История развития средств вычислительной техники
От ручных приспособлений к механизации и автоматизации
Если рассмотреть историю развития производительных сил и производственных отношений, можно увидеть, как менялся характер производства: от ручного труда человечество перешло к использованию примитивных орудий труда, затем к механизации труда и далее к автоматизации труда. На последнем этапе XX в. мы наблюдаем новые тенденции гибкой автоматизации труда.
Простейшие ручные приспособления. Аналогичную картину мы можем наблюдать и в области вычислений. С самого начала зарождения рыночных отношений людям потребовались средства для исполнения взаиморасчетов. Простейшим вычислительным приспособлением стал абак. Он первоначально представлял собой глиняную пластину с желобами, в которых раскладывались камни, представляющие числа. Появление абака относят к четвертому тысячелетию до н. э. Местом появления считается Азия.
В средние века в Европе абак сменился разграфленными таблицами. Вычисления с их помощью называли счетом на линиях. Такие таблицы наносили на поверхность стола (не случайно сегодня в английском языке понятия «стол» и «таблица» обозначаются одним словом — «table»). В некоторых случаях счетные таблицы наносили не на поверхность стола, а на его скатерть. Подобными приспособлениями в первую очередь пользовались ростовщики и менялы. Возможность смены скатерти с таблицей они использовали для быстрого перехода от операций с одними денежными системами к операциям с другими системами.
В России счет на линиях не прижился. Здесь еще в средние века на основе абака было разработано другое приспособление —русские счеты. С точки зрения производительности труда, это чрезвычайно эффективное приспособление намного опередило уровень, достигнутый в средневековой Западной Европе. В отдельных случаях оно продолжает использоваться и по сей день.
Механические приспособления. Механизация вычислительных операций началась в XVII в. На первом этапе для создания механических вычислительных устройств использовались механизмы, аналогичные часовым.
Первое в мире механическое устройство для выполнения операций сложения было создано в 1623 г. Его разработал Вильгельм Шикард, профессор кафедры восточных языков в университете Тьюбингена (Германия). В наши дни рабочая модель устройства была воспроизведена по чертежам и подтвердила свою работоспособность. Сам изобретатель в письмах называл машину «суммирующими часами».
В 1642 г. французский механик Блез Паскаль (1623-1662) разработал более компактное суммирующее устройство (рис. 2.1), которое стало первым в мире механическим калькулятором, выпускавшимся серийно (главным образом для нужд парижских ростовщиков и менял). В 1673 г. немецкий математик и философ Г. В. Лейбниц (1646-1717) создал механический калькулятор, который мог выполнять операции умножения и деления путем многократного повторения операций сложения и вычитания.
Рис. 2.1. Суммирующая машина Паскаля
На протяжении XVIII в., известного как эпоха Просвещения, появились новые, более совершенные модели, но принцип механического управления вычислительными операциями оставался тем же.
Автоматизация вычислений. Идея автоматизации вычислительных операций пришла из той же часовой промышленности. Старинные монастырские башенные часы были настроены так, чтобы в заданное время включать механизм, связанный с системой колоколов. Такое программирование было жестким — одна и та же операция выполнялась в одно и то же время.
Гибкая автоматизация вычислительных операций. Идея гибкой автоматизации механических устройств с помощью перфорированной бумажной ленты впервые была реализована в 1804 г. в ткацком станке Жаккарда, после чего оставался только один шаг до гибкого управления вычислительными операциями. Этот шаг был сделан выдающимся английским математиком и изобретателем Чарльзом Бэббиджем (1792-1871) в его Аналитической машине, которая, к сожалению, так и не была до конца построена изобретателем при жизни, но была воспроизведена в наши дни по его чертежам, так что сегодня мы вправе говорить об Аналитической машине, как о реально существующем устройстве.
Рис. 2.2. Чарльз Бэббидж
Особенностью Аналитической машины стало то, что здесь впервые был реализован принцип разделения информации на команды и данные. Аналитическая машина содержала два крупных узла: «склад» и «мельницу». Данные вводились в механическую память «склада» путем установки блоков шестерен, а потом обрабатывались в «мельнице» с использованием команд, которые вводились с перфорированных карт.
Идея Ч. Бэббиджа о раздельном рассмотрении команд-п данных оказалась необычайно плодотворной. В XX в. она была развита в принципах Джона фон Неймана (1941 г.), и сегодня в вычислительной технике принцип раздельного рассмотрения программ и данных имеет очень важное значение. Он учитывается и при разработке архитектур современных компьютеров, и при разработке компьютерных программ.
В какой-то степени благодаря этому принципу функционирует современный Интернет. В состав Всемирной компьютерной сети входит множество самых разных моделей компьютеров, аппаратно несовместимых между собой, на которых работает множество несовместимых программ. Однако, тем не менее, это не мешает нам получать информацию, через какие бы компьютерные системы она ни транслировалась. Это возможно только благодаря тому, что данные рассматриваются отдельно от программ и несовместимость компьютеров и программ не влечет за собой несовместимость в данных. Удивительно, но еще 150 лет назад Чарльз Бэббидж, придумавший взаимодействие «мельницы» и «склада» в ходе автоматических вычислений, предвосхитил современный подход к информации как к продукту взаимодействия методов и данных.
Аналитическая машина Чарльза Бэббиджа может считаться первым в мире механическим компьютером. Как и всем механическим устройствам, ей были присущи такие недостатки, как конструктивная сложность, громоздкость, малая производительность. Однако, тем не менее, это все-таки был компьютер, поскольку машина была способна выполнять вычисления автоматически. Именно отсутствие автоматичности не позволяет рассматривать такие устройства, как абак и русские счеты, в качестве предшественников компьютера.
Современное представление о компьютере
Научно-технические достижения XX в. показали возможность автоматизации работ с данными за счет использования устройств не механического, а электронного типа. Это позволило повысить их надежность и производительность. Характерное отличие электронных устройств от механических заключается в том, что они регистрируют не перемещения элементов конструкции (реек, шестерен и т. п.), а состояния элементов устройства (электронных компонентов).
Устойчивых различимых перемещений в механических устройствах может быть сколько угодно, и механики всегда старались сделать свои механизмы так^ чтобы число этих состояний было кратно десяти — это удобно для работы с числами, записанными в привычной для нас десятичной системе. Для электронных устройств количество удобных различимых состояний меньше. Сегодня уверенно различимыми считают только два состояния: включено — выключено; заряжено —разряжено; есть контакт — нет контакта. Поэтому характерной особенностью электронных устройств является удобство работы с двоичным кодом. Числа, записанные в двоичном коде, не слишком наглядны для человека, но этот недостаток компенсируется тем, что электронные устройства сами переводят данные из любой системы в двоичную.
Однако у двоичного кода есть и преимущества. Так, например, в предыдущей главе мы видели, как с помощью двоичного кода можно выражать не только числа, но и тексты, изображения, музыку, видео и другие типы данных. Благодаря этой возможности современные компьютеры предназначены отнюдь не только для автоматизации вычислительных операций, но и для множества других операций с данными, представленными в самой разной форме.
Совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных, называют вычислительной техникой. Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенный для обслуживания одного рабочего участка, называют вычислительной системой. Центральным устройством большинства вычислительных систем является компьютер.
В современном понимании компьютер — это универсальный электронный прибор, предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработки, транспортировки и воспроизведения данных.
