История двоичного кода

В качестве темы диссертации  Буш предложил Шеннону изучить  логическую организацию своей машины. По мере того как Шеннон все глубже вникал в устройство этой неудобной машины, у него росло настойчивое желание усовершенствовать ее. Вспомнив булеву алгебру, которую он изучал еще студентом, Шеннон поразился, как в свое время Пирс, ее сходством с принципами работы электрических схем. Постепенно у Шеннона стали вырисовываться контуры устройства компьютера. Если построить электрические цепи в соответствии с принципами булевой алгебры, то они могли бы выражать логические отношения, определять истинность утверждений, а также выполнять сложные вычисления. Электрические схемы, очевидно, были бы гораздо удобнее шестеренок и валиков, щедро смазанных машинным маслом. 

  

По определению Клода  Шеннона, наименьшая единица информации в двоичном коде, который применяется в современных компьютерах, - это бит (bit – сокращение от binary digit, что означает «двоичный разряд»). Четыре бита образуют полубайт, а два полубайта составляют байт, который многие компьютеры обрабатывают как единое целое; другие компьютеры способны обрабатывать более длинные цепочки двоичных разрядов, называемые «словами».

 

 

Свои идеи относительно связи между двоичными числами, булевой алгеброй и электрическими схемами Шеннон развил в докторской диссертации, опубликованной в 1938 г. Эта блестящая работа, которая немедленно отразилась на принципах разработки телефонных станций, по праву считается поворотным пунктом в истории развития современной информатики и вычислительной техники. (Десятилетием позже Шеннон опубликовал еще одну основополагающую работу - «Математическую теорию связи», - где изложил идеи, которые впоследствии легли в основу новой отрасли науки – теории информации. Шеннон предложил метод, позволяющий определять и измерять информацию в математическом смысле, путем сведения ее к выбору между двумя значениями: «да» и «нет», или двоичными разрядами. Эта идея составляет фундамент современной теории связи.).

Потребность в удобной  машине, способной решать сложные  дифференциальные уравнения, была настолько  велика, что еще трое исследователей – двое в США и один в Германии – развивали одни те же идеи практически одновременно. Независимо друг от друга они поняли, что булева логика может послужить очень удобной основой для конструирования компьютера.

А в это время на другом конце страны Джордж Стибиц, математик из фирмы «Bell Telephone Co», «Белл телефон лабораторис», по привычке размышлял на досуге «о том, о сем». Однажды, в 1937 г., ему в голову пришла мысль, что булева логика – это естественный язык, на котором должна основываться работа систем электромеханических телефонных реле.

Стибиц сразу приступ  ил к работе, полагая, что руководство  фирмы найдет применение его результатам. Как и все любители по изобретать, он начал с того, что собрал необходимые  детали и принадлежности. Работая по вечерам за кухонным столом, он собрал аппарат из старых реле, пары батареек, лампочек, проводов и металлических полосок, нарезанных из жестяных банок. Созданное им устройство, в котором использовались логические вентили, управляемые электрическим током, было электромеханической схемой, выполняющей операцию двоичного сложения. Это было первое устройство подобного типа в США. В наши дни двоичный сумматор по-прежнему остается одним из основных компонентов любого цифрового компьютера.   

Еще через пару лет Стибиц вместе с другим сотрудником фирмы, инженером – электроником Сэмюелом Уильямсом, разработал устройство, способное производить операции вычитания, умножения и деления, а также сложения комплексных чисел. Стибиц назвал свою машину калькулятором комплексных чисел, и в январе 1940 г. ее начали использовать в управлении фирмы на Манхэттене. Установленный рядом телетайп передавал на машину сигналы и через считанные секунды получал ответы. Затем к машине подсоединили еще два телетайпа, расположенные в других помещениях, что позволило людям, работавшим в разных отделах, пользоваться одним и тем же компьютером. В сентябре того же года к системе присоединили четвертый телетайп, который находился от нее на расстоянии 400 км, В зале Дартмутского колледжа в анновере, шт. Нью-Гэмпшир. Здесь перед удивленной аудиторией, которую составили 300 членов Американского математического общества, Стибиц продемонстрировал, как можно производить вычисления на электромеханическом калькуляторе, управляемом на расстоянии.  

Однако еще до того, как Шеннон закончил диссертацию, а Стибиц начал собирать модель калькулятора на кухонном столе, подобной работой занялся их собрат по духу, живший в Берлине, который трудился практически в полной изоляции в маленькой квартирке своих родителей.

Конрад  Цузе с детства любил изобретать и строить. Еще школьником он сконструировал действующую модель машины для размена монет. Приблизительно в то же время он создавал проект города, рассчитанного не больше, не меньше как на 37 млн. жителей. В 1934 г., будучи студентом технического вуза, Цузе почувствовал, что ему до смерти наскучили длинные, утомительные математические расчеты, столь необходимые в инженерной практике. Как в свое время Лейбниц, а позднее Атанасофф, Шеннон и Стибиц, Цузе стал мечтать о машине, которая могла бы взять на себя эту изнурительную работу. В идеале, думал он, такая машина должна быть программируемой, способной решать любые, сколь угодно сложные математические задачи. Не имея ни малейшего представления о работе Чарлза Бэббиджа, Цузе начал разрабатывать универсальную вычислительную машину, во многом подобную Аналитической машине Бэббиджа.

