Малотелковицька  загальноосвітня школа І-ІІІ ступенів

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛЕКЦІЯ на тему:

 

“Історія розвитку і виникнення ЕОМ”.

 

 

 

 

 

 

 

 

Підготував

вчитель інформатики

 Новак Іван Адамович

 

 

 

 

 

                                                                                      

 

            Історія створення засобів цифрової обчислю­вальної техніки сягає глибини віків. У щоденни­ках геніального італійця Леонардо да Вінчі (1452—1519) уже в наші часи були знайдені малюн­ки, які виявилися ескізним начерком сумуючої об­числювальної машини на зубчастих колесах, здат­ної додавати 13-розрядні десяткові числа. Спеціа­лісти фірми ІВМ відтворили цю машину в металі, і вона виявилася працездатною. Механічну сумую­чу машину да Вінчі можна вважати початком в іс­торії обчислювальної техніки, зародком майбутніх електронних суматорів—найважливішого елемен­та сучасних ЕОМ. Свого часу геніальний учений був, мабуть, єдиною людиною у світі, яка розуміла значення створення засобів, які б полегшили пра­цю під час проведення обчислень.

У ті часи такої потреби ще не було. Пройшло більше ста років після смерті Леонардо да Вінчі, як німецький уче­ний Вільгельм Шіккард (1592-1636)запропонував свій варіант лічильної маши­ни для сумування і множен­ня 6-розрядних десяткових чисел. Причиною, яка спо­нукала його до цього, було ознайомлення з працями ві­домого астронома І. Кеплера, які були пов'язані з обчис­леннями. У листі Кеплеру, датованому 1623 р., Шіккард наводить малюнок ма­шини і описує її будову. На жаль, даних про подаль­шу долю цієї машини історія не зберегла.

Про винаходи Леонардо да Вінчі та Вільгельма Шіккарда стало відомо лише в наші дні. Сучасни­кам вони були невідомі.

УХУІІст. стан справ змінюється. У 1641-1642 рр. дев'ятнадцятирічний Блез Паскаль (1623-1662) створив діючу сумуючу машину ("паскаліну"), яку він створив з метою полегшення праці своєму батько­ві під час обрахунку податків. Наступні чотири роки ним були створені зразки більш досконалих машин. Вони були 6- і 8-розрядними, будувались на основі зубчас­тих коліс і могли виконувати додавання і віднімання деся­ткових чисел. Було створено більше 50 зразків машин. Б. Паскаль мав королівську привілею на їх виробництво, але практичного викорис­тання "паскаліни" не набу­ли, хоча про них багато гово­рилось і писалось (в основно­му, у Франції).

У 1673 р. німецький уче­ний Вільгельм Готфрід Лей бніць(1646-1716) ство­рює лічильну машину для додавання      і     множення    12-розрядних десяткових чи­сел.          

До зубчастих коліс він додав ступінчастий валик, який дозволяв робити множення і ділення. Про машину Лейбніця знали у більшості країн Європи. Свою машину він назвав "арифметичним прила­дом", який став прообра­зом основного пристрою сучасного комп'ютера— арифметично-логічного пристрою. Крім того він усе життя від студентства до старості займався дослідженням властивостей двійкової системи числення.

У 1799 р. у Франції Жозеф Марі Жакар (1752-1834) винайшов ткацький верстат, у якому для задання узору використовувалися перфокарти. Необхідні для цього початкові дані записувалися у вигляді пробивок у відповідних місцях перфокарт. Так з'явився перший примітивний пристрій для за­пам'ятовування і введення програмної інформації.

