История развития вычислительной техники

 

Развитие вычислительной техники можно разбить на  следующие периоды:

Ø  Ручной  (VI век до н.э.  -   XVII век н.э.)

Ø  Механический (XVII век  -  середина XX века)

Ø  Электронный   (середина  XX  века  -   настоящее время)

 

Хотя Прометей в трагедии Эсхила утверждает: «Подумайте, что смертным сделал я: число им изобрел и буквы научил соединять», понятие числа возникло задолго до появления письменности. Люди учились считать в течение многих веков, передавая и обогащая из поколения в поколение свой опыт.

Счет, или шире - вычисления, может быть осуществлен в различных формах: существует устный, письменный и инструментальный счет. Средства инструментального счета в разные времена имели различные возможности и назывались по-разному.

 

Ручной этап (VI век до н.э.  -  XVII век н.э.)

 

Возникновение счета в древности - «Это было началом начал...»

 

Предположительный возраст последней генерации человечества — 3-4 миллиона лет. Именно столько лет назад человек встал на ноги и взял в руки изготовленный им самим инструмент. Однако, способность считать (то есть способность разбивать понятия «больше» и «меньше» на конкретное количество единиц) сформировалась у человека значительно позднее, а именно 40-50 тысяч лет назад (поздний палеолит). Этот этап соответствует появлению современного человека (кроманьонца). Таким образом, одной из основных (если не главной) характеристикой, отличающей кроманьонца от более древней ступени человека, является наличие у него счётных способностей.

Нетрудно догадаться, что первым счетным устройством человека были его пальцы.

Пальцы оказались прекрасной вычислительной машиной. С их помощью можно было считать до 5, а если взять две руки, то и до 10. А в странах, где люди ходили босиком, по пальцам легко было считать до 20. Тогда этого практически хватало для большинства потребностей людей.

Пальцы оказались настолько тесно связанными со счетом, что на древнегреческом языке понятие "считать" выражалось словом "упятерить". Да и в русском языке слово "пять" напоминает "пясть" - часть кисти руки (слово "пясть" сейчас упоминают редко, но производное от него - "запястье" - часто используют и сейчас).  Кисть руки, пясть, - синоним и фактически основа числительного «ПЯТЬ» у многих народов. Например, малайское «ЛИМА» означает одновременно и « рука» и «пять».

Однако известны народы, у которых единицами счёта были не пальцы, а их суставы.

 Научившись считать по пальцам до десяти, люди сделали следующий шаг вперед и стали считать десятками. И если одни папуасские племена умели считать лишь до шести, то другие доходили в счете до нескольких десятков. Только для этого приходилось приглашать сразу много счетчиков.

Во многих языках слова "два" и "десять" созвучны. Может быть, это объясняется тем, что когда-то слово "десять" означало "две руки". И сейчас есть племена, которые говорят "две руки" вместо "десять" и "руки и ноги" вместо "двадцать". А в Англии первые десять чисел называют общим именем - "пальцы". Значит, и англичане когда-то считали по пальцам.

Пальцевой счет сохранился кое-где и поныне, например, историк математики Л.Карпинский в книге «История арифметики» сообщает, что на крупнейшей мировой хлебной бирже в Чикаго предложения и запросы, как и цены объявляются маклерами на пальцах без единого слова.

Затем появился счет с перекладыванием камней, счет с помощью чёток…  Это был существенный прорыв в счетных способностях человека — начало абстрагирования цифры.

Издревле употреблялся еще один вид инструментального счета - с помощью деревянных палочек с зарубками (бирок). В средние века бирками пользовались для учета и сбора налогов. Бирка разрезалась на две продольные части, одна оставалась у крестьянина, другая - у сборщика налогов. По зарубкам на обеих частях и велся счет уплаты налога, который проверяли складыванием частей бирки. В Англии, например, этот способ существовал до конца XVII столетия.

Также применялись узелки на веревках, значительно позже получившие мощное развитие у инков. Система цветных веревок с завязанными на них узелками у них называлась «кипу».

           Китайцы, индийцы, перуанцы использовали для представления чисел и счета веревки с узелками. Американские индейцы называли их КУИРУ, и в перуанских городах до вторжения в Южную Америку европейцев городской казначей именовался КУИРУ КОМОУОКУНА, т.е. чиновник узелков.

