История развития вычислений до появления ЭВМ

     Скорость  перфорирования различных перфораторов составляет от нескольких десятков (в  карточных перфораторах) до нескольких сотен (в ленточных перфораторах) перфораций в 1 сек. В состав перфораторов входят: собственно перфорирующий механизм, привод с ручным (клавишным) или автоматическим управлением, клавиатура или входной  преобразователь электрических  сигналов в код, в соответствии с  которым производится перфорация, и  механизм подачи (перемещения) носителя записи. Важнейшими деталями перфорирующего механизма являются: пуансоны (обычно круглого или прямоугольного сечения), матрицы с отверстиями для  пуансонов, установочный (блокирующий) рычаг для предотвращения пробивки отверстий. Привод перфораторов может  быть механическим, электромагнитным, пневматическим или гидравлическим. К перфораторам часто относят  также вспомогательные устройства — компостеры, щипцы, ручные перфораторы, служащие для исправления информации на перфокартах.

8. Арифмометр

     Арифмометр (от греч. arithmys — число и ...метр), настольная вычислительная машина для выполнения арифметических действий. Машина для арифметических вычислений была изобретена Б. Паскалем (1641), однако первую практическую машину, выполняющую 4 арифметические действия, построил немецкий часовой мастер Ган (1790). В 1890 петербургский механик В. Т. Однер наладил производство русских счётных машин, послуживших прототипом последующих моделей арифмометров. Арифмометр снабжен механизмом для установки и переноса чисел в счётчик, счётчиком оборотов, счётчиком результата, устройством для гашения результата, ручным или электрическим приводом. Арифмометр наиболее эффективен при выполнении операций умножения и деления. С развитием вычислительной техники. Арифмометры заменяются более совершенными клавишными вычислительными машинами. 
    В 1833 английский учёный Ч. Беббидж разработал проект «аналитической машины» — гигантского арифмометра с программным управлением, арифметическим и запоминающим устройствами. Однако полностью осуществить свой проект ему не удалось, главным образом из-за недостаточного развития техники в то время; материалы об этой машине были опубликованы лишь в 1888, уже после смерти автора. Исследования Беббиджа лишь спустя 100 лет привлекли внимание инженеров, но математики отметили их сразу. В 1842 итальянский математик Менабреа опубликовал записи лекций Беббиджа, прочитанных в Турине и посвящённых «аналитической машине».

9. Машина Паскаля

     Первым  изобретателем, механических счетных  машин, стал гениальный француз Блез Паскаль. Сын сборщика налогов, Паскаль  задумал построить вычислительное устройство, наблюдая бесконечные утомительные расчеты своего отца. В 1642 г., когда  Паскалю было всего 19 лет, он начал  работать над созданием суммирующей  машины. Паскаль умер в возрасте 39 лет, но, несмотря на столь короткую жизнь, навечно вошел в историю  как выдающийся математик, физик, писатель и философ. В его честь назван один из самых распространенных современных  языков программирования.

     Суммирующая машина Паскаля, «паскалина», представляла собой механическое устройство - ящик с многочисленными шестеренками. Всего приблизительно за десятилетие  он построил более 50 различных вариантов  машины. При работе на «паскалине»  складываемые числа вводились путем  соответствуюшего поворота наборных колесиков. Каждое колесико с нанесенными на него делениями от 0 до 9 соответствовало  одному десятичному разряду числа - единицам, десяткам, сотням и т. д. Избыток  над 9 колесико «переносило», совершая полный оборот и продвигая соседнее слева «старшее» колесико на 1 вперед. Другие операции выполнялись при  помощи довольно неудобной процедуры  повторных сложений.

     Хотя  машина вызвала всеобщий восторг, она  не принесла Паскалю богатства. Тем  не менее изобретенный им принцип  связанных колес явился основой, на которой строил ось большинство  вычислительных устройств на протяжении следующих трех столетий.

     Основной  недостаток «паскалины» состоял  в неудобстве выполнения на ней всех операций, кроме простого сложения. Первая машина, позволявшая легко  производить вычитание, умножение  и деление, была изобретена позже  в том же XVII в. в Германии. Заслуга  этого изобретения принадлежит  гениальному человеку, творческое воображение  которого казалось неисчерпаемым. Готфрид  Вильгельм Лейбниц родился в 1646 г. в Лейпциге. Он принадлежал к  роду, известному своими учеными и  политическими деятелями. Его отец, профессор этики, умер, когда ребенку  было всего 6 лет, но к этому времени  Лейбницем уже овладела жажда  знаний. Дни напролет он проводил в  отцовской библиотеке, читая книги  и занимаясь историей, латинским  и греческим языками и другими  предметами.

     Поступив  в Лейпцигский университет в  возрасте 15 лет, он по своей эрудиции, пожалуй, не уступал многим профессорам. И все же теперь перед ним открылся совершенно новый мир. В университете он впервые познакомился с работами Кеплера, Галилея и других ученых, стремительно расширявших границы  научного познания. Темпы научного прогресса поразили воображение  молодого Лейбница, и он решил включить в свою учебную про грамму математику.

