История развития вычислительной техники

Федеральное бюджетное образовательное учреждение

ВПО «Кубанский Государственный Технологический Университет»

Кафедра Информатики

Контрольная работа по дисциплине

«История развития средств  вычислительной техники»

Вариант 7

КРАСНОДАР

2012

Компьютер "Марк-1" Говарда Айкена

В 1864 году в одной  из своих последних работ ученый, опередивший свое время, автор неосуществленного проекта Аналитической машины Чарльз Бэббидж писал: "Если кто-либо, не наученный моим опытом, попытается создать машину, способную выполнять математический анализ в объеме, равном работе целого отдела математиков, причем с использованием различных принципов или более простых механических средств, и попытка эта увенчается успехом, то мне не страшно вверить такому человеку свою репутацию, т. к. только он сможет сполна оценить усилия и достигнутые результаты".

Реально идеи и  концепции Ч. Бэббиджа смогли осуществиться только через 80 лет после написания этих пессимистических строк. И человека, который практически воплотил эти идеи, звали Говард Хетауэй Айкен. Правда, следует уточнить, что с проектом Бэббиджа Айкен познакомился только через три года после начала работ по созданию своего первого детища и был поражен настолько, что воскликнул: "Живи Бэббидж на 75 лет позже, я остался бы безработным".

В 1935 году он поступает  в Чикагский университет, а затем становится аспирантом по физике Гарвардского университета. Докторская диссертация Айкена "Теория проводимости пространственных зарядов", представленная отделению физики Гарвардского университета в 1939 году, изобилует выражениями разочарования по поводу того, что нельзя было решить аналитически нелинейные дифференциальные уравнения, адекватно описывающие изучаемые им явления, и что их численное решение даже для нескольких интересуемых случаев требует выполнения недоступного для человека объема вычислений.

В результате этих размышлений в 1937 году появилась  его работа (он издал ее на свои средства) под названием "Предлагаемая автоматическая счетная машина", где автор описал машину в виде коммутационной доски, на которой смонтированы различные узлы вычислительной машины, причем каждая панель коммутационной доски предназначалась для выполнения определенных математических операций.

Гарвард был  в то время центром “чистых” исследований, поэтому Айкен не нашел  поддержки, было скорее сопротивление. Многие не верили в то, что такую машину можно создать. Его поддержали лишь астроном Харлоу Шэп-ли и профессор школы бизнеса Тед Браун. Айкен пытался подключить в эту работу фирму “Монро”, в частности главного инженера Дж. Чейза. Чейз заинтересовался, но руководство фирмы сочло идею непрактичной и отказалось от ее реализации.

Чейз рекомендовал Айкену обратиться в фирму IBM — так состоялось его знакомство с Томасом Уотсоном, президентом этой фирмы. В 1939 году был подписан контракт, по которому фирма IBM с финансовой поддержкой военно-морского ведомства США бралась за создание машины Айкена. Спустя семь лет, в мае 1944 года, машина, получившая название "Марк I", вступила в строй. Реле, счетчики, контактные устройства, печатающие механизмы, устройства для ввода перфокарт и перфорирующие устройства, используемые в машине, были стандартными частями табуляторов, выпускаемых в то время фирмой IBM.

По настоянию  президента IBM Томаса Дж. Уотсона, вложившего в создание "Марк I" 500 тысяч долларов своей компании, машина была заключена в корпус из стекла и нержавеющей стали. Компьютер содержал около 765 тысяч деталей (электромеханических реле, переключателей и  т. п.) достигал в длину почти 17 м (машина занимала в Гарвардском университете площадь в несколько десятков квадратных метров), в высоту — более 2,5 м и весил около 4,5 тонн. Общая протяжённость соединительных проводов составляла почти 800 км. Основные вычислительные модули синхронизировались механически при помощи 15-метрового вала, приводимого в движение электрическим двигателем, мощностью в 5 л. с. (4 кВт).

Машина была создана с использованием и релейных и механических элементов. Устройство управления машиной состояло из зубчатого колеса, которое перематывало перфоленту, на которой была нанесена программа. Один ряд пробивок на перфоленте имел 24 отверстия.

