2. История создания вычислительных машин
2.1. Механический этап
Изучая историю автоматизации вычислений, мы должны опираться на основные технологические параметры, приведенные в предыдущем разделе. Эти параметры, определяемые технологией, доступной на данном этапе прогресса, и определяют уровень развития вычислительной техники.
Первый этап опирается на механические устройства. На этом этапе были созданы арифмометры – устройства, позволяющие ускорить выполнение простейших арифметических операций. Несмотря на то, что первые арифмометры описаны еще в XVIIвеке, их серийный выпуск был налажен только в концеXIXвека. Проблема заключалась в том, что механические устройства всегда имеют слишком высокую энергоемкость переключений, а главное крайне ненадежны. Ненадежность заключается в низкой точности изготовления механических деталей, в их износе в ходе эксплуатации. На механической основе не удается добиться высокой скорости переключений, невозможно достаточно просто организовать хранение данных. Следует заметить, что способ хранения данных был разработан в началеXIXвека и заключался в пробивании определенного набора отверстий в носителе, однако быстрые запись и чтение при этом были невозможны.
Первые теоретические работы, описывающие машину, позволяющую автоматизировать процесс вычислений, были сделаны в середине XIXвека Чарльзом Бэббиджем. Им же был предложен аналитический язык, позволяющий задавать процесс вычислений. Однако, при наличии только механической базы для построения машины, все эти работы имели только теоретическое значение.
2.2. Электромеханический этап
Следующий этап связан с появлением электрических и электромеханических устройств в конце XIXвека. Электрический ток позволяет передавать энергию с малыми потерями, высокой точностью и скоростью, электрические проводники не изнашиваются в ходе работы, электромеханические узлы не требуют такой же точности изготовления, как механические и самое главное достоинство электрических устройств перед механическими – это отсутствие инерции электромагнитного поля. Преодоление инерции требует большой энергии, а значит накладывает сильные ограничения на быстродействие машин.
Благодаря появлению надежных электрических устройств, в начале XXвека широкое распространение получилианалоговые вычислительные машины(АВМ). Принцип работы АВМ значительно отличается от принципа работы цифровых ЭВМ. По сути, АВМ просто моделируют физический процесс на электрической схеме.
В то же время удалось сделать первые шаги в организации хранения данных. Технология заключалась в том, что данные записывались пробиванием отверстий в материале-носителе. Далее этот материал пропускался между электрическими контактами. Наличие или отсутствие контакта (в зависимости от наличия отверстия) в соответствии с двоичным алфавитом означало 0 или 1. Материал для пробивания дырок может быть технически оформлен, например, в виде перфокарт – прямоугольных листов из картона размером с половину книжной страницы. Такая технология имеет крайне высокую себестоимость хранения (из-за большого объема и массы материала, в частности, закодированный текст имел большую массу, чем такой же печатный). Эта технология имеет очень низкую скорость доступа, так как подвижные электрические контакты для надежности срабатывания должны иметь определенную упругость (прижиматься с определенной силой), что ограничивает частоту их колебаний, а значит и скорость считывания. Скорость записи при использовании такой технологии еще меньше, так как пробивание дырок требует большей энергии. Самая большая проблема бумажных носителей – поиск информации, так как большая перфокарта неудобна для обращения, а поиск в большом числе перфокарт крайне сложно организовать. Все эти недостатки усугубляются ненадежностью системы, так как отверстия могут засоряться, материал изнашиваться и рваться. Несмотря на все недостатки, такая технология хранения данных позволила создать счетно-перфорационные машины, позволяющие обрабатывать большие объемы статистической информации.
Технология, взявшая за основу электромеханические устройства, уже была готова к созданию цифровых вычислительных машин. Для построения цифровой ЭВМ по принципам, предложенным Чарльзом Бэббиджем, требовалось создать теоретическое обоснование. Становилось понятным, что в отличие от арифмометра, где процесс вычислений до каждого действия полностью контролировался человеком, более совершенная машина должна выполнять все действия самостоятельно по некоторому алгоритму, то есть действовать как автомат. Абстрактным автоматомназывают объектА=А(U,X,Y,d,l), состоящий из трёх непустых множеств:U– состояний,Х– входных сигналов,Y– выходных сигналов, и двух функций, осуществляющих однозначное отображение множестваU´ХвU,d(а, х) переходов и множестваU´ХвY,l(а, x) выходов.