     В возрасте 20 лет Лейбницу предложили должность  профессора в Нюрнбергском университете. Он отклонил это предложение, предпочтя  жизни ученого дипломатическую  карьеру. Однако, пока он разъезжал  в карете из одной европейской  столицы в другую, его беспокойный  ум терзали всевозможные вопросы  из самых различных областей науки  и философии - от этики до гидравлики и астрономии. В 1672 г., находясь в  Париже, Лейбниц познакомился с голландским  математиком и астрономом Христиан ом Гюйгенсом. Видя, как много вычислений приходится делать астроному, Лейбниц  решил изобрести механическое устройство, которое облегчило бы расчеты. «Поскольку это недостойно таких замечательных  людей, - писал Лейбниц, - подобно  рабам, терять время на вычислительную работу, которую можно было бы доверить кому угодно при использовании машины».

     В 1673 г. он изготовил механический калькулятор. Сложение производил ось на нем по существу так же, как и на «паскалине», однако Лейбниц включил в конструкцию  движущуюся часть (прообраз подвижной  каретки будущих настольных калькуляторов) и ручку, с помощью которой  можно было крутить ступенчатое  колесо или - в последующих вариантах  машины - цилиндры, расположенные внутри аппарата. Этот механизм с движущимся элементом позволял ускорить повторяющиеся  операции сложения, необходимые для  перемножения или деления чисел. Само повторение тоже было автоматическим.

     Лейбниц продемонстрировал свою машину в Французской академии наук и Лондонском королевском обществе. Один экземпляр машины Лейбница попал к Петру Великому, который подарил ее китайскому императору, желая поразить того европейскими техническими достижениями. Но Лейбниц прославился прежде всего не этой машиной, а созданием дифференциального и интегрального исчисления (которое независимо разрабатывал в Англии Исаак Ньютон). Он заложил также основы двоичной системы счисления, которая позднее нашла применение в автоматических вычислительных устройствах.

10. Вычислительная машина Чарльза Бэббиджа

     Чарльз  Беббидж считается основателем  современной вычислительной техники. В работе Чарльза Бэббиджа прослеживается два направления: разностная и аналитическая  вычислительная машины. Аналитическая  машина Чарльза Бэббиджа использует принцип программного управления и  является предшественницей современных  ЭВМ.

     В 1822 году Чарльз Бэббидж создал первую небольшую модель своего аппарата, получившего название "разностная машина". Механизм разностной машины состоял из валиков и шестерней, вращаемых вручную при помощи специального рычага. Разностная машина могла управлять шестизначными  числами и выражать в числах любую  функцию, которая имела постоянную вторую разность. Ценность разностной машины Чарльза Бэббиджа в том, что  он впервые предложил машину, которая  в отличие от всех предыдущих могла  не только производить один раз заданное действие, но и осуществлять целую  программу вычислений. Сам Бэббидж  достаточно ясно представлял назначение своей машины. Он пропагандировал  использование математических методов  в различных областях науки и  предсказывал при этом широкое применение вычислительных машин.

     Бэббидж обратился к правительству Великобритании с просьбой о финансировании полномасштабной  разработки. Правительство Великобритании, заинтересовавшись идеей, выделило деньги на дальнейшее развитие проекта. В 1834 году Бэббидж занялся разработкой  еще более сложного агрегата - аналитической  машины, способной выполнять определенные действия в соответствии с инструкциями, задаваемыми оператором. Модель аналитической  машины фактически можно считать  прообразом современного компьютера. Главное отличие аналитической  машины от разностной заключается в  том, что она программируемая  и может выполнять любые заданные ей вычисления.

     Аналитическая машина Чарльза Бэббиджа использует принцип программного управления и  является предшественницей современных  ЭВМ.

     Аналитическая машина состояла из следующих четырех  основных частей:

- блок хранения  исходных, промежуточных данных  и результатов вычислений. (состоял  из набора зубчатых колес, идентифицирующих  цифры подобно арифмометру); 
- блок обработки чисел из склада, названный мельницей (в современной терминологии - это арифметическое устройство); 
- блок управления последовательностью вычислений (в современной терминологии - это устройство управления УУ); 
- блок ввода исходных данных и печати результатов (в современной терминологии - это устройство ввода/вывода ).

     Аналитическая машина так и не была изготовлена  Чарльзом Бэббджем. Кроме хронической нехватки финансовых средств, важнейшая из причин — технологическая. Тогда не умели обрабатывать металл с высокой степенью точности и с высокой производительностью — а для реализации проекта требовались тысячи одних только зубчатых колес.

