Электромеханический этап в развитии вычислительной техники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Колледж Байкальского Университета

Электромеханический этап в развитии вычислительной техники

Выполнила:

Шмакова Олеся

Иркутск 2015

Содержание

Введение

1. Герман Холлерит - изобретатель первой ЭВМ

2. Алан Мэтисон Тьюринг

3. Машина Поста

4. Конрад Цузе

5. Примеры электронно-вычислительных машин

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Как ни блестящ был век механических арифмометров, но и он исчерпал свои возможности. Людям нужны были более энергичные помощники. Это заставило изобретателей искать пути совершенствования вычислительной техники, но уже не на механической, а на электромеханической основе.

Небольшой моторчик освободил вычислителя от необходимости крутить ручку, да и скорость счета увеличилась. Сам механизм счетного устройства, поначалу остававшийся неизменным, стал также постепенно модернизироваться. Рычажный набор, который осуществлял медленную установку чисел и приводил к значительному проценту ошибок, заменили более удобным - клавишным. Появились машины, записывающие результат на бумажной ленте, а также другие комбинации счетных и пишущих устройств. Это был уже новый шаг - механизация вычислений, но не их автоматизация. Управление процессом счета все еще ложилось на плечи человека.

Предпосылками создания проектов данного этапа явились как необходимость проведения массовых расчетов (экономика, статистика, управление и планирование, и др.), так и развитие прикладной электротехники (электропривод и электромеханические реле), позволившие создавать электромеханические вычислительные устройства.

1. Герман Холлерит - изобретатель первой ЭВМ

Герман Холлерит, американский инженер, считается основоположником вычислительно- перфорационной техники, которая является предшественницей современных компьютеров. Занимаясь в конце прошлого столетия проблемами обработки статистических данных переписи населения, он изобрёл своеобразный носитель информации -- перфокарту, которая почти в неизменном виде использовалась почти столетие.

Герман Холлерит родился 29 февраля 1860 года в американском городе Буффало. Семья переехала в Нью-Йорк, где мальчик поступил в школу. Учёба давалась ему нелегко. Учителя характеризовали его как ребёнка одарённого, но плохо воспитанного и ленивого. Особенно маленький Герман не любил каллиграфию и грамматику. Намного лучше дела обстояли с точными и естественными науками, а также с рисованием.

Когда Холлериту исполнилось 14 лет, его исключили из школы. В течение последующего года он обучался у лютеранского священника, который подготовил его к поступлению в Нью-Йоркский Сити Колледж. Данное учебное заведение юноша окончил с отличием, после чего был принят на службу в Колумбийский Университет, на кафедру математики известного профессора Троубриджа. Преподаватель назначил Холлерита своим ассистентом в Национальном бюро цензов для участия в переписи населения.

Скучная работа переписчика не радовала Германа. Вот тогда-то и возникла идея механизировать труд переписчиков с помощью машины, схожей по своему принципу с жаккардовым ткацким станком. Так в 1884 году появилась созданная Холлеритом электрическая табулирующая система, на которую он оформил патент на своё имя. Перфокарточный табулятор был опробован в статистических бюро Балтимора, Нью-Йорка и Нью-Джерси. Машина Холлерита превзошла все ожидания, и поэтому был создан её промышленный образец. В те годы электричество применялось очень редко, поэтому его использование в вычислительной машине для того времени было уникальным.

Табулятор использовался для переписи населения и был сконструирован так, чтобы уменьшить количество ошибок при подсчётах и облегчить труд оператора. Помимо того, что методика Холлерита была самой быстрой, она оказалась ещё и самой точной. Было подсчитано, что с помощью электрической вычислительной машины во время переписи населения государство сэкономило целых два года и немалую сумму денег. Счётно-перфорационные аппараты применялись вплоть до 70-х годов ХХ века, пока их не сменили более совершенные цифровые вычислительные машины.

В 1890 году Холлерит отпраздновал своё тридцатилетие. Начался «звёздный» период в его жизни: он заключил выгодный контракт с американским Бюро переписи населения, ему была присвоена учёная степень доктора философии, его система была взята на вооружение канадцами, норвежцами, австрийцами и англичанами. В 1893 году на выставке в Париже он был награждён золотой медалью, Институт Франклина вручил ему престижную медаль Эллиота Крессона. Практически все научные общества Америки и Европы включили его в списки «почётных членов».

