Главная Случайная страница


Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






История развития информации и вычислительной техники

В любой деятельности человек всегда придумывал и создавал самые разнообразные средства, приспособления, орудия труда. Все это облегчало труд, делало его производительнее, расширяло возможности людей. Известно, что история материального производства и мировой науки тесно связана с историей развития орудий труда.

Первые вспомогательные средства для работы с информацией появились много позже первых орудий материального труда. Историки утверждают, что расстояние во времени между появлением первых инструментов для физического труда (топор, ловушка для охоты) и инструментов для регистрации информационных образов (на камне, кости) составляет около миллиона лет.

На всех этапах своего эволюционного развития люди стремились механизировать свой труд. Однако, как правило, эта механизация касалась физического труда: были применены рычаг, колесо и т.п. В своей умственной деятельности человек долгое время обходился без механизации. С этим можно было мириться в течении сотен лет, пока большинство занималось в основном физическим трудом. Но в связи с развитием мореплавания, астрономии появилась потребность в быстром и точном составлении различных математических таблиц, в том числе синусов, логарифмов, квадратных корней и т.д. Возникла мысль создать устройство, облегчающее проведение арифметических операций над большим количеством чисел.

Информационную деятельность человека можно разделить на три составляющие: хранение, передачу и обработку. Долгое время средства информационного труда развивались отдельно по этим трем направлениям.

История хранение информации в письменной форме уходит в глубь веков. До наших дней в некоторых местах сохранились наскальные письмена древнего человека, выполненные 25-20 тысяч лет назад. Для письма также использовались дерево, глина. Деревянные таблички покрывались цветным воском, надписи на нем процарапывались острым предметом – стилом. Сохранившиеся таблички (рис. 1.1) происходят в основном из Египта, Дакии[1], Помпей[2] и Геркуланума[3].

Многие века письменные документы составлялись на пергаментных свитках. Это было «очень дорогим удовольствием». Пергамент делался из кожи животных. Его растягивали, чтобы получить тонкие листы. Когда на востоке научились ткать шелк, его стали использовать не только для одежды, но и для письма.

Рис. 1.1. Школьная восковая табличка

Во II веке нашей эры в Китае была изобретена бумага, которая до Европы дошла только в XI веке. Вплоть до XV века письма, документы, книги писались вручную. Книг было очень мало, они считались предметами роскоши.

В середине XV века немецкий типограф Иоганн Гутенберг изобрел первый печатный станок. С этого времени началось книгопечатание. На Руси книгопечатание основал Иван Федоров в середине XVI века. Книг стало значительно больше, быстро росло число грамотных людей.

До сегодняшнего дня лист бумаги остается основным носителем информации. Но у него появились серьезные «конкуренты».

В XIX веке была изобретена фотография. Носителями видеоинформации стали фотопленка и фотобумага. В 1895 году французы братья Люмьер продемонстрировали в Париже первый в мире кинофильм, используя аппарат собственного изобретения. Этот год считается годом рождения кино.

В самом конце XIX века был изобретен магнитофон. Магнитная запись позволяла сохранять звук и, в частности, информацию, содержащуюся в человеческой речи. И совсем недавно, во второй половине XX века на магнитную ленту научились записывать не только звук, но и изображение: появился видеомагнитофон.

Передача информации. Первоначально люди пользовались лишь средствами ближней связи: речь, слух, зрение. Развитие письменности породило первые средства дальней связи - почту. Для быстрой передачи каких-то важных сведений часто использовались очень оригинальные идеи. Известно, например, применение на Кавказе костровой связи. Два костровых сигнальщика находились на расстоянии прямой видимости на возвышенных местах или башнях. Когда приближалась опасность (нападали враги), сигнальщики, зажигая цепочку костров, предупреждали об этом население. В древней Греции пользовались оптической сигнальной связью - факельный телеграф (рис.1.2): днем - дымом, ночью – огнем.

В XVIII веке возник семафорный телеграф, это тоже световая связь, но технически более совершенная.

