История двоичного кода

Содержание:

1. Введение.
2. История зарождения двоичного кода.
3. Основоположники двоичного кода.
4. Заключение.
5. Список источников.
6. Глоссарий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

В июле 1969 г., когда американский астронавт Нил Армстронг ступил на поверхность Луны, осуществив вековую мечту человека, весть об этом событии, мгновенно преодолев 400 тыс. км космического пространства, достигла города Хьюстон в шт. Техас, а затем облетела весь мир. Телевидение показало эту сцену в миллионах квартир, а телетайпы передавали подробности – в том числе короткую, но замечательную речь Армстронга «Это маленький шаг для человека и гигантский скачок для человечества» - в тысячи редакций газет и журналов по всему миру. Значительная часть этой информации путешествовала от машины к машине в виде специального кода, состоящего из импульсов – электронного эквивалента нулей и единиц.

То, что связь между человеком, высадившимся на Луне, и Землей, праздновавшей это событие, осуществлялась при помощи нулей и единиц, глубоко символично и закономерно, потому что эти знаки двоичной системы счисления сыграли в этом историческом достижении тысячи всевозможных ролей. С их помощью было закодировано все – от команд, отданных космическому кораблю при взлете, до инструкций, благодаря которым спускаемый аппарат экспедиции Армстронга при возвращении на Землю вошел в земную атмосферу под соответствующим углом. То же самое происходит повсюду в нашем компьютеризованном мире. В основе своей цифровой компьютер независимо от его размеров и назначения представляет систему передачи информации, выраженной в виде нулей и единиц.

Идея использования лишь двух символов для кодирования информации стара, как мир. Барабаны, которыми пользуются некоторые племена африканских бушменов, передают сообщения в виде комбинаций звонких и глухих ударов. Другой, более современный пример двухсимвольного кодирования – азбука Морзе, в которой буквы алфавита представлены определенными сочетаниями точек и тире. Австралийские аборигены считали двойками, некоторые племена охотников-сборщиков Новой Гвинеи и Южной Америки тоже пользовались двоичной системой счета.

Двоичное представление чисел – не единственная альтернатива десятичной системе счисления. Древняя вавилонская арифметика была основана на числе 60, а в привычках и языке англосаксов мы обнаруживаем следы двенадцатеричной системы счисления, которая когда-то господствовала на Британских островах: 12 месяцев в году, 12 дюймов в футе, два 12-часовых периода в сутках, различные системы мер, также основанные на числе 12. Вызванная к жизни не чем иным, как десятью пальцами пары человеческих рук, десятичная система в конце концов вытеснила все другие системы счета, по крайней мере в странах Запада. Однако некоторые европейские мыслители эпохи Просвещения, последовавшей за эпохой Возрождения, проявляли немалый интерес к простой и изящной двоичной системы счисления. Постепенно эта система проникала из одной научной дисциплины в другую, из логики и философии в математику, а затем и в технику, где она сыграла важную роль на заре компьютерной революции.

 

История зарождения двоичного кода.

Полный набор из 8 триграмм и 64 гексаграмм, аналог 3-битных и 6-битных цифр, был известен в древнем Китае в классических текстах книги Перемен.

Порядок гексаграмм в книге Перемен, расположенных в соответствии со значениями соответствующих двоичных цифр (от 0 до 63), и метод их получения был разработан китайским учёным и философом Шао Юн в XI веке. Однако нет доказательств, свидетельствующих о том, что Шао Юн понимал правила двоичной арифметики.

Индийский математик Пингала разработал математические основы для описания поэзии с использованием первого известного применения двоичной системы счисления.

Узелковые носители информации «кипу», которыми инки пользовались вместо письменности, являются аналогом современного двоичного кода. К такому выводу пришел гарвардский исследователь древней южноамериканской цивилизации Гари Эртон.

По утверждению Эртона узелки на шнурках, завязанные инками, представляют собой 7-битный двоичный код и могут передавать до 1500 отдельных знаков.

Продолжая поиски твердого доказательства своей теории, профессор  Эртон надеется в ближайшее время  найти южноамериканский «камень Розетты» – повествование на «кипу», более 400 лет назад переведенную на испанский язык. Говоря о камне Розетты, ученый из США имеет в виду базальтовую плиту, найденную в Розетте, недалеко от египетского города Александрия. Эта находка содержала билингву и позволила египтологам расшифровать значение египетских иероглифов.

Согласно результатам исследований Эртона, у инков существовало семь способов завязывания «кипу». Общее число вариантов, полученных при сочетании различных методов вязания, достигает 128. Однако, как отмечает ученый, с учетом использования инками шнурков 24 цветов число комбинаций «кипу» достигает 1536.