Бирки и веревки с узелками уже не могли удовлетворить возраставшие в связи с развитием торговли потребности в средствах вычисления.

Многие тысячелетия люди выкристаллизовывали приёмы счёта. Развитие приспособлений для счета в то время шло медленно, и причин этому было несколько:

1) не было существенной необходимости в развитии счёта;

2) практически не происходил обмен опытом из-за отсутствия связи между прогрессивными людьми древности, и возможные изобретения попросту не получали распространения;

3) мозг человека не был в достаточной мере приспособлен к абстрактному мышлению.

 

Около 3000 лет назад (V век до нашей эры), в Египте для счета стали использовать первый счетный прибор — абак, с которого и началось развитие вычислительной техники.

С появлением абака начинается домеханический период. Происхождение слова Абак не установлено. Большинство ученых считает, что оно произошло от семитического корня - «Абак» означает дощечку, покрытую слоем пыли.

Первое упоминание об египетском абаке принадлежит Геродоту. В IV веке до н.э. Пифагор считал целесообразным обучать правилам работы на абаке учеников. Первый дошедший до нас рисунок абака на греческой вазе принадлежит III веку до н.э.

         Древнегреческий абак (доска или "саламинская доска" по имени острова Саламин в Эгейском море) представлял собой посыпанную морским песком дощечку. На песке проходились бороздки, на которых камешками обозначались числа. Одна бороздка соответствовала единица, другая - десяткам и т.д. Если в какой-то бороздке при счете набиралось более 10 камешков, их снимали и добавляли один камешек в следующем разряде.

 

В V веке до н.э  абак получил широкое распространение в Греции и Египте. 

 

Римляне усовершенствовали абак, перейдя от деревянных досок, песка и камешков к мраморным доскам с выточенными желобками и мраморными шариками.

       В древнем Риме Абак назывался CALCULI, или  ABACULI, и изготовлялся из бронзы, камня, слоновой кости или цветного стекла. Слово  CALCULUS означает «галька», «голыш».

        От этого слова произошло позднейшее латинское CALCULATORE (вычислять) и наше - «калькуляция».

 

        Позже, в  VI  веке нашей эры, появились китайские счеты суан-пан. Они состояли из деревянной прямоугольной рамки, в которой параллельно друг другу протянуты проволоки числом от 9 и более и разделенной на две неравные секции. Проволоки соответствуют десятичным разрядам. Китайцы заменили камешки шариками, нанизанными на прутики, проволоки или веревки. Палочки соотносятся с колонками, а бусинки с числами. У китайцев в основе счета лежала не десятка, а пятерка.

      Суан-пан перегорожена линейкой на две неравные части: в большом отделении («земля») на каждом ряду располагаются по 5 косточек, в меньшем («небо») - по две. Таким образом, для того чтобы выставить на этих счетах число 6, ставили сначала косточку, соответствующую пятерке, и затем прибавляли одну в разряд единиц.

         

 

       Японский Абак - соробан - происходит от китайского суан-пана, который был завезен в Японию в Х\/ - Х\/I  веках.

        Соробан проще своего предшественника, у него на «небе» на один шарик меньше, чем у суан-пана.

 

На Руси долгое время считали по косточкам, раскладываемым в кучки. Примерно с XV века получил распространение "дощаной счет", завезенный, видимо, западными купцами вместе с ворванью и текстилем.

        Вероятно, в это время, а может быть, и немного позже какому-то наблюдательному человеку пришла в голову мысль заменить горизонтальные линии «счета костьми» горизонтальными натянутыми веревками, навесив на них, по существу, все те же «кости». Может быть, идею такого устройства ему подсказали четки, этот древнейший примитивный счетный инструмент, широко распространенный в русском быту.

Но ни абак, ни выше перечисленные предметы нельзя было назвать вычислительными машинами.

Это действительно были лишь вычислительные приспособления.

 

 

История создания средств цифровой вычислительной техники уходит в глубь веков. Она увлекательна и поучительна, с нею связаны имена выдающихся ученых мира.

В дневниках гениального итальянца Леонардо да Винчи (1452-1519) уже в наше время был обнаружен ряд рисунков, которые оказались эскизным наброском суммирующей вычислительной машины на зубчатых колесах, способной складывать 13-разрядные десятичные числа.

