Историята на една сбъдната мечта

Предмеханичен етап. Механичен етап. Електро-механичен етап.Електронен етап. Поколения компютри.

Развитието на човешките цивилизации е стимулирало развитието на средствата и на методите за смятане. Това от своя страна съществено е подпомогнало извършването на много важни открития. Затова още от древността мечтите и усилията на много изследователи са били насочени към създаване на устройства, автоматизиращи пресмятанията.

Днес тази мечта е вече реалност. А сега нека заедно да влезем в света на информатиката.

Началото.....

Развитието на изчислителните средства преминава през четири етапа:

-         предмеханичен

-         механичен

-         електромеханичен

-         електронен

Броенето може би е една от най-древните интелектуални дейности, които са извършвали хората. То е свързано с използването на числата, а първите сведения за това са от повече от 4000 г. пр.н. е.

Смятането с числа се развива относително по-късно. Основното средство, което хората използвали за събиране и изваждане на неголеми числа, са били пръстите на ръцете. Засилването на потребността от средствата за пресмятане довежда до появата на устройства, които могат да се обединят под общото наименование абак. Абакът е дъска с вдлъбнатини, в които се поставят камъчета. Аритметичните пресмятания се извършвали чрез предвижване на тези камъчета по определена схема от една вдлъбнатина в друга. С течение на времето вдлъбнатините на дъската и камъчетата били заменени от връвчици с нанизани мъниста, при което абакът придобива вида на познатото сметало.По-късно цивилизации от различни краища на света въвеждат разнообразни сметала, някои от които в усъвършенствани варианти не са изгубили смисъл и до днес. Това е предмеханичният етап.

Механичен етап

Първите съществени стъпки към механизация на пресмятанията извършват изследователите от 17 век. Открити са ръкописи на Леонардо да Винчи/1452-1519/ В тях са намерени чертежи на сумиращо устройство.Конструктори от фирмата IBM са създали по тези чертежи напълно работещ модел. През Средновековието редица изобретатели обмислят създаването на машина, способна да извършва аритметични действия по механичен път.

За родоначалник на механичния етап се приема френският математик Блез Паскал , който през 1641г конструира първата механична сумираща машина. Блез Паскал бил само на 18 години, когато се заел с търсене на отговори  за трудните по онова време въпроси:

-         Как да се представят числата в машината?

-         Как да се въвеждат числа в машината?

-         Как да се изпълняват аритметични операции?

-         Как да се показват получените от машината резултати?

През 1642г Паскал завършва своята аритметична машина, известна и като „Колелото на Паскал”, която усъвършенства многократно.

Откритието на Паскал е независимо от това на Шикард/прави чертежи на принципното действие на сумиращо устройство/ И двете машини работели с десетични числа и извършвали механичен пренос от разред към разред. Машината на Паскал извършвала операцията изваждане чрез замяната и с операцията събиране. Да се извършва умножение с машината на Паскал, било възможно, но твърде трудно и неудобно. Затова радостта на немският учен Лайбниц, когато създал през 1673г аритметична машина, била голяма и заслужена. Машината извършва четирите аритметични действия по механичен път.

През 1818г французинът Карл Томас конструира сметачна машина, която нарича аритмометър, който започва производството и.

Предвестникът на днешния компютър се свързва с името на Чарлз Бебидж./1792-1871/ Английският професор работи върху автоматизирането на пресмятанията. Той заживява с мечтата да създаде сметачна машина. Тя трябвало да извършва самостоятелно произволни пресмятания, като и се зададат съответен алгоритъм и данни. Тази машина нарича”аналитична машина” За нея той пише, че тя трябва да е изградена от следните основни блокове:

-         склад –устройство за съхраняване на числа;

-         мелница – устройство за извършване на аритметични действия;

-         устройство за управление на изчислителния процес;

-         устройство за въвеждане на числа;

-         устройство за показване на резултатите;

Бебидж почувствал аналогията, която съществувала в управлението на тъкачния стан на Жозеф Жакард с функциите на управляващото устройство. Жакард бил френски текстилен механик, който построил тъкачен стан, управляван чрез перфокарти. Бебидж виждал смисъла от използването на перфокарти не само при управляващото устройство, но и като средство за въвеждане на числа в машината.

Финансирането на неговия проект е отказано и с това се определя съдбата на това изобретение. Бебидж не публикува резултатите от своите проекти. За щастие това извършва Ада Лавлейс. Приносът на графинята е твърде съществен, защото тя съставя списък с команди, които днес наричаме програма за изчисляване на коефициенти на Бернули. С този резултат тя записва името си като първата програмистка. На нея дължим и въвеждането на важни за програмирането понятия като „работна клетка” и „цикъл”.

Електромеханичен етап

След Жакард и Бебидж възможностите за използване на перфокарти привличат вниманието на Херман Холерит/1860-1929/ Холерит е инженер по образование. Той работел върху проектирането на машина, която да обработва данни, получени от преброяването на населението. Системата от перфокартни устройства на Холерит включвала перфоратор, сортировъчна машина и табулатор. С разработката на серия от перфокартни машини Холерит на практика показва връзката между перфокартите и електрическите вериги, с което съществено се скъсява пътят до откриване на компютъра. А дотогава оставало по-малко от половин век.