Там же у 1795 р. математик Гаспар Проні (1755-1839), якому французький уряд доручив ви­конання робіт, пов'язаних із переходом до метрич­ної системи мір, уперше у світі розробив технологіч­ну схему обчислень, яка передбачала розподіл праці математиків на три складові. Перша група з кіль­кох висококваліфікованих математиків зводила розв язання задачі число­вими методами до чоти­рьох арифметичних дій. До функцій другої групи (більш розширеної) входи­ло задання послідовності арифметичних дій ("про­грамування") і початко­вих даних. Для виконан­ня складеної "програми" залучалась третя багато-чисельна група математи­ків менш високої кваліфі­кації. Такий розподіл пра­ці значно полегшив роботу, але головне—дав імпульс подальшому процесу автоматизації обчислень—переходу до створення цифрових обчислювальних пристроїв із програм­ним управлінням послідовністю арифметичних операцій.

Цей завершальний крок у еволюції цифро­вих автоматичних при­строїв (механічного ти­пу) зробив англійський учений Чарльз Беббідж (1791-1871), чудовий математик, який доско­нало володів числовими методами обчислень і вже мав досвід у створен­ні технічних засобів (різ­ницева машина Беббі-джа для табулювання по­ліномів, 1812-1822 рр.). Він відразу побачив ко­ристь у технології обчислень, запропонованої Г. Проні, можливість подальшого розвитку своїх робіт. Аналітична машина Беббіджа, проект якої він розробив у 1836-1848 рр. була механічним про­тотипом перших ЕОМ. У ній мали бути п'ять основ­них пристроїв: арифметичний, пам'яті, управлін­ня, уведення і виведення. Для арифметичного при­строю Ч. Беббідж використовував зубчасті колеса, на яких він мав намір побудувати пристрій пам'яті з тисячі 50-розрядних регістрів (по 50 коліс у кож­ному). Програма проведення обчислень записува­лася за допомогою пробивок на перфокартах, на яких записувалися початкові дані та результати обчислень. Крім чотирьох арифметичних операцій були введені операції умовного переходу та з кода­ми команд. Автоматичне виконання команд забез­печувалось пристроєм управління. Час додавання двох 50-розрядних чисел складав, за розрахунком ученого, 1 сек, множення—1 хв,

Програми обчислень для машини Беббіджа, складені дочкою Дж. Г. Байрона Адою Лавлейс (1815-1852), дуже схожі з програмами, складени­ми згодом для перших ЕОМ.

Механічний принцип побудови пристроїв, ви­користання десяткової системи числення, яка утруднювала створення   простої елементної бази, не дозволили повністю реалізувати задуми Ч. Беб­біджа, а обмежитися лише проектами. Якби вона була втілена в життя, то розмірами була б з величе­зний локомотив, а для приведення її в дію потрібен був би паровий двигун.

Не дивлячись на всі зусилля Ч. Беббіджа і Ади Лавлейс, побудувати машину не вдалося. Сучасни­ки, не бачачи конкретного результату, розчарува­лися в роботах ученого. Він випередив свій час. Пі­сля смерті Ч. Беббіджа Комітет Британської нау­кової асоціації, розглядаючи питання про долю не-закінченої аналітичної машини, відзначали, що успішна її реалізація буде означати епоху в історії обчислень.

Розроблена сучасни­ком Ч. Беббіджа Джор-джем Будем (1815-1864) алгебра логіки знайшла застосування лише у XX ст.,

коли знадобився апа­рат для проектування ЕОМ, що використовують двійкову систему числен­ня. "Поєднав" математи­чну логіку з двійковою системою числення та електричними колами американський учений Клод Шенон у своїй ди­сертації (1936 р.).

Через 63 роки після смерті Ч. Беббіджа знай­шлася людина, що втіли­ла в життя його ідею. Ним став німецький студент Конрад Цузе (1910-1987), який розпочав роботу над створенням машини в 1934 р., нічого не знаючи про машину Беббіджа, ро­боти Лейбніця, алгебру Буля. Він повернув до життя двійкову систему числення, а під час розра­хунку схем щось подібне до булевої алгебри. А в 1937 р. машина 21 (що озна­чало Цузе 1) була готова і запрацювала.