Выводы Эртона говорят  о том, что, применяя «кипу», инки по количеству возможных к передаче знаков превзошли шумеров с их приблизительно 1000-1500 информационными блоками и в два раза превысили количество иероглифов египтян и майя. Если выводы профессора найдут подтверждение, получится, что инки изобрели двоичный код, как минимум, за 500 лет до появления компьютера и использовали его в трехмерной письменности.

Впрочем, без латиноамериканского «камня Розетты» доказать теорию Эртона будет очень непросто.

Наборы, представляющие собой комбинации двоичных цифр, использовались африканцами в традиционных гаданиях (таких как Ифа) наряду со средневековой геомантией.

 

 

Основоположники двоичной системы.

Одним из первых заинтересовался  двоичной системой гениальный немецкий ученый Готфрид Вильгельм Лейбниц, который, однако, подошел к ней окольным путем. В 1666 г., заканчивая университет – еще задолго до изобретения механического калькулятора, - двадцатилетний Лейбниц набросал работу «Искусство составления комбинаций» (De Art Combinatoria), которую скромно охарактеризовал как «сочинение школьника». В этой работе были заложены основы общего метода, который позволяет свести мысль человека – любого вида и на любую тему – к совершенно точным формальным высказываниям. Таким образом, открывалась возможность перевести логику (или, как называл ее Лейбниц, законы мышления) из словесного царства, полного неопределенностей, в царство математики, где отношения между объектами или высказываниями определяются совершенно точно. В дополнение к своему предложению сделать все рациональное мышление математически строгим, Лейбниц призвал к принятию «общего языка, бесконечно отличающегося от всех существовавших до сих пор, поскольку символы и даже слова его должны направлять наш разум, а ошибки, кроме тех, что заложены в исходных фактах, будут просто ошибками вычислений. Построить или изобрести такой язык или такие понятия очень трудно, но зато он будет легко понятен без всяких словарей».

Современники Лейбница, возможно, слегка озадаченные, а может быть, и возмущенные его предложением, оставили работу ученого без внимания, да и сам Лейбниц, по-видимому, не стал развивать идею нового языка. Однако десятилетие спустя он занялся исследованием строгих математических законов применительно к новой области – двоичной системе счисления. На кропотливой работе по переводу чисел из десятичной системы в двоичную его вдохновляла старинная рукопись, случайно попавшаяся ему на глаза. Это был комментарий по поводу знаменитой китайской книги «Ай чинг» (Книга перемен), в которой делалась попытка описать Вселенную во всей ее сложности с помощью ряда философских категорий противоположностей – например, таких понятий, как темнота и свет, мужское и женское начало. Ободренный этим созвучием со своими математическими концепциями Лейбниц терпеливо исследовал бесконечные комбинации нулей и единиц, формализуя найденные им закономерности и закладывая тем самым основы современной двоичной системы.

Однако при всей своей гениальности Лейбниц так и не смог найти  полезного применения полученным результатам.

Однако спустя более  ста лет после смерти Лейбница (1716) английский математик-самоучка Джордж Буль энергично принялся за поиски такого универсального языка. Примечательно, что этой целью задался человек такого скромного происхождения, как Буль. Он был родом из бедной рабочей семьи, жившей в промышленном городе Линкольне в восточной Англии. В те времена мальчик, родители которого были простыми рабочими, вряд ли мог надеяться получить солидное образование, а тем более сделать карьеру ученого. Однако решимость и целеустремленность Буля не знали границ.

В Линкольне была школа для мальчиков. Возможно, Буль посещал ее, но если и  так, то там он мог получить лишь самое элементарное образование. Однако его отец, самостоятельно овладевший кое-какими познаниями в математике, передал эти знания своему способному сыну. Уже к восьми годам мальчика всецело захватила жажда знаний. Предметом, который, по-видимому, сыграл важную роль в дальнейшей судьбе Буля, был латинский язык. Здесь отец ничем не мог ему помочь, но друг их семьи, занимавшийся книжной торговлей, в достаточной степени владел латинской грамматикой, чтобы дать Булю начальный толчок. Когда книготорговец обучил его всему, что знал сам, Буль продолжил учебу самостоятельно и в возрасте 12 лет уже переводил классическую латинскую поэзию. Еще через два года он овладел греческим языком, а затем добавил к своей коллекции языков французский, немецкий и итальянский.