Специалисты известной американской фирмы IВМ воспроизвели машину в металле и убедились в полной состоятельности идеи ученого. Его суммирующую машину можно считать изначальной вехой в истории цифровой вычислительной техники. Это был первый цифровой сумматор, своеобразный зародыш будущего электронного сумматора - важнейшего элемента современных ЭВМ, пока еще механический, очень примитивный (с ручным управлением).

         В те далекие от нас годы гениальный ученый был, вероятно, единственным на Земле человеком, который понял необходимость создания устройств для облегчения труда при выполнении вычислений.

       Однако   потребность   в  этом  была   настолько  малой   (точнее,   ее   не   было совсем!), что лишь через сто с лишним лет после смерти Леонардо да Винчи нашелся другой европеец - немецкий ученый Вильгельм Шиккард (1592-1636) - профессор кафедры восточных языков в университете Тюбингена (Германия), не читавший, естественно, дневников великого итальянца, - который предложил свое решение этой задачи.

Причиной, побудившей Шиккарда разработать счетную машину для суммирования и умножения шестиразрядных десятичных чисел, было его знакомство с польским астрономом И. Кеплером. Ознакомившись с работой великого астронома, связанной в основном с вычислениями, Шиккард загорелся идеей оказать ему помощь в нелегком труде. В письме на его имя, отправленном в 1623 г., он приводит рисунок машины и рассказывает, как она устроена.

Первое в мире автоматическое устройство для выполнения операции сложения было создано на базе механических часов.  К сожалению, данных о дальнейшей судьбе машины история не сохранила. По-видимому, ранняя смерть от чумы, охватившей Европу, помешала ученому выполнить его замысел.

         В наши дни рабочая система устройства была воспроизведена по чертежам и подтвердила свою работоспособность. Сам изобретатель назвал машину «суммирующими часами».

Об изобретениях Леонардо да Винчи и Вильгельма Шиккарда стало известно лишь в наше время. Современникам они были неизвестны.

        Большой вклад внес шотландец Джон Непер (1550-1617), теолог, математик и изобретатель.

         Непер придумал в 1617 г.  способ перемножения и деления чисел, заменив их сложение и вычитание.

        Его инструмент, получил название «костяшки Непера» (или «палочки Непера»). Манипуляции с блоками позволяют извлекать квадратные или кубические корни, умножать и делить большие числа.

    

       Эти палочки под названием палочки Непера, как и сам метод, быстро получили широкое распространение в Европе и были одно время даже более популярны, чем логарифмы - главное изобретение Непера. В XVI и XVII в.в. в Европе появилась множество модификаций палочек Непера.

Изобретение  логарифмических  линеек

 

Изобретателями первых логарифмических линеек считают Уильяма Отреда и Ричарда Деламейна.

В 1654 году англичанин Роберт Биссакер предложил конструкцию прямоугольной логарифмической линейки, сохранившуюся в принципе до нашего времени. Аналогичную конструкцию изобрел в 1657 году лондонский учитель математики Сет Патридж.

 

          Важные усовершенствования в конструкции прямоугольной логарифмической линейки внес в 1683 году Томас Эверард, механик и налоговый чиновник. Его линейка, предназначавшаяся главным образом для определения объемов различных сосудов и емкостей, состоящая из корпуса и двух движков, которые перемещались в пазах на лицевой и тыльной сторонах корпуса. На этой линейке впервые применена обратная шкала. Ее использование позволяло находить глубину различных бочонков стандартного объема.

 

       Как появился бегунок. Идея бегунка – неотъемлемого элемента современной логарифмической линейки – была высказана великим Исаком Ньютоном. 24 июня 1675 года.

    Но физически бегунок появился лишь спустя 100 лет, когда Джон Робертсон, преподаватель Королевской математической школы в Портсмуте, а затем библиотекарь Лондонского Королевского общества, предложил собственную линейку, предназначенную для навигационных расчетов.

 

Механический период  (с XVII века до начала XX века)

Машины, экономящие время

 На протяжении сотен лет устройство, создававшееся для облегчения выполнения вычислительных операций, по принципу действия были так же просты, как счеты. Однако в начале 17 века, когда математика стала играть ключевую роль в науке, специалисты в области физики и астрономии столкнулись с необходимостью произведения сложных и громоздких вычислений. Потребность в более совершенных вычислительных инструментах становилась все более очевидной.