Очень богатым на открытия в области связи был XIX век. В этом веке люди овладели электричеством, которое породило множество изобретений. Сначала П.Л.Шеллинг в России в 1832 году изобрел электрический телеграф. А в 1837 году американец С.Морзе создал электромагнитный телеграфный аппарат и при думал специальный телеграфный код — азбуку, которая носит его имя.

В 1876 году американец А.Белл изобрел телефон. И наконец, в 1895 году русский изобретатель А.С.Попов открыл эпоху радиосвязи.

Рис. 1.2. Факельный телеграф

Самым замечательным изобретением XX века в области связи можно назвать телевидение. Освоение космоса привело к созданию спутниковой связи.

Обработка информации. Важнейшим видом обработки информации являются вычисления. Появление и развитие счетных инструментов стимулировали развитие земледелия, торговли, мореплавания, астрономии и многих других областей практической и научной деятельности людей. Первым счетным средством для человека были его пальцы – как инструмент всегда находящийся «под рукой» (рис.1.3.).

Рис. 1.3. Первый счетный инструмент человека

В V-IV вв. до н.э. были созданы древнейшие из известных счетных инструментов – “саламинская доска” по имени острова Саламин в Эгейском море; в Греции и Египте получил распространение абак (рис 1.4, а) - это греческое слово, которое переводится как счетная доска. У китайцев “суан-пан” (рис 1.4, б), у японцев “серобян” (рис 1.4, в). Вычисления на них проводились путем перемещения счетных костей и камешков в полосковых углублениях досок из бронзы, камня, слоновой кости. Особенного развития достигли вычисления на абаке в древнем Китае. Китайцы могли производить на абаке деления и действия с дробями, извлечение квадратных и кубических корней, на счетной доске вычислялись даже корни системы линейных уравнений. «Потомком» абака можно назвать и русские счеты (рис. 1.4, г), которые появились на рубеже XVI- XVII веков. Счеты, абак и инструменты подобные им сохранились до наших дней. Точность и скорость счета целиком зависели от самого вычислителя.

По мере роста потребностей человека и задач, которые он ставил перед собой, росло значение вычислений, росла их необходимость.

В начале XVII века шотландский математик Джон Непер ввел понятие логарифма, опубликовал таблицы логарифмов (рис. 1.5).

а) б)

в) г)

Рис. 1.4. Греческий (а), китайский (б) и японикий (в) абак и русские счеты (г)

Рис. 1.5. Логарифмические таблицы

Затем в течение двух веков развивались вычислительные инструменты, основанные на использовании этой математической функции. В результате появилась логарифмическая линейка (рис 1.6).

 

а) б)

Рис. 1.6. Логарифмическая плоская (а) и круговая (б) линейка: 1 – основная шкала цифр; 2 – шкала синусов; 3 – шкала тангенсов

Этот инструмент до недавнего времени был вычислительным средством инженеров. И лишь в последние годы его вытеснили электронные калькуляторы.

В 1642 году молодой 18-летний французский математик и физик Блез Паскаль сконструировал первый механический вычислитель, позволяющий складывать и вычитать числа. Для выполнения арифметических операций Паскаль заменил поступательное перемещение костяшек в «абаковидных» инструментах на вращательное движение оси (колеса), так что в его машине сложению чисел соответствовало сложение пропорциональных им углов. Машина Паскаля позволяла быстро выполнять сложение многозначных чисел (рис. 1.7, а).

а) б)

Рис. 1.7. Суммирующая машина Паскаля (а) и счетное устройство Лейбница (б)

В 1673 году немецкий ученый Готфрид Лейбниц, развив идею Паскаля, разработал счетное устройство, способное механически выполнять все четыре арифметические операции с многозначными числами (рис. 1.7, б).

Труды Паскаля оказали заметное влияние на весь дальнейший ход развития вычислительной техники, ряд важнейших механизмов применяли вплоть до середины ХХ века в некоторых типах машин.

Появление первых механических счетных машин и возрастающий спрос на них резко ускорил работы по совершенствованию технологии их изготовления. В 1821 году конструктор-предприниматель Тома де Кольмар Шарль Ксавье Томас создал первое коммерческое счетное устройство и наладил его серийное производство, названное им арифмометром (рис. 1.8, а).