В 1831 г. в возрасте 16 лет Буль был  вынужден поступить на работу, чтобы  помочь семье. Четыре года он проработал на малооплачиваемой должности помошника  учителя, но затем, осмелев, решил открыть  собственную школу. Поняв, что ему  следует углубить свои познания в математике, чтобы превзойти учеников, он приступил к чтению математических журналов, которые имелись в библиотеке местного научного учреждения. И тут у Буля обнаружились поистине неординарные способности. Изучив горы научных публикаций, он овладел сложнейшими математическими теориями своего времени. У него возникли и собственные оригинальные идеи. Буль стал записывать их, не прекращая в то же время преподавательской работы в своей маленькой школе. В 1839 г. одна из его статей была принята к публикации научным журналом. На протяжении следующего десятилетия работы Буля регулярно печатались, и его имя приобрело известность в научных кругах. В конце концов деятельность Буля получила столь высокую оценку, что он, несмотря на отсутствие формального образования, был приглашен работать на математический факультет Королевского колледжа в Ирландии.  

Имея теперь больше времени для  научной работы, Буль все чаще стал задумываться над вопросом, над которым  задолго до него размышлял Лейбниц, - как подчинить логику математике. В 1847 г. Буль написал важную статью на тему «Математический анализ логики», а в 1854 г. развил свои идеи в работе под названием «Исследование законов мышления». Эти основополагающие труды Буля внесли поистине революционные изменения в логику как науку.

Буль изобрел своеобразную алгебру – систему обозначений и правил, применимую ко всевозможным объектам, от чисел и букв до предложений. Пользуясь этой системой, Буль мог закодировать высказывания – утверждения, истинность или ложность которых требовалось доказать, - с помощью символов своего языка, а затем манипулировать ими подобно тому, как в математике манипулируют обычными числами.

Три основные операции булевой  алгебры – это И, ИЛИ и НЕ. Хотя система Буля допускает множество других операций – часто называемых логическими действиями, - указанных трех уже достаточно для того, чтобы производить сложение, вычитание, умножение и деление или выполнять такие операции, как сравнение символов и чисел. Логические действия двоичны по своей сути, они оперируют лишь с двумя сущностями - «истина» или «ложь», «да» или «нет», «открыт» или «закрыт», нуль или единица. Буль надеялся, что его система, очистив логические аргументы от словесной шелухи, облегчит поиск правильного заключения и сделает его всегда достижимым.

Большинство логиков того времени либо игнорировали, либо резко критиковали систему Буля, но ее возможности оказались настолько велики, что она не могла долго оставаться без внимания.

Американский  логик Чарлз Сандерс Пирс познакомил в 1867 г. с булевой алгеброй американскую научную общественность, кратко изложив существо этой системы в своем докладе для Американской академии наук и искусств. На протяжении двух последующих десятилетий Пирс затратил немало времени и сил, модифицируя и расширяя булеву алгебру. Он осознал, что бинарная логика Буля хорошо подходит для описания электрических переключательных схем. Например, ток в цепи может либо протекать, либо отсутствовать, подобно тому как утверждение может быть либо истинным, либо ложным. Электрический переключатель действует во многом сходно с логическим вентилем, либо пропуская ток (что соответствует значению «истина»), либо нет. Самого Пирса гораздо больше интересовала логика, чем электричество. И хотя позже он придумал простую электрическую логическую схему, она не была собрана.  

Тем не менее, внедрив булеву алгебру  в курсы логики и философии  в американских университетах, Пирс посеял семена, которые дали богатые  всходы пол столетия спустя. В 1936 г. выпускник американского университета Клод Шеннон, которому было тогда всего 21 год, сумел ликвидировать разрыв между алгебраической теорией и ее практическим приложением.  

В то время Шеннон только что перешел в Массачусетский технологический институт (МТИ) из Мичиганского университета, где получил два диплома бакалавра – по электротехнике и по математике. Желая подработать, Шеннон выполнял обязанности оператора на неуклюжем механическом вычислительном устройстве под названием «дифференциальный анализатор», который построил в 1930 г. научный руководитель Шеннона профессор В. Буш. Это была первая машина, способная решать сложные дифференциальные уравнения, которые позволяли предсказывать поведение таких движущихся объектов, как самолет, или действие силовых полей, например гравитационного поля. На решение подобных уравнений вручную уходили иногда целые месяцы, так что дифференциальный анализатор имел важное научное значение. Однако он обладал многими серьезными недостатками. Прежде всего это его гигантские размеры: подобно старинной Аналитической машине Бэббиджа, механический анализатор Буша представлял собой сложную систему валиков, шестеренок и проволок, соединенных в серию больших блоков, которые занимали целую комнату. Столь большие габариты устройства отчасти объяснялись тем, что расчеты проводились в десятичной системе счисления. Однако размеры это не единственный недостаток анализатора. Он был аналоговым устройством, которое само измеряло скорость и анновере, а затем на основе измеренных величин проводило расчеты. Чтобы поставить машине задачу, оператор вынужден был вручную подбирать множество шестереночных передач, на что уходило 2 – 3 дня. При любом изменении параметров задачи оператору приходилось изрядно потрудиться и перепачкаться в машинном масле.