Розділ 1. Історія розвитку комп'ютерної техніки.

1. Створення перших комп'ютерів

За всіх часів людям потрібно було рахувати. У далекому минулому вони рахували на пальцях чи роблячи насічки на кістках. Згодом з'явилися перші ручні обчислювальні інструменти. Натепер найскладніші обчислювальні задачі, як і безліч інших операцій, здавалося б не пов'язаних з числами, виконують за допомогою «електронного мозку» - комп'ютера. Жодна інша машина в історії не привнесла в людську діяльність настільки швидких і глибоких змін. Комп'ютери стали органічною складовою сучасного життя, і обійтися тепер без них майже неможливо.

Незважаючи на бурхливий технічний прогрес, закладення фундаменту комп'ютерної революції відбувалося повільно і далеко не просто. Початком цього процесу можна вважати винахід рахівниці (рис. 1.1) понад 1 500 років тому у країнах Середземномор'я. Рахівниці виявилися дуже ефективним інструментом і незабаром поширилися по всьому світу, а в деяких країнах використовуються й донині.

Наступним після рахівниць пристроєм, що полегшує множення і ділення чисел та деякі інші розрахунки, стала логарифмічна лінійка, винайдена наприкінці 1620-х років (уперше логарифми були введені в практику після праці шотландця Джона Непера, опублікованої в 1614 p.).

П ерший механічний рахунковий пристрій створив у 40-х роках XVII ст. видатний французький математик, фізик, письменник і філософ Блез Паскаль (на його честь названо одну з найпоширеніших сучасних мов програмування). Підсумовувальна машина Паскаля - «паскалина» (рис. 1.2) являла собою ящик з численними шестеренками. Інші операції, крім додавання, виконувалися за досить незручною процедурою повторних додавань.

Рис. 1.1. Рахівниця (III століття)

Рис.1.2. Підсумовувальна машина Паскаля (1642)

Першу машину, що дозволяла легко виконувати розрахунки, множення і ділення, - механічний калькулятор, винайшов у 1673 р. у Німеччині Готфрід-Вільгельм Лейбніц (рис. 1.3). Надалі конструкцію механічного калькулятора видозмінювали і доповнювали вчені та винахідники різних країн (зокрема, ручне обертання каретки в електромеханічному калькуляторі було замінено на привод від убудованого в цей калькулятор електродвигуна). І механічний, і електромеханічний калькулятори, так само, як і логарифмічну лінійку, використовували донедавна, поки їх не витіснили електронні калькулятори.

З усіх винахідників минулих часів, які зробили той чи той внесок у розвиток обчислювальної техніки, найближче до створення комп'ютера в сучасному його розумінні підійшов англієць Чарльз Беббідж. У 1822 р. Беббідж опублікував наукову статтю з описом машини, здатної розраховувати і друкувати великі математичні таблиці. Того ж року він побудував пробну модель своєї різницевої машини (рис. 1.4), що складалася із шестерень і валиків, які обертали вручну за допомогою спеціального важеля. Протягом наступного десятиліття Беббідж, невтомно працюючи над своїм винаходом, намагався її реалізувати на практиці. Однак, продовжуючи працювати в цьому напрямі, він прийшов до ідеї створення ще більш потужної машини, яку назвав аналітичною.

Рис. 1.3. Калькулятор Лейбніца (1673 р.)

Рис. 1.4. Різницева машина Беббіджа (1822 р.)

Аналітична машина Беббіджа на відміну від своєї попередниці мала не просто розв'язувати математичні задачі одного типу, але й виконувати різноманітні обчислювальні операції відповідно до інструкцій, задаваних оператором. Аналітична машина повинна була мати такі компоненти, як «млин» і «склад» (за сучасною термінологією - арифметичний пристрій і пам'ять), що складаються з механічних важельців і шестерень. Інструкції, чи команди вводилися в аналітичну машину за допомогою перфокарт (аркушів картону з пробитими в них отворами), уперше використаних у 1804 р. французьким інженером Жозефом Марі Жаккаром для керування роботою ткацьких верстатів.

Однією з тих, хто розумів, як працює машина і які потенційні галузі її застосування, була графиня Лавлейс, уроджена Огаста Ада Байрон, єдина законна донька поета лорда Байрона (на її честь названо одну з мов програмування - Ada). Графиня, маючи неабиякі математичні та літературні здібності, всіляко сприяла здійсненню проекту Беббіджа.

Однак на основі сталевих, мідних і дерев'яних деталей, годинних механізмів, що приводяться в дію паровим двигуном, аналітичну машину не можна було реалізувати, і її так і не було побудовано. Усе, що дійшло від неї до наших днів, - це креслення і рисунки, що дозволили відтворити модель цієї машини (рис. 1.5), а також невелика частина арифметичного пристрою і друкувальний пристрій, сконструйований сином Беббіджа.