Ця машина також була чисто механічною, але двійкова система числення зробила чудо—машина займала всього два квадратних метри. Довжина слів складала 22 двійкових розряди (для мантиси зі зна­ком—15, порядку—7 розрядів). Виконання опера­цій відбувалося із застосуванням плаваючої коми, пам'ять містила 64 слова, числа і програма вводили­ся вручну. Через рік у машині (22) з'явився при­стрій для введення даних і програми за допомогою кінострічки, на яку перфорувалась інформація, а механічний арифметичний пристрій замінений був на пристрій послідовної дії на телефонних реле, в останньому К. Цузе допоміг австрійський інженер у галузі електроніки Т. Шрайєр. У 1941 р. К. Цузе з його допомогою створив релейну обчислювальну машину з програмним управлінням (23), яка місти­ла 2000 реле і мала основні характеристики 21 і 22. Машина 23 успішно експлуатувалася.

Ще в 1938 р. Шрайєр запропонував К. Цузе за­мість телефонних реле застосувати електронні лампи. Тоді Цузе відмовився від цієї ідеї, але в ро­ки війни він повернувся до можливості лампового варіанту машини. Друзі запропонували викорис­тати нову машину для розшифровування радіо­грам союзників. Але їхня ідея не була підтримана, і, можливо, Німеччина втратила шанс бути пер­шою у створенні ЕОМ.

Згодом К. Цузе організував невелику фірму, і її зусиллями були створені дві спеціалізовані релейні машини 81 і 82. Перша—для розрахунку крил "лі­таючих торпед"—літаків-снарядів, якими обстрі­лювали Лондон, друга—для управління ними. Вона була першою у світі управляючою обчислювальною машиною. До кінця війни К. Цузе створив ще одну релейну обчислювальну машину 24, якій одній су­дилося бути збереженою, оскільки решта була зни­щена під час бомбардувань Берліна.

Слід зазначити, що досягнення К. Цузе (перша релейна обчислювальна машина, вперше застосо­вана двійкова система числення, перша машина з програмним управлінням) не були відомими, крім Німеччини, у всьому світі через секретність прове­дених робіт. Про них дізналися через кілька років після війни.

По іншому розвивалися події у США. У 1944 р. учений Гарвардського університету Говард Айкен (1900-1973) створює першу в США релейно-механі­чну машину МАРК-1. За своїми характеристиками (продуктивність, обсяг пам'яті) вона була близькою до 23, але за розмірами значно більшою (17х2,5 м), вагою 5 т і мала 500 тис. механічних деталей, та ще й базувалася на десятковій системі числення. У лі­чильниках та регістрах пам'яті використовувалися зубчасті колеса, а управління і зв'язок між ними здійснювався за допомогою реле, кількість яких пе­ревищувала 3000. Машина конструктивно була схо­жою з машиною Ч. Беббіджа. Чудовою її якістю бу­ла надійність—у Гарвардському університеті вона пропрацювала 16 років.

Слідом за першою своєю машиною Г. Айкен створює ще три (МАРК-2, МАРК-3, МАРК-4) і та­кож з використанням реле, а не електронних ламп, пояснюючи це ненадійністю останніх. Про розроб­ку машин серії МАРК дізнався весь світ.

Зауважимо, що роботи зі створення МАРК-1 проводились на виробничих підприємствах фірми ІВМ. Після перевезення машини в університет іме­ні тодішнього її директора Томаса Уотсона не зга­дувалося серед імен творців. У відповідь на це під його керівництвом був створений електронно-ре­лейний монстр (23 тис. реле і 13 тис. електронних ламп), проте він виявився непрацездатним. На цьому гіганті завершилася епоха електро-механіч-них цифрових обчислювальних машин.

Про Г. Айкена слід зазначити, що він першим у світі почав читати лекції з нового предмета—нау­ки про комп'ютери, і одним із перших запропону­вав використати комп'ютери в ділових розрахун­ках і бізнесі.