     Большое влияние на посмертную судьбу машины оказал генерал Бэббидж, сын изобретателя. Выйдя в отставку в 1874 году, он несколько лет посвятил изучению отцовского наследия, а в 1880 году начал работу по восстановлению Difference Engine в «железе». Работа продолжалась с переменным успехом до 1896 г.  В конце концов к 1904 году был создан небольшой фрагмент машины,  который печатал результаты вычислений. Кроме того, Бэббидж-младший сделал несколько мини-копий Difference Engine  и разослал их по всему миру.

     В 1991 году, к двухсотлетию со дня рождения ученого, сотрудники лондонского Музея науки воссоздали по его чертежам 2,6-тонную «разностную машину № 2», а в 2000 году — еще и 3,5-тонный принтер Бэббиджа. Оба устройства, изготовленные по технологиям середины XIX века, превосходно работают — в  расчётах Бэббиджа было найдено всего две ошибки.

11. Механическая счетная машина Шикарда (1623)

     Причиной, побудившей Шиккарда разработать счетную  машину для суммирования и умножения  шестиразрядных десятичных чисел, было его знакомство с польским астрономом И. Кеплером. Ознакомившись с работой  великого астронома, связанной в  основном с вычислениями, Шиккард  загорелся идеей оказать ему  помощь в нелегком труде. В письме на его имя, отправленном в 1623 г., он приводит рисунок машины и рассказывает, как она устроена.

     Машина  немецкого ученого Шиккарда содержала  суммирующее и множительное устройства, а также механизм для записи промежуточных  результатов. Первый блок – шестиразрядная суммирующая машина – представлял  собой соединение зубчатых передач. На каждой оси имелись шестерня с  десятью зубцами и вспомогательное  однозубое колесо – палец. Палец  служил для того, чтобы передавать единицу в следующий разряд (поворачивать шестеренку на десятую часть полного  оборота после того, как шестеренка предыдущего разряда сделает  такой оборот). При вычитании шестеренки следовало вращать в обратную сторону. Контроль хода вычислений можно было вести с помощью специальных окошек, где появлялись цифры. Для перемножения использовалось устройство, чью главную часть составляли шесть осей с «навернутыми» на них таблицами умножения.

     В наши дни рабочая модель устройства Шиккарда была воспроизведена по чертежам и  подтвердила свою работоспособность.

3. Создание первых компьютеров

     В 1812 году английский математик и экономист  Чарльз Бэббидж начал работу над  созданием, так называемой «разностной» машины, которая, по его замыслам, должна была не просто выполнять арифметический действия, а проводить вычисления по программе, задающей определённую функцию. В качестве основного элемента своей  машины Бэббидж взял зубчатое колесо для запоминания одного разряда  числа (всего таких колёс было 18). К 1822 году учёный построил небольшую  действующую модель и рассчитал  на ней таблицу квадратов.

     В 1834 году Бэббидж приступил к созданию «аналитической» машины. Его проект содержал более 2000 чертежей различных  узлов. Машина Бэббиджа предполагалась как чисто механическое устройство с паровым приводом. Она состояла из хранилища для чисел («склад»), устройства для производства арифметических действий над числами (Бэббидж назвал его «фабрикой») и устройства, управляющего операциями машины в нужной последовательности, включая перенос чисел из одного места в другое; были предусмотрены  средства для ввода и вывода чисел. Бэббидж работал над созданием  своей машины до конца своей жизни (он умер в 1871 году), успев сделать  лишь некоторые узлы своей машины, которая оказалась слишком сложной  для того уровня развития техники.

     В 1842 году в Женеве была опубликована небольшая  рукопись итальянского военного инженера Л.Ф. Менабреа «Очерк об аналитической  машине, изобретённой Чарльзом Бэббиджем», переведённая в последствии ученицей и помощницей Бэббиджа дочерью Дж. Г. Байрона — леди Адой Лавлейс. При  содействии Бэббиджа Ада Лавлейс  составляла первые программы для  решения систем двух линейных уравнений  и для вычисления чисел Бернулли. Леди Лавлейс стала первой в мире женщиной-программистом.

     После Бэббиджа значительный вклад в развитие техники автоматизации счёта  внёс американский изобретатель Г. Холлерит, который в 1890 году впервые построил ручной перфоратор для нанесения цифровых данных на перфокарты и ввёл механическую сортировку для раскладки этих перфокарт в зависимости от места пробива. Им была построена машина — табулятор, которая прощупывала отверстия на перфокартах, воспринимала их как соответствующие числа и подсчитывала их. Табуляторы Холлерита были использованы при переписи населения в США, Австрии, Канаде, Норвегии и в др. странах. Они же использовались при первой Всероссийской переписи населения в 1897 году, причём Холлерит приезжал в Россию для организации этой работы. В 1896 году Холлерит основал всемирно известную фирму Computer Tabulating Recording, специализирующуюся на выпуске счетно-перфорационных машин и перфокарт. В дальнейшем фирма была преобразована в фирму International Business Machines (IBM), ставшую сейчас передовым разработчиком компьютеров.