Л ише через 19 років після смерті Беббіджа один із принципів, що лежить в основі ідеї аналітичної машини, - використання перфокарт - знайшов втілення в діючому пристрої. Це - статистичний табулятор (рис. 1.6), побудований американцем Германом Холлерітом з метою прискорити оброблення результатів перепису населення, що проводився в США в 1890 р. Після успішного використання табулятора для перепису Холлеріт організував фірму з виробництва табуляторних машин (Tabulating Machine Company). З роками підприємство Холлеріта зазнало чимало змін - злиттів і перейменувань. Остання така зміна відбулася в 1924 р., за 5 років до смерті Холлеріта, коли він створив Міжнародну корпорацію машин для бізнесу (IBM - International Business Machines Corporation).

Рис. 1.6. Табулятор Холлеріта (1890 р.)

Рис. 1.5. Модель аналітичної машини Беббіджа (1834 р.)

Ще одним чинником, що сприяв появі сучасного комп'ютера, стали праці з двійкової системи числення. Одним з перших, хто зацікавився двійковою системою, був німецький учений Готфрід-Вільгельм Лейбніц. У своїй праці «Мистецтво складання комбінацій» (1666 р.) він заклав основи формальної двійкової логіки. Але основну лепту у дослідження двійкової системи числення вніс англійський математик-самоучка Джордж Буль. У праці «Дослідження законів мислення» (1854 р.) він винайшов своєрідну алгебру - систему позначень і правил, застосовну до різних об'єктів - від чисел і букв до речень (цю алгебру потім назвали на його честь булевою алгеброю). Користуючись цією системою, Буль міг закодувати висловлення, твердження, істинність чи хибність яких потрібно було довести за допомогою символів своєї мови, а потім маніпулювати цими символами як двійковими числами.

У 1936 р. випускник одного з американських університетів Клод Шеннон довів, що якщо побудувати електричні кола відповідно до принципів булевої алгебри, то вони могли б виражати логічні висловлення, визначати істинність тверджень, а також виконувати складні обчислення, і впритул наблизився до теоретичних основ побудови комп'ютера.

Ще троє дослідників - двоє в США (Джон Атанасофф і Джордж Стібіц) і один у Німеччині (Конрад Цузе) - розвивали одні й ті самі ідеї майже одночасно. Незалежно один від одного вони зрозуміли, що булева логіка може послужити дуже зручною основою для конструювання комп'ютера. Першу грубу модель обчислювальної машини на електричних схемах побудував Атанасофф (1939 р.). У 1937 р. Джордж Стібіц склав першу електромеханічну схему, що виконує операцію двійкового додавання (тепер двійковий суматор, як і раніше, залишається одним з основних компонентів будь-якого цифрового комп'ютера). Ще через два роки Стібіц разом з інженером-електриком фірми Семюелімом Уільямсом розробили пристрій, здатний виконувати операції додавання, віднімання, множення і ділення комплексних чисел.

Н е маючи ніякого уявлення про працю Чарльза Беббіджа і Буля, Конрад Цузе в Берліні почав розробляти універсальну обчислювальну машину, багато в чому подібну до аналітичної машини Беббіджа. Перший варіант машини, названої Z1, був створений у 1938 р. Дані в машину вводилися з клавіатури, а результат виводився на панелі з безліччю маленьких лампочок. У другому варіанті машини Z2 дані вводилися за допомогою перфорованої фотоплівки (рис. 1.7).

Спонукальним потужним імпульсом розвитку обчислювальної теорії і техніки стала Друга світова війна. Було зібрано воєдино розрізнені досягнення вчених і винахідників, які внесли свою лепту у розвиток двійкової математики, починаючи з Лейбніца.

На замовлення командування військово-морського флоту та за фінансової і технічної підтримки фірми IBM гарвардський математик Говард Ейкен приступив до розроблення машини, в основу якої лягли ідеї Беббіджа і технологія XX ст.

О

Рис. 1.7. Перший універсальний комп'ютер Конрада Цузе (1941 р.)

пису аналітичної машини самим Беббіджем виявилося більше, ніж досить. Як перемикальні пристрої в машині Ейкена застосовували прості електромеханічні реле (причому використовувалася десяткова система числення); інструкції оброблення даних були записані на перфострічці, а дані вводилися в машину у вигляді десяткових чисел, закодованих на перфокартах фірми IBM. Машину, названу Марк-1, уперше успішно випробувано на початку 1943 р. Машина Марк-І, завдовжки майже 17 м і заввишки понад 2,5 м містила близько 750 тис. деталей, з'єднаних проводами загальною довжиною близько 800 км (рис. 1.8). Машину стали використовувати для виконання складних балістичних розрахунків, причому протягом одного дня вона виконувала такий обсяг обчислень, який раніше виконувався майже півроку.

Однак машина Марк-1 застаріла ще до того, як була побудована. У 1941 p., майже за два роки до того, як Марк-1 почала працювати, Конрад Цузе побудував діючий комп'ютер - програмно-керований пристрій, оснований на двійковій системі числення. Машина Z3 була значно меншою від машини Ейкена, а її виробництво набагато дешевшим. Як машина Z3, так і її «спадкоємець» Z4 використовувалися для розрахунків, пов'язаних з конструюванням літаків і ракет.

