Механические калькуляторы

Одним из самых первых вычислительных устройств является абак, используемый уже более 2000 лет. Абак представляет собой деревянную раму, содержащую ряд параллельных прутьев с камешками или костяшками. Существует ряд правил, согласно которым костяшки перемещаются в правую или левую сторону абака, что позволяет выполнять различные арифметические операции. (Бухгалтерские счеты, например, являются дальним родственником абака.)

Первая европейская машина была создана Непером (создателем логарифмов) в начале XVII века. Она могла выполнять операцию умножения двух чисел.

В 1642 году Блез Паскаль создал прообраз цифровой вычислительной машины, позволяющей проводить операции сложения чисел. Машина предназначалась отцу Паскаля, который работал сборщиком налогов. Позднее, в 1671 году, Готфрид Вильгельм фон Лейбниц разработал вычислительную машину, построив ее только в 1694 году. Она позволяла выполнять операции сложения и умножения чисел.

Первый коммерческий механический калькулятор был создан Чарльзом Ксавьером Томасом в 1820 году. Это была "совершенная" машина - она выполняла операции сложения, вычитания, умножения и деления.

Первый механический компьютер

Отцом этого компьютера можно по праву назвать Чарльза Бэббиджа, профессора математики Кембриджского университета. Эта машина, созданная в 1812 году, могла решать полиномиальные уравнения различными методами. Создав в 1822 году небольшую рабочую модель своего компьютера и продемонстрировав ее Британскому правительству, Бэббидж получил средства на дальнейшее развитие своей системы. Новая машина была создана в 1823 году. Она была паровой, полностью автоматической и даже распечатывала результаты в виде таблицы.

Работа над этим проектом продолжалась еще 10 лет, и в 1833 году был создан первый "многоцелевой" компьютер, названный аналитической машиной. Она могла оперировать числами с 50 десятичными знаками и сохраняла до 1 000 чисел. Впервые в этой машине было реализовано условное выполнение операций - прообраз современного оператора IF.

Аналитическая машина Бэббиджа на полном основании считается предшественником современного компьютера, так как содержит в себе все ключевые элементы, из которых состоит компьютер.

Устройство ввода данных. В машине Бэббиджа был применен принцип ввода данных с помощью перфокарт, когда-то используемый в ткацких станках на текстильных фабриках.

Блок управления. Для управления или программирования вычислительного устройства использовался барабан, содержащий множество пластин и штифтов.

Процессор (или вычислительное устройство). Вычислительная машина высотой около 10 футов, содержащая в себе сотни осей и несколько тысяч шестеренок.

Запоминающее устройство. Блок, содержащий еще больше осей и шестеренок, позволяющий хранить в памяти до тысячи 50-разрядных чисел.

Устройство вывода. Пластины, связанные с соответствующей печатной машиной, использовались для печати полученных результатов.

К сожалению, из-за недостаточной точности механической обработки шестеренок и механизмов первый потенциальный компьютер так и не был полностью построен. Технологический уровень производства того времени был слишком низок.

Интересно, что идея использования перфорационных карт, впервые предложенная Бэббиджем, воплотилась только в 1890 году. В том году проводился конкурс на лучший метод табулирования материалов переписи США, победителем которого стал служащий бюро переписи Герман Холлерит (Herman Hollerith), предложивший идею перфокарт. Для ручной обработки данных переписи служащим бюро потребовались бы целые годы. Использование же перфорационных карт позволило уменьшить время табулирования примерно до шести недель. Впоследствии Холлерит основал компанию Tabulating Machine Company, которая многие годы спустя стала известна как IBM.

Одновременно с другими фирмами IBM разработала целую серию улучшенных счетно-перфорационных систем, содержавших огромное количество электромеханических реле и микродвигателей. Системы позволяли автоматически устанавливать определенное количество перфокарт в положение "считывание", выполнять операции сложения, умножения и сортировки данных, а также выводить результаты вычислений на перфорационных картах. Такие счетно-аналитические машины позволяли обрабатывать от 50 до 250 перфокарт в минуту, каждая из которых могла содержать 80-разрядные числа. Перфорационные карты служили не только средством ввода и вывода, но и хранилищем данных. На протяжении более чем 50 лет счетно-перфорационные машины использовались для самых разных математических вычислений и стали основой зарождения многих компьютерных компаний.

