Тема 3

Значение электроники и КТ сегодня. Экскурс в историю развития вычислительной техники (Паскаль, Лейбниц, Бэббидж, Холлерит, Буль, Шеннон). Двоичная система и булева алгебра, логические вентили. Первые двоичные ЭВМ на лампах. Принципы неймановской архитектуры. Развитие элементной базы (транзисторы, МОП - транзисторы, СБИС, проблемы дальнейшей интеграции). Персональные компьютеры, причины их популярности. Выводы из исторического обзора.

Значение электроники и КТ сегодня

Жизнь современного человека, идущего в ногу со временем, немыслима без компьютеров и цифровых технологий. В наше время, практически все сферы человеческой деятельности, так или иначе, связанны с компьютерами. Несомненно, с течением времени вычислительные устройства будут совершенствоваться и уже никогда не уйдут из нашей жизни. Компьютер представляет собой одно из самых удивительных и значительных достижений человеческого труда и мысли. Для большинства из нас компьютер не роскошь, а неотъемлемое средство домашней или рабочей обстановки.

А ещё каких-то десять пятнадцать лет тому назад компьютеры были мало кому доступны, потому что стоили достаточно дорого. Далеко не каждая фирма могла себе позволить иметь в своем офисе эту незаменимую вычислительную машину. Сегодня компьютеры окружают нас везде – дома, на работе и даже в пути. По статистике компьютер имеется в каждом третьем доме. К сожалению, компьютерная техника, какая бы совершенная она ни была, имеет свойство ломаться. В подобных ситуациях может понадобиться срочная компьютерная помощь, которую оказывают высококвалифицированные специалисты сервисных центров.

Экскурс в историю развития вычислительной техники (Паскаль, Лейбниц, Бэббидж, Холлерит, Буль, Шеннон).

История возникновения вычислительной техники

С развитием торговли начали возрастать потребности в средствах вычисления. Это привело к созданию новых счетных инструментов. Одним из них является абак.

Абак - это греческое слово, переводится оно как счетная доска. Простейшая форма абака действительно представляла собой специальную доску. На ней острой палочкой проводили линии, и какие-нибудь предметы, например камешки или палочки, размещались в получившихся колонках по позиционному принципу, а чтобы они не скатывались, доска покрывалась слоем песка или пыли.

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

С давних времен в Китае использовался счетный прибор суан-пан (китайская разновидность абака), по конструкции напоминающий современные русские торговые счеты.

Японский соробан происходит от китайского суан-пана, который был завезен в Японию в XV - XVI вв.

Русские счеты появились примерно на рубеже XVI - XVII вв.

Суммирующая машина Паскаля

Первые идеи механизировать вычислительный процесс появились еще в XVII в. В 1623 г. Профессор математики и астрономии университета в Тюбингене Вильгельм Шиккард описал устройство и принцип действия первой счетной машины, суммирующее устройство которое является соединением зубчатых передач. Оно имело несколько осей с десятизубыми шестернями и вспомогательными однозубыми колесами для передачи десятка в следующий разряд. Изобретение В. Шиккарда не нашло применения.

Впрочем, как оказалось позже, машина Шиккарда была не первой. Это выяснилось в 1967 г., когда в Национальной библиотеке в Мадриде были обнаружены два тома неопубликованных рукописей Леонардо да Винчи. Среди чертежей I тома имелся эскиз тринадцатиразрядного суммирующего устройства с десятизубыми колесами. Такая машина была построена по эскизу и оказалась работоспособной. Тем не менее известность получила только механическая суммирующая машина знаменитого французского ученого Блеза Паскаля, изготовленная им в 1642 г., которую и следует рассматривать как первую из действующих механических вычислительных машин.

Арифметическая машина Лейбница

Арифметическая машина Лейбница, созданная в 1670 г., была первым в мире арифмометром-машиной, предназначенной для выполнения четырех действий арифметики.

Вклад русских изобретателей

Большой вклад в развитие счетной техники внес известный русский математик академик П. Л. Чебышев (1821-1894). Среди многочисленных изобретенных им механизмов имеется арифмометр, сконструированный в 1878 г., который в то время был одной из самых оригинальных вычислительных машин.

Во всех счетных машинах до Чебышева после счета десяти единиц младшего разряда мгновенно дискретно изменялась на единицу цифра следующего старшего разряда. В предложенной Чебышевым конструкции счетчика специальная система зубчатых передач

производила передачу единицы переноса, так что единица следующего старшего разряда появлялась постепенно, по мере увеличения числа в предыдущем разряде. Такой арифмометр был надежен и позволял увеличивать скорость счета без механических толчков, неизбежных при дискретной передаче.

Не менее интересным и важным изобретением русских ученых, только уже в области механических машин непрерывного действия, являлся интегратор для решения дифференциальных уравнений. Он был изобретен и построен в 1912 г. великим русским математиком и инженером А. Н. Крыловым (1863-1945). Это была первая интегрирующая машина непрерывного действия, позволявшая решать дифференциальные уравнения до четвертого порядка.

Прообраз современных эвм

Идея полностью автоматической вычислительной машины с программным управлением принадлежит профессору Кембриджского университета, замечательному английскому ученому, инженеру и изобретателю Чарльзу Бэббиджу. Изобретение это настолько опередило свое время, что не было реализовано при жизни его автора.

В 1834 г. Бэббидж изобрел универсальную вычислительную машину с программным управлением, которую назвал аналитической, способную выполнять вычислительные алгоритмы любой сложности. Аналитическая машина Бэббиджа по проекту включала четыре основные части.

Первая часть - блок для хранения исходных чисел и промежуточных результатов. Он состоял из набора колес, где каждая цифра обозначалась, как и в арифмометрах, углом поворота колеса. Эти колеса собирались в регистры для хранения многоразрядных десятичных чисел. Бэббидж называл такое устройство «складом» (в современной терминологии это память). Ученый считал, что запоминающее устройство должно иметь емкость в 1000 чисел по 50 десятичных знаков, с тем чтобы был некоторый запас в точности и емкости.

Вторая часть - блок, в котором осуществлялись необходимые операции над числами, взятыми из «склада». Бэббидж называл его «мельницей», сейчас же подобное устройство называют арифметическим. Время на производство арифметических операций оценивалось Бэббиджем следующим образом: сложение или вычитание - 1 секунда; умножение (двух пятидесятиразрядных чисел) - 1 минута; деление (сторазрядное число на пятидесятиразрядное) 1 минута.

Третью часть составлял блок, управляющий последовательностью операций, выполняемых над числами (в нашей терминологии устройство управления).

И четвертая часть - блок для ввода исходных данных и печати результатов, т. е. устройство ввода-вывода.

Для устройства управления Бэббидж предложил применять механизм, аналогичный механизму ткацкого станка Жаккара. Идея заключалась в том, чтобы заставить два жаккаровских механизма с цепочкой карт в каждом управлять действиями машины. Один механизм с картами операций должен был соединяться с «мельницей» и приводить ее в состояние готовности для выполнения арифметических операций, заданных пробитыми отверстиями в соответствующей карте. Второй механизм предназначался для управления переносом чисел из «склада» в «мельницу» и обратно. Таким образом, с помощью карт Жаккара - прообраза современных перфокарт - Бэббидж предполагал осуществлять автоматическое управление процессом механических вычислений.

Премерно через 20 лет после смерти Чарльза Бэббиджа был сделан следующий важный шаг на пути автоматизации вычислений американцем Германом Холлеритом (1860 - 1929). Он изобрел электромеханическую машину для вычислений с помощью перфокарт, получившую название счетно-аналитической.