През втората половина на 19 век се разработват теоретично редица въпроси, свързани с електричеството. Неговото първо приложение в производството на сметачни машини е използването му като движеща сила за задвижване на механизмите. Така механичните аритмометри стават електромеханични.

Първите сметачни  машини с програмно управление били построени на основата на електромагнитни релета. Това става в края на 30-те години в Германия и САЩ.

От 1938 г до 1941 г немският учен Конрад Цузе създава програмно управляема сметачна машина, като използва електромагнитни релета.

От 1939 до 1944г в САЩ Хауърд Айкън конструира машината МАРК – 1. Освен четирите аритметични действия тя намирала и стойността на величини, зададени таблично.

От 1940 до 1947г Джон Стибиц конструира машините Бел с детайли, схеми и апаратура, използвани в автоматичните телефонни централи. В Бел за първи път е вградена схема за проверка на работоспособността на апаратурата, която спирала машината, ако установи, че някое реле не работи.

Електронен етап

В края на 19 век започва развитието на електрониката. Идеята за използване само на електронни компоненти в изчислителните машини принадлежи на Джон Винсент Атанасов/1903-1996/ - професор по физика в колежа на щата Айова, САЩ. Джон Атанасов достига до четири принципни решения:

- за работата на компютъра трябва да се използват електричество и електронни устройства

- вместо традиционната десетична бройна система трябва да се използва двоична бройна система

- паметта на компютъра е необходимо да се състои от „регенеративни кондензатори”, с чието приложение ще се избягват и най-малките грешки.

- изчисленията трябва да се извършват директно чрез съответни логически схеми.

И четирите решения на Джон Атанасов са били точни и потвърдени в практиката.

През 1938 г Джон Атанасов и неговият аспирант Клифърд Бери започват работа по конструиране на машина, способна автоматично да решава система от 29 линейни уравнения с 29 неизвестни. През 1942г е готов първият вариант на машината , наречен по името на създателите си. АВС/Атанасов Бери Компютър/ Тази машина е  първата с изцяло електронна конструкция, съхраняваща вътрешно числовите данни в двоична бройна система.

През тридесетте години на 20 век Джон Мокли също работи по създаването на изчислителна машина. Под ръководството на  Мокли и Екерт през 1943г бива създадена изчислителна машина наречена ENIAC. Новата машина е универсален компютър и притежава редица достойнства, но управлението е слабо развито.

През 1946г Джон фон Нойман/1903-1957/ представя свой проект за създаване на автоматична машина наречена EDVAC Тя се основава на следните принципи:

-         машините с електронни елементи трябва да работят в двоична, а не в десетична бройна система

-         аритметичното устройство на машината се конструира на основата на електронна схема за извършване на операция събиране, защото останалите аритметични действия са производни на събирането

-         програмата управляваща работата на машината се съхранява в паметта на машината заедно с междинните числови резултати

През 1952г EDVAC влиза в редовна експлоатация, но първи компютър, запомнящ програмата си в паметта, е EDSAC. Той е завършен през 1949 г във Великобритания под ръководството на Уилкс.

Поколения компютри

Прието е компютрите да се делят на поколения в зависимост от физическата природа на елементите, използвани при конструирането.

Машините , в чиято конструкция се използват релета спадат към нулевото поколение.

В машините от първо поколение като конструктивен елемент се използват електронни вакуумни лампи. Такива са машините, строени до края на 50-те години на 20 век.

Второ поколение – Електронните лампи се заменят с транзистори. За външна памет се използват и преместваеми пакети от магнитни дискове. Компютрите са малко по-малки по размери.

Трето поколение – От средата на 60-те години на 20 век технологията за производство на интегрални схеми позволява създаването на интегрални схеми. Паметта и процесорът са изградени от интегрални електронни схеми, които силно снижават физическите размери и повишават скоростта  и надеждността на работа. Магнитните дискове са масово използвана външна памет. Работи се в многопрограмен режим/едновременно се изпълняват повече от една програма/

Четвърто поколение – В края на 60-те години на 20 век технологията за производство на интегрални схеми позволява създаването на интегрални схеми с висока степен на интеграция/паметта и процесорите се изграждат от сложни електронни схеми с голяма степен на интеграция, реализирани върху една силициева подложка. При тази технология един 16 разреден процесор съдържа 29 000 транзистора, а един 32 разреден процесор може да съдържа около 700 000 транзистора. Архитектурата е качествено нова. Оперативната памет е с голям обем. Висока е скоростта на изпълнение на операциите.

През 1971 г фирмата „Интел” предлага на пазара интегрална схема, реализираща функциите на централния процесор на компютър, която бива наречена микропроцесор. Конкурентите на Интел също създават микропроцесорни схеми, които полагат основите на производство на настолни компютри, получили названието микрокомпютри. Всички компютърни системи, изградени на базата на интегрални схеми с висока и свръхвисока степен на интеграция, чието производство започва в средата на 70-те години на XX век и продължава и до днес, спадат към четвъртото поколение компютри.

Някои автори говорят за пето поколение – това са компютрите на бъдещето. Например общуването с тях трябва да бъде на език, близък до естествения. Няма единно становище за архитектурните характеристики на тези компютри.