Электронные компьютеры

Физик Джон В. Атанасов вместе с Клиффордом Берри (Clifford Berry) с 1937 по 1942 год работали в университете штата Айова над созданием первой цифровой электронно-вычислительной машины. Компьютер Атанасова-Берри (названный впоследствии ABC - Atanasoff-Berry Computer) стал первой системой, в которой были использованы современные цифровые коммутационные технологии и вакуумные лампы, а также концепции двоичной арифметики и логических схем. После долгого судебного разбирательства федеральный судья США Эрл Р. Ларсон (Earl R. Larson) аннулировал 19 октября 1973 года патент, ранее выданный Эккерту (Eckert) и Мочли (Mauchly), официально признав Атанасова изобретателем первого электронного цифрового компьютера.

Использование вычислительной техники во время второй мировой войны послужило серьезным толчком для развития компьютеров. В 1943 году англичанин Алан Тьюринг завершил работу над созданием военного компьютера "Колосс", используемого для расшифровки перехваченных немецких сообщений. К сожалению, работа Тьюринга не была оценена по достоинству, так как конструкция "Колосса" в течение еще многих лет после окончания войны хранилась в секрете.

Помимо расшифровки неприятельских кодов, постепенно возникла потребность в выполнении баллистических расчетов и решении других военных задач. В 1946 году Джон П. Еккерт (John P. Eckert) и Джон В. Мочли (John W. Mauchly) вместе с сотрудниками школы электротехники Мура университета штата Пенсильвания создали первую комплексную электронно-вычислительную машину для военных целей. Эта система получила название ENIAC (Electrical Numerical Integrator and Calculator). Она работала с десятизначными числами и выполняла операции умножения со скоростью около 300 произведений в секунду,

находя значения каждого произведения в таблице умножения, хранящейся в оперативной памяти. Эта система работала примерно в 1 000 раз быстрее, чем электромеханические релейные вычислительные машины предыдущего поколения.

В компьютере ENIAC было около 18 тыс. вакуумных ламп; он занимал полезную площадь, равную 1 800 квадратным футам (что составляет примерно 167 квадратных метров) и потреблял приблизительно 180 тыс. ватт. Для ввода и вывода данных использовались перфорационные карты, а сумматоры предоставляли доступ вида чтение/запись к хранилищу данных.

Исполняемые команды, составляющие ту или иную программу, создавались с помощью определенной монтажной схемы и переключателей, которые управляли ходом вычислений. По существу, для каждой выполняемой программы приходилось изменять монтажную схему и расположение переключателей.

Патент на электронно-вычислительную машину был первоначально выдан Эккерту и Мочли. Но впоследствии, как вы уже знаете, этот патент был аннулирован и предоставлен Джону Атанасову, создавшему компьютер Атанасова-Берри (АВС).

Немногим ранее, в 1945 году, математик Джон фон Нейман (John von Neumann) доказал, что компьютер представляет собой целостную физическую структуру и может эффективно выполнять любые вычисления, с помощью соответствующего программного управления без изменения аппаратной части. Другими словами, программы можно изменять, не меняя аппаратного обеспечения. Этот принцип стал основным и общепринятым правилом для будущих поколений быстродействующих цифровых компьютеров.

Первое поколение современных программируемых электронно-вычислительных машин, использующих описанные нововведения, появилось в 1947 году. В их число вошли коммерческие компьютеры EDVAC и UNIVAC, в которых впервые использовалось оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), предназначенное для хранения данных и модулей программы. Как правило, программирование выполнялось непосредственно на машинном языке, несмотря на то что к середине 1950-х годов наука программирования сделала большой шаг вперед. Символом новой компьютерной эры стал UNIVAC (Universal Automatic Computer), первый по-настоящему универсальный буквенно-цифровой компьютер. Он применялся не только в научных или военных, но и в коммерческих целях.

Современные компьютеры

После появления UNIVAC темпы эволюции компьютеров заметно ускорились. В первом поколении компьютеров использовались вакуумные лампы, на смену которым пришли меньшие по размерам и более эффективные транзисторы.

От электронных ламп к транзисторам

Современный компьютер представляет собой набор электронных переключателей, которые используются как для представления информации в двоичном коде (в виде двоичных единиц - битов), так и для управления ее обработкой. Эти электронные переключатели могут находиться в двух состояниях - включено и выключено, что позволяет использовать их для хранения двоичной информации.

В первых компьютерах использовались так называемые триоды - вакуумные лампы, изобретенные Ли Де Форестом (Lee De Forest) в 1906 году. Триод состоит из трех