Цузе практически ничего не знал о таких вычислительных машинах, как дифференциальный анализатор. Однако много лет спустя он писал, что  в этом состояло его преимущество – в силу своей неосведомленности он был свободен в поисках системы, наиболее подходящей для автоматических вычислений. Поэкспериментировав сначала с десятичной системой, Цузе предпочел все же двоичную. И здесь он проявил незаурядные способности. Зная о работах Буля не больше, чем о машине Бэббиджа, он тем не менее использовал в задуманном им компьютере принципы булевой алгебры. 

В 1936 г. Цузе уволился из технической  фирмы, где работал, и отдал все  свое время разработке компьютера. Получив немного денег от друзей, он устроил «мастерскую» на маленьком столе в углу гостиной в доме родителей. Когда машина стала обретать форму и разрастаться в размерах, он придвинул еще пару столов к своему рабочему месту. В конце концов ему пришлось переместиться со своим детищем в середину комнаты. Через два года он завершил постройку машины, которая занимала площадь около 4 квадратных метров и представляла собой хитросплетение реле и проводов.

Машина, которую Цузе назвал Z1 (по-немецки его фамилия  пишется как Zuse), имела клавиатуру, с которой вводились в нее условия задач. По завершении вычислений результат высвечивался на панели с множеством маленьких лампочек. В общем Цузе был доволен своим аппаратом, сомнения вызывала только клавиатура, которая, на его взгляд, была неудобной и слишком медленно действовала. Перебрав в уме другие возможные варианты, он придумал очень остроумное и дешевое устройство ввода: Цузе стал кодировать инструкции для машины, пробивая отверстия в использованной 35-миллиметровой фотопленке. Машина, работавшая с перфорированной лентой, получила название Z2.

Цузе с энтузиазмом  продолжал свою работу в одиночку до 1939 г. Но тут началась вторая мировая  война. Цузе, Стибиц и другие пионеры  вычислительной техники по обе стороны  Атлантического океана оказались втянутыми в лихорадочную гонку, целью которой было создание на основе их разработок принципиально нового вида вооружений. Война дала мощный импульс дальнейшему развитию вычислительной теории и техники. Она также способствовала тому, что были собраны воедино разрозненные достижения ученых и изобретателей, внесших свой вклад в развитие двоичной математики, начиная Лейбница.

 Двухсимвольное представление информации в конце концов было принято за основу языка электронных вычислительных машин.

 

 

 

Заключение.

Хотя внутренний язык некоторых компьютеров первого  поколения был основан на десятичной системе счисления, начиная с 50-х  годов практически во всех цифровых вычислительных машинах применялась  уже двоичная система. Наличие всего  двух символов значительно упрощало и удешевляло схемы, построенные на основе этой системы. Микроскопические электронные переключатели в центральном процессоре современного компьютера принимают только два состояния - они либо проводят ток, либо нет, представляя тем самым значения 0 и 1. Для схем, построенных на десятичной системе, потребовалось бы 10 различных состояний. Двоичная система соответствует также алгебраической системе логики, разработанной в XIX в. английским математиком Джорджем Булем. В рамках этой системы высказывание может быть либо истинным, либо ложным, подобно тому как переключатель может быть либо открытым, либо закрытым, а двоичный разряд - равен 1 или 0. 

Если расположение переключателей соответствует булевым функциям, то образованные из этих переключателей схемы могут выполнять как арифметические, так и логические операции. Такая арифметическая схема, называемая двоичным сумматором. Функции сумматоров определяются самим их названием: они суммируют двоичные числа, следуя правилам, аналогичным правилам сложения десятичных чисел. 

Компьютеры способны также обрабатывать информацию, которая, казалось бы, не имеет  ничего общего с числами или логикой. Например, они могут обрабатывать звуки, вводимые через микрофон, воспроизводя их затем через громкоговоритель или записывая на специальный диск. Они могут следить за температурой в лабораториях или манипулировать телевизионными изображениями. Во всех этих случаях компьютер сначала переводит информацию в цифровую форму, т. е. представляет ее в виде двоичных разрядов. Например, чтобы перевести в цифровую форму музыкальный звук, компьютер периодически снимает характеристики звуковых волн, записывая результаты каждого измерения в виде двоичного числа. Выполняя эти измерения через строго определенные очень короткие интервалы времени, компьютер может записывать звук, создаваемый целым симфоническим оркестром, а затем воспроизводить его с исключительной чистотой, просто обратив процесс преобразования информации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список источников:

1. История компьютера;
2. Википедия. История двоичного кода;