а) б) в)

Рис. 1.8. Серийное счетное устройство Томаса (а) и арифмометр «Феликс» (б)

Позднее арифмометр многократно совершенствовался, в том числе и русскими изобретателями П.Л. Чебышевым, а затем В.Т. Однером, который в 1880 году создает арифмометр с зубчаткой имеющей переменное число зубцов, а в 1890 г. налаживает их массовый выпуск (рис. 1.8, б).

Т.о. арифмометры в первой четверти XIX века становятся основными математическими машинами, нашедшими применение во всем мире. Их модификация “Феликс” (рис. 1.8, в) выпускалась в СССР до 50-х годов.

Арифмометр стал предшественником современного калькулятора (рис. 1.9) –

Рис. 1.9. Виды калькуляторов

маленького электронно-вычислительного устройства. Сейчас практически у каждого есть калькулятор, который помещается в кармане. А в начале XX века любому академику такое устройство показалось бы фантастическим.

В период с 1833 по 1871 г. английский ученый Чарльз Беббидж предложил структуру автоматического вычислителя, названного им “аналитической машиной”, состоящего из двух отдельных устройств: устройства хранения, где находятся команды и данные, введенные в машину, и перерабатывающего устройства, которое выполняет операции, используя находящимися в памяти командами и данными.

Подобная идея о возможности постройки автоматизированного счетного аппарата пришла в голову немецкому инженеру Конраду Цузе (Konrad Zuse ). В 30-х годах Цузе занимался проектированием самолетов в компании Henschel Aircraft , и ему приходилось выполнять огромные объемы вычислений по заданным схемам для определения оптимальной конструкции крыльев. И видимо, эта работа навела его на мысль о возможности автоматизации этого процесса. Уже в 1934 г. Цузе сформулировал основные принципы, на которых должны работать будущие компьютеры:

·двоичная система счисления;

·использование в устройствах принципа «да/нет» (логические 1 и 0);

·полностью автоматизированный процесс работы вычислителя;

·программное управление процессом вычислений;

·поддержка арифметики с плавающей запятой;

·использование памяти большой емкости.

Цузе первым в мире определил, что обработка данных начинается с бита (бит он называл «статусом да/нет», а формулы двоичной алгебры - условными суждениями), первым ввел термин «машинное слово» (Word), первым объединил в вычислителе арифметические и логические операции, отметив, что «элементарная операция - проверка двух двоичных чисел на равенство. Результатом будет тоже двоичное число с двумя значениями (равно, не равно)». При этом Цузе не имел никакого представления не только об аналогичных исследованиях коллег в США и Англии, но даже о механическом вычислителе Чарльза Бэббиджа, созданном в XIX веке.

В 1936 году Цузе запатентовал идею механической памяти. Год спустя он создал работающую память для хранения 12 двоичных чисел по 24 бита и активно занялся созданием первой версии своего вычислителя Z1 (рис. 1.10), арифметический

Рис. 1.10. Z1 вычислительная механическая машина Конрада Цузе

модуль которого мог работать с числами с плавающей запятой, осуществлять преобразования двоичных чисел в десятичные и обратно и поддерживать ввод и вывод данных. Устройство ввода программы осуществлялось с помощью перфорированной киноленты. Результаты расчетов показывались с помощью электрических ламп. Z1 был закончен в 1938 году и работал неустойчиво из-за ненадежной механической памяти. Поэтому в качестве более надежной элементной базы Конрад выбрал электромагнитные телефонные реле, единственные в то время устройства, пригодные для устойчивой работы релейного Z2 построенного в апреле 1939 года и успешно заработавшего. Затем он приступил к проектированию более мощной модели - Z3, которая была закончена в 1941 году.