Было налажено производство и сервисное обслуживание вычислительных машин, а также изготавливались сами перфокарты.

2. Алан Мэтисон Тьюринг

Алан Мэтисон Тьюринг - выдающийся английский математик, совершивший грандиозное открытие, которое положило начало компьютерной эре. В свои неполные 24 года он мысленно сконструировал абстрактный механизм, призванный решить одну из фундаментальных проблем математики, поставленную знаменитым немецким профессором Давидом Гильбертом в 1900 г. на парижском Международном конгрессе математиков.

Тем самым Тьюринг не только дал четкий ответ на эту конкретную задачу, но и, что гораздо важнее, - сформировал научную основу алгоритма и предвосхитил архитектуру современных компьютеров. Более того, сама идея решения задач путем конструирования абстрактных механизмов, исполняемых на электронных устройствах, стала важнейшей для зарождения новой профессиональной сферы интеллектуальной деятельности - программирования. Тьюринг показал, что не существует "чудесной машины", способной решать все математические задачи. Но продемонстрировав ограниченность возможностей, он на бумаге построил то, что позволяет решать очень многое и что мы теперь называем словом "компьютер".

Машина Тьюринга имеет бесконечную в обе стороны ленту, разделенную на квадратики (ячейки). В каждой ячейке может быть записан некоторый символ из фиксированного (для данной машины) конечного множества, называемого алфавитом данной машины. Один из символов алфавита выделен и называется "пробелом", предполагается, что изначально вся лента пуста, то есть заполнена пробелами.

Машина Тьюринга может менять содержимое ленты с помощью специальной читающей и пишущей головки, которая движется вдоль ленты. В каждый момент головка находится в одной из ячеек. Машина Тьюринга получает от головки информацию о том, какой символ та видит, и в зависимости от этого (и от своего внутреннего состояния) решает, что делать, то есть какой символ записать в текущей ячейке и куда сдвинуться после этого (налево, направо или остаться на месте). При этом также меняется внутреннее состояние машины (мы предполагаем, что машина не считая ленты имеет конечную память, то есть конечное число внутренних состояний). Еще надо договориться, с чего начинается и когда кончается работа.

Таким образом, чтобы задать машину Тьюринга, надо указать следующие объекты:

· произвольное конечное множество A (алфавит); его элементы называются символами;

· некоторый выделенный символ a0 из A (пробел, или пустой символ);

· конечное множество S, называемое множеством состояний;

· некоторое выделенное состояние s0 из S, называемое начальным;

· таблицу переходов, которая определяет поведение машины в зависимости от состояния и текущего символа.

3. Машина Поста

Эмиль Пост предложил абстрактную вычислительную машину - машину Поста. Она отличается от машины Тьюринга большей простотой. Обе машины "эквивалентны" и были созданы для уточнения понятия "алгоритм".

Машина Поста состоит из каретки (или считывающей и записывающей головки) и разбитой на секции ленты, считающейся условно бесконечной в обе стороны. В каждой клетке может быть записан символ из фиксированного алфавита. В любой конкретный момент головка обозревает одну клетку и способна работать только с ней.

Работа машины Поста определяется программой с конечным числом строк. Программы состоит из команд, имеющих по 3 поля, в которых записываются: № команды, операция и отсылка.

Для машины Поста определены операции 6 видов:

1. Движение головки на 1 клетку вправо.

2. Движение головки на 1 клетку влево.

3. Запись метки.

4. Удаление метки.

5. Условный переход по метке.

6. STOP - остановка (завершение работы машины Поста);

Для работы машины нужно задать программу и ее начальное состояние (т. е. состояние ленты и позицию каретки). После запуска возможны варианты: электронный вычислительный перфорационный компьютерный

· работа может закончиться невыполнимой командой (стирание несуществующей метки или запись в помеченное поле);

· работа может закончиться командой Stop;

· работа никогда не закончится.