Первые шаги по созданию ЭВМ заключались в развитии теории автоматов. Наиболее хорошо была разработана теория конечных автоматов. Абстрактный автомат представляет из себя конечный автомат, если множестваU,X,Y– конечны. Конечный автомат из-за отсутствия универсальности не может быть прототипом ЭВМ в целом, так как ограниченное число его состояний позволяет решать только ту задачу, для которой конечный автомат был изготовлен. С другой стороны, отдельные узлы ЭВМ должны были представлять из себя конечные автоматы, так как другого способа их реализации просто не было.
Впервые теоретическая возможность появления ЭВМ была показана в 1936 году в работе английского математика Алана Тьюринга, посвященной оптимизации процесса вычислений. Тьюринг анализировал действия человека, который выполняет в соответствии с разработанным планом некоторые вычисления. Эти действия были формализованы Тьюрингом в виде автомата, получившего название автомат Тьюрингаилимашина Тьюринга.
Устройство машины Тьюринга описано в [1] и также приведено в Приложении в конце главы.
Рис. 1
Как можно видеть из описания машины Тьюринга, приведенного в Приложении, она состоит из двух частей – каретки и ленты (см. рис. 1). Таким образом сформировались основные представления об основных составляющих цифровой вычислительной машины. Кареткапредставляет из себя устройство обработки, алента –устройство хранения данных. Требования к обоим устройствам рассмотрены ранее.
Как заставить конечный автомат исполнять любые алгоритмы? Каждый алгоритм должен быть формализован в виде ограниченного набора команд. Каждая команда запускает конечный автомат каретки на выполнение определенных действий, каждое действие приводит к неким операциям над данными в ячейках на ленте. Так как набор команд ограничен, конечный автомат справится с такой задачей. Команды выполняются в определенном порядке, причем конечный автомат каретки устроен так, что сами команды могут указывать порядок их выполнения. Совокупность организованных подобным образом команд называется программой. Составить алгоритм в виде набора таких команд – значит написать программу. Так как количество комбинаций, в которые можно расставить команды, даже на короткой ленте огромно, машина Тьюринга может реализовать с помощью малого набора команд огромное количество алгоритмов. Очень важно еще и такое свойство: изначально недоступные нашему конечному автомату, но необходимые для работы команды могут быть реализованы при помощи набора других (доступных) команд, если их расставить на ленте соответствующим образом. Более того, Тезис Тьюрингаутверждает, что любой алгоритм может быть промоделирован на машине Тьюринга. С учетом развития ЭВМ за все последнее время это кажется справедливым.
Общий вывод. Машина Тьюринга, в отличие от конечных автоматов, могла быть положена в основу автоматического вычислительного устройства. Первые ЭВМ такого вида стали появляться в 40-х годах, в том числе под руководством самого Тьюринга в 1943 году была реализована одна из ЭВМ. Все эти машины были построены на основе электромеханических реле.
С появлением первых цифровых машин резко проявились технологические проблемы, которые заключались прежде всего в необходимости усиления электрического сигнала. Как оказалось, в ходе работы вычислительной машины электрический ток, проходящий по одной линии, должен управлять прохождением токов по другим линиям (и количество управляемых линий растет с увеличением сложности машины). Вполне логично требуется, чтобы энергия всех управляющих токов была одинаковой (или почти одинаковой). Это значит, что энергия сигнала в одном управляющем проводнике должна быть многократно увеличена в управляемых проводниках. Усилители сигнала, доступные до середины XXвека, были электромеханическими (ток, пропущенный в электромагнитной катушке, управлял механическим размыканием/замыканием контактов, так называемоереле), и пусть значительно в меньшей степени, но обладали почти всеми недостатками, присущими механическим устройствам. Это: низкая надежность из-за загрязнения, коррозии электрических контактов и износа механических узлов; высокая энергия переключения из-за необходимости перемещать сердечник и преодолевать упругость контактов (снижение упругости – снижает надежность переключения). Надежность релейных машин была настолько низкой, что они не могли быть пущены в серию, требовали тщательного обслуживания и не позволяли увеличивать скорость переключения.