Машина выполняла  пять операций – четыре арифметических и операцию отыскания в таблицах требуемых величин. Скорость движения перфоленты составляла 200 шагов в минуту. За один шаг перфоленты выполнялись операции сложения и вычитания (0,3 сек.) Операции умножения и деления производились соответственно за 5,7 и 15,3 секунд. В машине использовалась десятичная система счисления. Сложение и вычитание производилось накапливающим сумматором, состоявшим из 72 механических счетчиков, в каждом счетчике использовалось 24 цифровых колеса (23 колеса для одного десятичного числа и одно для знака числа). Вычислительная машина содержала устройства для выполнения различных математических операций: суммирующее устройство, множительно-делительное устройство, счетчики для вычисления логарифмических и тригонометрических функций и три интерполятора. Для запоминания данных служили 72 счетчика - сумматора и память на релейных схемах с ручной установкой 60 чисел.

Все переключатели, применяемые в машине, были выполнены  на электромагнитных реле. Для пересылки данных использовался один канал, по которому передавались переключающие импульсы, имеющие амплитуду 50 Вольт. Привод механических устройств осуществлялся через систему зубчатых передач от одного мотора мощностью 5 лошадиных сил.

Фактически "Марк I" представлял собой усовершенствованный арифмометр, заменявший труд примерно 20 операторов с обычными ручными устройствами, однако из-за наличия возможности программирования некоторые исследователи называют его первым реально работавшим компьютером. На самом деле, машина начала перемалывать свои разряды лишь через два года после того как в Германии немецкий изобретатель Конрад Цузе  создал вычислительную машину Z3

"Марк I" последовательно считывал и выполнял инструкции с перфорированной бумажной ленты. Компьютер не умел выполнять условные переходы, из-за чего каждая программа представляла собой довольно длинный ленточный рулон. Циклы (англ. loops — петли) организовывались за счёт замыкания начала и конца считываемой ленты (то есть действительно за счёт создания петель). Принцип разделения данных и инструкций получил известность, как гарвардская архитектура.

Однако, главным отличием компьютера "Марк I" было то, что он был первой полностью автоматической вычислительной машиной, не требовавшей какого-либо вмешательства человека в рабочий процесс.

Надо сказать, что "Марк I" в 1944 году имел черты современных компьютеров, в частности разделения времени выполнения операций, при этом не возникало конфликтных ситуаций различных устройств, широко использовались подпрограммы при программировании. А в дальнейшем были введены устройства, "обеспечивающие средства для выбора любого из нескольких ответвляющих путей операции" (т. е. операций условного перехода).

В 1947 году в лаборатории  Айкена была создана новая релейная машина "Марк I", которая обладала необычным для того времени свойством: она могла работать как одна машина или как две отдельные машины, решая одновременно две различные задачи. Переход с одного режима на другой производился с помощью переключателя. В машине была введена плавающая запятая.

Следует заметить, что и Айкен, и Уотсон, обладая немалым упрямством, любили делать все по-своему. Сначала они разошлись во мнениях относительно внешнего вида машины. "Марк I", достигавший в длину почти 17 м и высоту более 2,5 м, содержал около 750 тыс. деталей. Для инженера такая махина была поистине кошмарным сном. Айкен хотел оставить внутренности машины открытыми, чтобы специалисты имели возможность видеть ее устройство. Уотсон же, которого, как всегда, больше беспокоила репутация фирмы IBM, настаивал, чтобы машину заключили в корпус из стекла и блестящей нержавеющей стали.

Уотсон вышел победителем в спорах, по этому и другим вопросам, но, когда "Марк I" был "представлен" прессе в августе 1944 г., Айкен взял реванш. Он вскользь упомянул о роли, которую сыграла в этом проекте корпорация IBM, а лично о Томасе Уотсоне вообще не сказал ни слова. Уотсон был в бешенстве. "Вы не смеете так пренебрежительно относиться к IBM! - кричал он Айкену. - Для меня IBM значит не меньше, чем для вас, выпускников Гарварда, ваш университет!" Сын и преемник Уотсона Том Уотсон-младший говорил позже: "Имей Айкен и отец под рукой пистолеты, они бы убили друг друга".

Вскоре после этого Уотсон временно передал машину в распоряжение ВМФ, и ее стали использовать для выполнения сложных баллистических расчетов, которыми руководил сам Айкен. "Марк I" мог "перемалывать" числа длиной до 23 разрядов. На сложение и вычитание тратилось 0,3 с, а на умножение - 3 с. Такое быстродействие было беспрецедентным, хотя лишь незначительно превосходило показатели, запланированные Бэббиджем. За день машина выполняла вычисления, на которые раньше уходило полгода.