Всего машина Z3 содержала 2600 реле, выполняла не только 4 арифметические операции, но и вычисление квадратного корня, умножение на -1, 0,1, 0,5, 2 и 10. Скорость работы Z3 была примерно равна скорости работы американского компьютера Harvard Mark I, созданного в конце 40-х годов. Z3 выполнял 3-4 операции сложения в секунду и умножал два числа за 4-5 секунд, позволяя при этом обрабатывать числа с плавающей запятой более эффективно, чем Mark I. Но память составляла всего 64 слова. Кстати, из-за такого небольшого объема памяти Z1, Z2, Z3 никогда не использовались для решения серьезных проблем. В конце 1941 г. Цузе решил разработать более мощную модель - Z4, но во время войны все практические работы в этой области полностью прекратились.

А на американском континенте в том же 1936 году молодой физик Гарвардского университета Говард Эйкен объявляет о намерении сконструировать машину для решения дифференциальных уравнений. Неожиданно для такого смелого проекта нашелся спонсор - некая компания IBM, а потом подключились и военные. И через восемь лет, в 1944 году, появилась счетная машина Harvard Mark I (рис. 1.11) , которая применялась для расчета сложных баллистических таблиц.

Впоследствии, завершив «военную службу», Harvard Mark I проработал еще 15 лет в Гарвардском университете, помогая составлять математические таблицы и решая самые разнообразные задачи, от создания экономических моделей до конструирования электронных схем.

Mark I весил 5 тонн, длина его была 17 метров и в высоту более 2,5 м , содержал около 750 тыс. деталей, соединенных проводами общей протяженностью около 800 км. Он считывал программу с бумажной ленты, на которую с помощью

Рис. 1.11. Первая счетная машина Harvard Mark I

перфоратора наносилась последовательность вычислений, и способен был осуществлять три сложения в секунду, а на то чтобы взять логарифм, требовалась минута.

Mark I мог работать без человеческого участия много часов и дней, печатая цифру за цифрой - результаты вычислений. Машина была передана в ВМФ и использовалась для выполнения сложных баллистических расчетов.

Mark I и Z-1-Z-3 имели две важные отличительные особенности, которыми предыдущие машины не обладали: во-первых, они могли выполнять определенную последовательность операций по заранее заданной программе или последовательно решать задачи разных типов, благодаря способности хранить информацию в специальной памяти; во-вторых, эти компьютеры управлялись с помощью программы. Их медлительность была связана с ограниченными возможностями электромеханических схем, основным элементом которых были реле. Главный недостаток релейных машин был в том, что прохождение сигнала вызывало искру при замыкании и размыкании контактов. Искра была частой причиной быстрого износа и коррозии контактов и отказа реле.

Недолгий век электромеханических машин еще продолжался, но в середине 1943 года начались работы над созданием первой электронной вычислительной машины. В США, еще в 1939 году, профессор Джон Атанасов, со своим аспирантом К. Берри создал первый прототип ЭВМ, отдельные блоки которой уже были собраны и работали, но функционирование всей машины в целом отлажено еще не было. На основе этого прототипа планировалось в 1943 году создать большую ЭВМ под названием «ABC» для решения систем линейных уравнений, но призыв в американскую армию помешал, этому. Вернувшись из армии после войны, Атанасов увидел, что более мощная ЭВМ ЭНИАК уже создана и потерял интерес к этой теме. Правда, через несколько лет после этого выяснилось, что патент на ЭНИАК был, не совсем чист, так как там использовались некоторые идеи Атанасова.

Что же касается первой в мире действующей ЭВМ, то она была построена не в США, как это часто утверждают, а в Великобритании, в 1943 году. Над ее созданием работал известный английский математик Алан Тьюринг, который был не только специалистом по теории информации и алгоритмов, но и талантливым инженером. Первая в мире ЭВМ – машина Тьюринга (МТ), носившая название “Колосс”, была специализированной и использовалась для расшифровки германских кодов во время второй мировой войны. Благодаря “Колоссу” удалось предотвратить много атак германских подводных лодок на суда союзников. Сведения об этой ЭВМ в свое время не публиковались, и поэтому сейчас она сравнительно мало известна.

Последнее изменение этой страницы: 2017-07-07

lectmania.ru. Все права принадлежат авторам данных материалов. В случае нарушения авторского права напишите нам сюда...