Надходив час, коли обсяг розрахункових робіт у розвинутих країнах почав швидко зростати, осо­бливо у військовій техніці.

У 1941 р. співробітники лабораторії балістич­них досліджень Абердинського артилерійського полігону звернулися до технічної школи при Пен­сільванському університеті за допомогою у скла­данні таблиць стрільби для артилерійських гар­мат, розраховуючи на наявний в університеті ди­ференціальний аналізатор Буша. Проте фізик цієї школи Джон Мочлі (1907-1986) запропонував вій­ськовому відомству створити потужний комп'ютер на електронних лампах. Пропозиція не була б сприйнятою, якби не співробітники лабораторії, які добилися, щоб у 1943 р. була укладена угода з Пенсільванським університетом на створення об­числювальної машини, названої електронним ци­фровим інтегратором і комп'ютером (ЕНІАК). Ке­рівниками роботи були Дж. Мочлі й талановитий інженер-електронщик Дж. Преспер Еккерт (1919-1995). Напружена робота тривала до 1945р. і завершилася успішною роботою машини. Прав­да, за розмірами вона була ще більшою МАРК-1, довжиною 26 м, шириною 6 м і вагою 35 т, але могла виконувати операції в 1000 разів швидше за свою попередницю. В ЕШАК використовувалася десяткова система числення, розрядність—10 де­сяткових розрядів, обсяг електронної пам'яті—20 слів; уведення програми було з комутованого поля, що викликало незручності: зміна програми прово­дилася кілька годин, а то й днів.

У 1945 р. творці ЕНІАК розпочали розроб­ку нового цифрового ком­п'ютера ЕДВАК, у якому мали розміщувати про­граму в оперативній па­м'яті. У цей час до них приєднався в якості кон­сультанта один із розроб­ників проекту атомної бо­мби Джон фон Нейман (1903-1957), який після завершення робіт написав звіт про їх виконання.

Згодом у 1946 р. Нейманом, Голдстайном і Берксом був складений ще один звіт, який містив розгорну­тий і детальний опис принципів побудови елект­ронно-обчислювальних машин.

Викладені у звіті принципи зводилися до на­ступного.

1. Машини на електронних елементах повинні пра­цювати не в десятковій, а двійковій системі числення.

2. Програма повинна розміщуватися в одному з блоків машини—у запам'ятовуючому пристрої, що володіє достатнім обсягом і відповідними швидкостями вибірки і запису команд програми.

3. Програма, як і числа, записується у двійково­му коді, тобто числа і команди однотипні. Звідси випливає:

•проміжні результати обчислень, константи та інші числа можуть розміщуватися в тому ж за­пам'ятовуючому пристрої, що й програма;

•числова форма запису програми дозволяє маши­ні виконувати операції над величинами, якими закодовані команди програми.

4. Труднощі фізичної реалізації запам'ятовую­чого пристрою, швидкодія якого відповідає швид­кості роботи логічних схем, вимагає ієрархічної організації пам'яті.

5. Арифметичний пристрій машини конструює­ться на основі схем, що виконують операцію дода­вання, і створення спеціальних пристроїв для ви­конання інших операцій недоцільно.

6. У машині використовується паралельний принцип організації обчислювального процесу (операції над словами виконуються одночасно в усіх розрядах).

Ці принципи були висловлені не вперше, проте Дж. Нейман разом з колегами узагальнили досвід побудови цифрових обчислювальних машин і пе­рейшли від теоретичних основ (машина Тьюрінга) до практики побудови реальних ЕОМ. Згодом ці принципи і структура ЕОМ стали називатися нейманівськими.

Під керівництвом Дж. Неймана в Прінстонському інституті перспективних досліджень у 1952 р. була створена ще одна машина на електронних лампах МАНІАК (для розрахунків зі створення водневої бом­би), а в 1954 р. ще одна, уже без участі Дж. Неймана, яку в його честь назвали "Джонніак".