Рис. 1.8. Програмно- керований комп’ютер Марк-1 (1943р.)

Для пошуку способів розшифрування секретних німецьких кодів британська розвідка зібрала групу вчених і поселила їх неподалік від Лондона в ізольованому маєтку. У цій групі були представники різних спеціальностей - від інженерів до професорів літератури. Входив у цю групу і математик Алан Тьюрінг. Ще в 1936 р. у віці 24 років він у своїй праці описав абстрактний механічний пристрій - «універсальну машину», яка мала справлятися з будь-якою припустимою, теоретично розв'язною задачею - математичною чи логічною. Деякі ідеї Тьюрінга в кінцевому підсумку знайшли відображення в реальних машинах, побудованих групою вчених. Спочатку вдалося створити кілька дешифраторів на основі електромеханічних перемикачів. Однак наприкінці 1943 р. було створено набагато потужнішу машину, яка замість електромеханічних реле містила близько 2000 електронних вакуумних ламп. Цю машину назвали Колос. Тисячі перехоплених за день ворожих повідомлень уводилися в пам'ять Колоса у вигляді символів, закодованих на перфострічці (рис. 1.9).

Водночас у США на потребу воєнного часу появився пристрій, що за принципами роботи і застосування був теоретично наближений до «універсальної машини» Тьюрінга. Машина Еніак (ENIAC - Electronic Numerical Integrator and Сотриter - електронний цифровий інтегратор і комп'ютер), як Марк-1 Говарда Ейкена, також призначалася для вирішення завдань балістики. Головним консультантом проекту був Джон У. Мочлі, головним конструктором -Дж. Преспер Екерт. Передбачалося, що конструкція машини буде містити 17 468 ламп. Таку кількість ламп почасти зумовлено тим, що Еніак мала працювати з десятковими числами. Наприкінці 1945 р. Еніак було нарешті складено (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Електронна цифрова машина Еніак (1946 р.)

Рис. 1.9. Машина Колос для розшифрування кодів (1943р.)

Однак не встигла Еніак поступити в експлуатацію, як Мочлі й Екерт уже працюва­ли на замовлення військових над новим комп'ютером. Головний недолік комп'ютера Еніак - апаратна реалізація програм за допомогою електронних схем. Наступна модель - машина Едвак - створена на початку 1951 p. (EDVAC від Electronic Discrete Automatic Variable Computer - електронний комп'ютер з автоматичними дискретними змінними), була більш гнучкою. її внутрішня пам'ять містила не тільки дані, але і програму в спеціальних пристроях (заповнених ртуттю трубках), названих лініями затримки. Істотно й те, що Едвак кодувала дані вже в двійковій системі, що дозволило значно скоротити кількість електронних ламп.

Серед слухачів курсу лекцій про електронні комп'ютери, які читали Мочлі й Екерт у процесі реалізації проекту Едвак, був англійський дослідник Моріс Уілкс. Повернувшись у Кембріджський університет, він у 1949 р. (на два роки раніше, ніж члени групи Мочлі й Екерта побудували машину Едвак) завершив створення першого у світі комп'ютера з програмами, збережуваними в пам'яті. Комп'ютер одержав назву Едсак (EDSAC - вір, Electronic Delay Storage Automatic Calculator - електронний автоматичний калькулятор з пам'яттю на лініях затримки) (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Перший комп’ютер із програмами, збережуваними в пам’яті, Едсак (1949 р.)

Рис. 1.12. Перший комерційний комп’ютер LEO (1951р.)

Перші успішні втілення принципу зберігання програми в пам'яті стали завершальним етапом у серії винаходів, започаткованих у воєнний час. Розпочинався динамічний розвиток більш швидкодіючих комп'ютерів.

Епоха масового виробництва комп'ютерів почалася з випуску першого комерційного комп'ютера LEO (Lyons' Electronic Office- електронний офіс Lyons), що використовувався для розрахунку зарплати працівникам чайних магазинів, які належали фірмі Lyons (рис. 1.12).

Якісно новий етап у проектуванні комп'ютерів настав, коли фірма IBM запустила свою відому серію машин - ІВМ/360. Машини цієї серії мали різну продуктивність, різний набір пристроїв і призначалися для розв'язання різних задач, однак їх побудовано за єдиними принципами, що істотно полегшувало модернізацію комп'ютерів і обмін програмами між ними.

У колишньому СРСР розроблення комп'ютерів (їх було названо електронно-обчислювальними машинами (ЕОМ)) розпочали наприкінці 40-х років. У 1950 р. в Інституті електротехніки АН УРСР у Києві було випробувано першу вітчизняну ЕОМ на електронних лампах - малу електронну обчислювальну машину (МЕОМ), яку спроектувала група вчених та інженерів під керівництвом академіка С. А. Лебедєва. У 1952 р. під його керівництвом було створено велику електронну обчислювальну машину (ВЕОМ), що після модернізації в 1954 р. мала високу для того часу швидкодію - 10 000 операцій/с.