Требовались машины, которые были бы способны выполнять большой объем вычислений с высокой точностью и за малое время. Другими словами, это должны были быть машины, делающие процесс вычислений достаточно простым и экономящие время.

 

 

 В XVII веке положение меняется. Европейские мыслители той эпохи были увлечены идеей создания счётных устройств.

 

 

Первые счетные машины

 С 1642 года начинается история развития механических вычислительных устройств.

 

Блез Паскаль  (1623-1662) -

один из самых знаменитых людей в истории человечества.

 

      Паскаль умер, когда ему было 39 лет, но, несмотря на столь короткую жизнь, вошел в историю как выдающийся математик, физик, философ и писатель.

           Именно в 1642 г. 19-летний Блез Паскаль, тогда еще мало кому известный, создает действующую суммирующую машину ("паскалину") - более компактное суммирующее устройство, которое стало первым в мире механическим калькулятором.

Паскалина позволяла суммировать десятичные числа.

       Если счеты являются чисто запоминающим устройством и только хранят информацию, а все  действия выполняет человек, то суммирующую машину Паскаля можно уже назвать механическим вычислителем, или механическим компьютером.

         Она автоматически производила переносы единиц в следующий десятичный разряд, выполняя работу, которую мог раньше делать только человек.

        Формой своей машина напоминала длинный сундучок. Она была достаточно громоздка, имела несколько специальных рукояток, при помощи которых осуществлялось управление, ряд маленьких колес с зубьями.

        При работе на «паскалине» складываемые числа вводились путём соответствующего поворота наборных колесиков. Каждое колесико с нанесёнными на него делениями от 0 до 9 соответствовало одному десятичному разряду числа - единицам, десяткам, сотням и т.д. Избыток над 9 колесико «переносило», совершая полный оборот и продвигая соседнее слева «старшее» колесико на единицу вперёд.

Потребовалось свыше 50 лет для создания более совершенного устройства, чем машина Паскаля. Отсутствие прибора, позволяющего быстро осуществлять сложные вычисления, привело к тому, что многие поставленные эксперименты так и не были завершены, а те, которые все-таки удалось завершить, потребовали месяцы и даже годы.

 

 Готфрид Вильгельм фон Лейбниц (1646 - 1716) 

— немецкий философ, математик, юрист, дипломат.

 

Он родился в Лейпциге и принадлежал к роду, известному своими учеными и политическими деятелями. Его отец был профессором этики, а дед - профессором права Лейпцигского университета. Защитил диссертацию на степень бакалавра в 17 лет, магистра философии в 18. В 20 лет защитил сразу две диссертации на звание доцента - по юриспруденции и математике.

 Готфрид Вильгельм Лейбниц  стал первым гражданским лицом Германии,  которому был воздвигнут памятник за значительный вклад в науку и политику.

Лейбниц ввел много математических терминов, которые теперь прочно вошли в научную практику: алгоритм, абсцисса, ордината, координата, функция, дифференциал, дифференциальное уравнение, дифференциальное исчисление, а также знаки арифметических операций, дифференциала, интеграла, логическую символику и многое другое.

 

В 1673 году, Лейбниц создал механический калькулятор (арифмометр), выполняющий сложение, вычитание, умножение и деление чисел.

В отличие от Паскаля Лейбниц стал использовать цилиндры, а не колесики и приводы. На цилиндры были нанесены цифры. Каждый цилиндр имел 9 рядов выступов или зубцов. При этом первый ряд содержал 1 выступ, второй - 2 и так вплоть до 9-го ряда, который содержал 9 выступов. Цилиндры были подвижными и приводились в определенное положение оператором. Этот цилиндр впоследствии получил название «ступенчатого валика».

Изделие   Лейбница   постигла   печальная   судьба 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.  

 

Но основная идея Лейбница - идея ступенчатого валика - осталась действительной плодотворной даже в XX столетии.

 

В 1802 г. французский ткач и механик Жозеф Мари Жаккар (1752-1834) создал первый образец машины, управляемой введением в нее информации.