4. Конрад Цузе

Подобная идея о возможности постройки автоматизированного счетного аппарата пришла в голову немецкому инженеру Конраду Цузе.Уже в 1934 г . Цузе сформулировал основные принципы, на которых должны работать будущие компьютеры:

· двоичная система счисления;

· использование устройств, работающих по принципу «да/нет «(логические 1 и 0);

· полностью автоматизированный процесс работы вычислителя;

· программное управление процессом вычислений;

· поддержка арифметики с плавающей запятой;

· использование памяти большой емкости.

Цузе первым в мире определил, что обработка данных начинается с бита, первым ввел термин «машинное слово»( Word ), первым объединил в вычислителе арифметические и логические операции, отметив, что «элементарная операция компьютера - проверка двух двоичных чисел на равенство. Результатом будет тоже двоичное число с двумя значениями (равно, не равно).

В 1936 г. Цузе запатентовал идею механической памяти. Год спустя он создал работающую память для хранения 12 двоичных чисел по 24 бита и активно занялся созданием первой версии своего вычислителя Z1. Арифметический модуль мог работать с числами с плавающей запятой, осуществлял преобразования двоичных чисел в десятичные и обратно, поддерживал ввод и вывод данных. Устройство ввода программы осуществлялось с помощью перфорированной киноленты. Результаты расчетов показывались с помощью электрических ламп.

5. Примеры электронно-вычислительных машин

Mark I

Mark I весил 5 тонн, длина его была 17 метров и в высоту более 2,5 м, содержал около 750 тыс. деталей, соединенных проводами общей протяженностью около 800 км. Он считывал программу с бумажной ленты, на которую с помощью перфоратора наносилась последовательность вычислений, и способен был осуществлять три сложения в секунду, а на то чтобы взять логарифм, требовалась минута. Mark I мог работать без человеческого участия много часов и дней, печатая цифру за цифрой - результаты вычислений. Машина была передана в ВМФ и использовалась для выполнения сложных баллистических расчетов.

Z1

Z1 -- вычислительное устройство, созданное в 1938 году, стало первой ограниченно программируемой вычислительной машиной немецкого инженера Конрада Цузе. Это двоичная вычислительная машина с вводом данных с помощью клавиатуры, в десятичной системе исчисления в виде чисел с плавающей запятой. Главным отличием от более известной вычислительной машины Z3 (1941 год) было отсутствие вычисления квадратного корня.

Умножение и деление выполнялись при помощи той же процедуры повторных сложений и вычитаний, которую использовал ещё Блез Паскаль в конструкции своей суммирующей машины. Считываемые инструкции программы тут же исполнялись, не загружаясь в память.

Z1 был двоичным механическим вычислителем с электрическим приводом и ограниченной возможностью программирования. Вводились и выводились данные в десятичной системе, в виде чисел с плавающей запятой. Ввод команд и данных осуществлялся при помощи клавиатуры, сделанной на основе пишущей машинки, а вывод -- с помощью маленькой панели на лампочках. Память вычислителя организовывалась при помощи конденсатора, чередующего слои стекла и металлические пластины. Z1 работал ненадёжно из-за недостаточной точности исполнения составных частей. Для выполнения расчётов в практическом применении машина не использовалась. Тем не менее, Цузе был удовлетворён работой своего детища.

Z2

Z2 -- усовершенствованная версия программируемого вычислителя Z1, созданного немецким инженером Конрадом Цузе. Машина была закончена в 1939 году.

В отличие от своего предшественника, в Z2 для ввода данных впервые была использована перфорированная лента, роль которой выполняла 35-мм фотоплёнка. Цузе также сумел добиться увеличения надёжности вычислителя, заменив механические переключатели на телефонные реле.

Вычислители Z1 и Z2 стали первыми шагами Цузе на пути к созданию программируемой вычислительной машины Z3.