Дж. Мочлі і Дж. П. Еккерт, засмутившись з приводу того, що їхні імена не були названі у звіті Неймана, вирішили взяти патенти на ЕНІАК. Про­те їм було відмовлено. Їхні суперники відшукали, що ще в 1938—1941 рр. професор сільськогосподар­ського училища штату Айова Джон Атанасов (1903-1996), разом зі своїм помічником Кліфор-дом Бері розробили проект обчислювальної маши­ни з використанням двійкової системи числення, на електронних лампах і мав пам'ять на конденса­торах. Таким чином, піонером лампової техніки виявився Дж. Атанасов. А відносно зберігання програми в оперативній пам'яті, то виявилося, що ще в 1936 р. Алан Тьюрінг (1912-1953) висловив припущення про це.

Покладаючи, що найважливіша риса алгорит­му—це можливість механічного характеру його ви­конання, А. Тьюрінг запропонував для дослідження алгоритмів абстрактну машину, яку назвали "ма­шиною Тьюрінга". У ній він передбачив основні вла­стивості сучасного комп'ютера. Дані мали вводити­ся в машину з паперової стрічки, розділеної на кліт­ки-комірки. Кожна з них містила символ або була пустою. Машина могла опрацьовувати не лише за­писані на стрічці символи, але й змінювати їх, сти­раючи старі й записуючи нові у відповідності з інст­рукціями, які зберігаються в її внутрішній пам'яті. Для цього вона доповнювалася логічним блоком, що містив функціональну таблицю, яка визначала послідовність дій машини, тобто А. Тьюрінг пере­дбачив наявність запам'ятовуючого пристрою для збереження програми.

У 1942-1943 рр. в Англії під його керівництвом секретно була побудована й успішно експлуатува­лася перша у світі спеціалізована машина "Ко­лосе" на електронних лампах (2000 піт.) для роз­шифровування радіограм німецьких радіостанцій.

Проте у практичному плані Дж. Мочлі і П. Ек-керт дійсно виявилися першими, хто, зрозумівши доцільність зберігання програми в оперативній па­м'яті машини (незалежно від А. Тьюрінга), заклали це в реальну машину—свою другу машину ЕДВАК. На жаль, її розробка затрималася і вона була введе­на в експлуатацію лише в 1951 р.  На цей час у Англії вже два роки працювала ЕОМ зі збереженням програми в оперативній пам'яті. А справа виявилася в тому, що в 1946 р

. в Пенсільван­ському університеті Дж. Мочлі прочитав курс лек­цій з принципів будови ЕОМ. Серед слухачів був та­лановитий молодий англійський учений Моріс Уїлкс (нар. 1905 р.), який, повернувшись на батькі­вщину, зміг швидко створити ЕОМ ЕДСАК (1949 р.) послідовної дії з пам'яттю на ртутних трубках з ви­користанням двійкової системи числення і збере­женням програми в оперативній пам'яті. У 1951 р. він запропонував мікропрограмне управління па­м'яттю. ЕДСАК став прототипом першої у світі се­рійної комерційної ЕОМ ЛЕО  (1953 р.).

У 1996 р. за ініціативою Пенсільванського уні­верситету багато країн світу відзначили 50-річчя ін­форматики, пов'язавши його зі створенням ЕНІАК.

У другій половині XX ст. розвиток технічних за­собів пішов значно швидше. Ще швидше розвивала­ся сфера програмного забезпечення, нових методів числових обчислень, теорія штучного інтелекту.

У наступному номері журналу ми покажемо, яким чином відбувався розвиток цифрової техніки в Україні. Розглянемо матеріал про "мислячу маши­ну" професора О.М. Щукарьова (1914 р.) і першу на континенті обчислювальну машину МЕСМ (1951 р.), створену під керівництвом С.О. Лебедєва.