         Его машина, облегчила процесс производства тканей со сложным изготовлении такой ткани нужно опустить каждую из ряда нитей, ткацкий станок протягивает между поднятыми и пущенными нитями другую нить. Затем каждая из нитей опускается или поднимается в определенном порядке и станок снова пропускает через них нить. Этот процесс многократно повторяется до тех пор, пока не будет получена нужная длина ткани с узором.

         Для задания узора на ткани Жаккар использовал ряды отверстий на картах. Если применялось десять нитей, то в каждом ряду карты предусмат­ривалось место для десяти отверстий. Карта закреплялась на станке в устройстве, которое могло обнаруживать отверстия на карте. Это устройство с помощью щупов проверяло каждый ряд отверстий на карте. Информация на карте управляла станком.

С середины XIX века целое столетие в Европе находили широкое применение при арифметических расчётах так называемые механические вычислительные машины, или автоматические арифмометры - первые счётные машины непрерывного действия. Они были как бы прообразом будущих поколений быстродействующих электронно-вычислительных машин; ведь слово «компьютер» в современном понимании есть не что иное, как электронно-вычислительная машина (ЭВМ).

 

 

Вычислительные машины 19 века

 

Следующий важный этап развития ВТ приходится на 19 век. Это был век выдающихся изобретений. Чтобы создать такие машины, которые решали бы задачи быстрее и проще, чем это делают люди, в ход были пущены старые идеи и новые теории.

 

         Завершающий шаг в эволюции цифровых вычислительных устройств (механического типа) сделал английский ученый Чарльз Беббидж (1791-1871). Блестящий математик, великолепно владеющий численными методами вычислений.

        Бэббидж, является первым автором идеи создания вычислительной машины, которая в наши дни называется компьютером.

В 1822 году Чарльз Бэббидж построил счетное устройство, способную     производить арифметические операции с точностью до шестого знака после запятой.  Первая спроектированная Бэббиджем машин, Разностная машина, работала на паровом двигателе. Она высчитывала таблицы логарифмов методом постоянной дифференциации и заносила результаты на металлическую пластину. Работающая модель, которую он создал в 1822 году, была шести цифровым калькулятором, способным производить вычисления и печатать цифровые таблицы.  Затем он ставит   задачу   шире   и продвинутую   версию   -  вычислять   производные   второго   порядка.  

Аналитическая машина

Аналитическую машину Бэббиджа построили энтузиасты из Лондонского музея науки. Она состоит из четырех тысяч железных, бронзовых и стальных деталей и весит три тонны. 

Правда, пользоваться ею очень тяжело - при каждом вычислении приходится несколько сотен (а то и тысяч) раз крутить ручку автомата. Числа записываются (набираются) на дисках, расположенных по вертикали и установленных в положения от 0 до 9. Двигатель приводится в действие последовательностью перфокарт, содержащих инструкции (программу).

Разностная машина

 

Друг Бэббиджа, Ада Августа Байрон Кинг, графиня Лавлейс (1815 – 1852) – дочь лорда Байрона,  показала, как можно использовать аналитическую машину, машину для выполнения ряда конкретных вычислений. Она писала программы и составила также описание принципов работы машины.

 

Чарльза Бэббиджа считают изобретателем компьютера, а Аду Лавлейс называют первым программистом компьютера. Многими понятиями, введенными Адой Лавлейс в описаниях тех первых в мире программ, широко пользуются современные программисты.

 

            В честь первого в мире программиста назван один из самых совершенных и современных языков компьютерного программирования – Ada.

 

Вильгодт Теофилович Однер, швед по национальности, жил в Санкт-Петербурге и работал мастером экспедиции, выпускающей государственные денежные и ценные бумаги. Все свои патентованный изобретения он сделал в России: механический способ нумерации денежных знаков, машинка для изготовления папирос, механический ящик для тайного голосования, турникеты. Однако главным достижением Однера стал арифмометр, надо признать, что до Однера тоже были арифмометры - системы К.Томаса.

Их модификация "Феликс" выпускалась до 50-х годов. 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.

Однако они отличались ненадежностью, большими габаритами и неудобством в работе. Над арифмометром он начал работать в 1874 году, а в 1890 году налаживает их массовый выпуск.

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.

         Умер Вильгодт Однер в 1906 году. Его предприятие по производству арифмометров перешло его наследникам и просуществовало до 1917 года.