Технические характеристики:

· Частота-5 Гц

· Вычислительный процессор-С фиксированным положением запятой, длина машинного слова 16 бит

· Средняя скорость вычислений-0,8 секунды на одну операцию сложения

· Количество реле в вычислительном процессоре-600

· Память-64 машинных слова (столько же было в Z1)

· Потребление энергии-1000 Вт

· Вес-300 кг

Z3

Z3 была создана Цузе на основе его первых вычислителей Z1 и Z2. В свою очередь, она послужила основой создания более совершенного компьютера Z4.Машина представляла собой двоичный вычислитель с ограниченной программируемостью, выполненный на основе телефонных реле. На таких же реле было реализовано и устройство хранения данных. Их общее количество составляло около 2600.

Порядок вычислений можно было выбрать заранее, однако условные переходы и циклы отсутствовали.

Спецификация:

· Арифметическое устройство: с плавающей точкой, 22 бита, +, ?, Ч, /, v.

· Тактовая частота: 5,3 Гц(Герц).

· Средняя скорость вычисления: сложение -- 0,8?; умножение -- 3?.

· Хранение программ: внешний считыватель перфоленты.

· Память: 64 слова с длиной в 22 бита.

· Ввод: десятичные числа с плавающей запятой.

· Вывод: десятичные числа с плавающей запятой.

· Элементов: 2600 реле -- 600 в арифметическом устройстве и 2000 в устройстве памяти. Мультиплексор для выбора адресов памяти.

· Потребление энергии: 4 кВт.

· Масса: 1000 кг.

Успех Z3 определила его реализация в виде простой двоичной системы. Идея была не новой. Сама двоичная система счисления была придумана почти тремя столетиями ранее Готфридом Лейбницем. В середине XIX века Джордж Буль взял её за основу для создания алгебры логики, а в 1937 году сотрудник Массачусетского технологического института Клод Шеннон в оригинальной работе, посвящённой исследованию цифровых цепей, разработал способ реализации двоичных схем, собираемых из электронных реле. Однако Конрад Цузе был первым, кто объединил все эти вещи, создав на их основе первую программируемую вычислительную машину.

Заключение

Выделим основные успехи электромеханического этапа развития вычислительной техники.

· Существенно возросли производительность и надежность вычислительной техники, на что повлияла не только более быстрая элементная база, но и сокращение ручного труда.

· На данном этапе развития вычислительной техники происходит индустриализация обработки информации. Особенно это было заметно по концентрации вычислительных мощностей в СССР, начиная с создания в 30-х годах машинно-счетных станций, которые к 1936 году превратились в крупнейшие в мире предприятия механизированного учета. Впоследствии эти станции явились основой создания современных вычислительных центров и коллективного пользования вычислительных центров, оборудованных ЭВМ различных типов и классов.

· На электромеханическом этапе была реализована идея Бэббиджа создания универсальной вычислительной машины с программным управлением, по сложности соизмеримая с наиболее сложными техническими системами того времени.

· Выявляется зависимость возможностей вычислительной техники от ее системной сложности; многие наработки данного этапа легли в основу развития современного этапа развития ВТ - электронного.

Список использованной литературы

1. Алтухов Е.В., Рыбалко Л.А., Савченко В.С. Основы информатики и вычислительной техники, М., «Высшая школа», 1992.

2. Беньяш Ю.Л. Освоение персонального компьютера и работа с документами / Ю. Л. Беньяш . - 2-е изд., перераб. и доп . - М. : Горячая Линия-Телеком, 2001 . - 580 с. - ISBN 5-935170-36-1 .

3. Бордовский Г.А., Исаев Ю.В., Морозов В.В. Информатика в понятиях и терминах, М., 1991.

4. Елисеева И. И., Юзбашев М. М. Общая теория статистики / Под ред. чл.-корр. РАН И. И. Елисеевой. - М.: Финансы и статистика, 1996. - 368 с.: ил.

5. Информатика : Энциклопедический словарь для начинающих /Сост. Д. А. Поспелов. Публикация. М. : Педагогика-Пресс , 1994.

6. Могилёв А.В., Пак Н.И., Хеннер Е.К. «Практикум по информатике». - 2-е изд., стер. - М.: 2005. -- 608 с.

7. Симонович С.В. Информатика: базовый курс. Под. ред. Симоновича С.В. - СПб.: Питер, 2001.

8. Шафрин Ю. Информационные технологии, М., 1998.

Размещено на Allbest.ru