Компьютер выглядел весьма эффектно и внушительно. В этом, конечно, сыграли определенную роль стекло и нержавеющая сталь Уотсона, а также образцовая чистота и порядок, которые поддерживали морские офицеры, обслуживавшие машину. Как вспоминает один из гарвардских ученых, они с умным видом ходили вокруг нее, "отдавая друг другу честь, и создавали впечатление, что управляют ею, стоя по стойке смирно". Лишь шум компьютера несколько портил картину. Когда 3304 реле щелкали, включаясь и выключаясь, управляя вращением валиков и шестеренок, казалось, вспоминал один из очевидцев, "что множество старушек шелестят стальными спицами". "Марк I" продолжал свою шумную деятельность на математическом поприще в Гарвардском университете еще целых 16 лет. Но, несмотря на долгий и солидный послужной список, он так и не принес того успеха, на который рассчитывал Том Уотсон. Другие изобретатели - немцы, англичане, как и американцы, - руководствовались при разработке своих компьютеров неохотно переходил от электромеханических к электронным устройствам. А может быть осторожно, выжидательно: "Нет, я знал, что нужно было идти этим путем. Я не хотел зависеть от технологии, я не хотел беспокоиться о надежности незнакомых и еще не испытанных в новом применении компонентов. Как только я увидел, что другие проекты пошли нормально и что инженеры научились работать с новой технологией, я перешел на электронику". И это случилось при создании им третьей и четвертой версий машины — "Марк III" и "Марк IV". Вообще, с позиций сегодняшнего дня, оглядываясь назад, становится ясно, что компьютеры на основе электронно-вакуумной технологии были, по существу, переходной средой на пути к созданию более надежных машин с использованием реле и полупроводниковой технологии. И Айкена в этом плане можно считать первооткрывателем.

Большие успехи в деле автоматизации программирования принадлежат Грейс Хоппер (контр-адмирал  ВМС США), которая работала с машинами "Марк" в Гарварде с 1944 по 1949 год. Ее вклад в дело создания первых компиляторов (кстати, термин "компилятор" был впервые введен Грейс Хоппер) и первых языков программирования неоспорим, а ее имя в тот период неразрывно связано с именем Говарда Айкена и его компьютерами.

Компьютер ENIAC с концепцией хранимой программы

Маучли и  Эккерт построили целостную вещь с названием ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer) — первый действующий электронный цифровой компьютер. 14 февраля 1946 года, в день Святого Валентина, 30-тонный гигант с 18 тысячами электронных ламп и 6 тысячами переключателей был запущен. Согласно легенде, огни Филадельфии погасли. Мир приветствовал начало компьютерной эры.

ENIAC был создан на основе вакуумно-ламповой технологии, что обеспечило повышение быстродействия, так необходимое для ученых и математиков. По сравнению с компьютером "Марк I", изобретеннным в Гарвардском университете Айкеном двумя годами раньше, он работал более чем в тысячу раз быстрее. ENIAC мог умножать за 2,8 мс, делить за 24 мс. До появления ENIAC квалифицированному оператору настольного калькулятора требовалось около 20 часов, чтобы получить приемлемые результаты вычисления траектории. То же самое вычисление занимало 20 минут на дифференциальном анализаторе, а наиболее сложный на то время компьютер ENIAC мог выполнить это вычисление траектории всего за 30 секунд.

ENIAC был неуклюжим по сравнению с более поздними компьютерами. Чтобы задавать компьютеру новые команды, необходимо было набрать код вручную, так же как телефонный оператор соединяет контакты на коммутационном поле. Однако научный мир приветствовал двух главных создателей ENIAC — Джона Маучли и Джона П. Эккерта. Разработка его велась во время войны и требования диктовали чисто военные проблемы, проект финансировался министерством обороны США. Разрабатывали проект  в Баллистической исследовательской лаборатории армии США. Источником вдохновения для Моучли послужило устройство, созданное профессором федерального колледжа Айовы Джоном Ф. Антанасовым для решения больших систем линейных уравнений. На основе предоставленного Атанасовым полного описания ABC Джон Моучли и Дж. Проспер Эккерт - построили в 1946 году (в этом году проект был рассекречен) машину, которую принято считать первым в мире универсальным компьютером.

Левая сторона  машины ENIAC, при входе надпись: "Вход воспрещен всем, кроме проектирующего ENIAC персонала".

ENIAC стал первым полно функциональным компьютером. В 1946 году состоялась публичная демонстрация работы компьютера. Компьютер был десятизначным, включал 12 десятизначных сумматоров с регистрами для хранения результатов. Для ускорения выполнения арифметических операций у ENIAC имелись умножитель, делитель, извлекатель корня.