрестер запатентовал блок памяти на магнитных сердечниках (рис. 41). Впервые такая память применена на машине Whirlwind-1. Она представляла собой два куба с сердечниками, которые обеспечивали хранение 2048 слов для 16-разрядных двоичных чисел с одним разрядом контроля четности. В этой машине была впервые использована универсальная неспециализированная шина (взаимосвязи между различными устройствами компьютера становятся гибкими) и в качестве систем ввода-вывода использовались два устройства: электронно-лучевая трубка Вильямса и пишущая машинка с перфолентой (флексорайтер). 1952 год. Началась опытная эксплуатация отечественного компьютера БЭСМ-1. В СССР в 1952-1953 гг. А.А. Ляпунов разработал операторный метод программирования (операторное программирование), а в 1953-1954 гг. Л.В. Канторович концепцию крупноблочного программирования.