Лекция по информатике на тему "История развития средств вычислительной техники"

 Тема    История развития средств вычислительной техники

 Цели  1)Усвоение новых учебных элементов на уровне знакомства;

2) Воспитание познавательного интереса, дисциплинированности и ответственного отношения к своей учебной деятельности.

 Содержание занятия

Следуя мудрому высказыванию великого ученого Г.В. Лейбница: "Кто хочет ограничиться настоящим без знания прошлого, тот никогда не поймет его".

Итак, рассмотрим вопрос о зарождении и основоположниках первых вычислительных машин. Назовем имена выдающихся ученых, внесших свой вклад в развитие СВТ .

Понятие числа возникло задолго до возникновения письмен­ности. Люди научились считать, в течении сотен веков передавая свой опыт и свои знания из поколения в поколение.

Древнейшим "счетным инструментом", который сама природа предоставила в распоряжение человека, была его собственная ру­ка. По словам знаменитого русского путешественника Н.Н. Мик­лухо-Маклая, туземцы Новой Гвинеи считали следующим образом:

"... папуас загибает один за другим пальцы руки, причем изда­ет определенный звук, например " бе, бе, бе,...". Досчитав до пяти, он говорит: "ибен-бе" (рука). Затем он загибает пальцы другой руки, снова повторяет: "бе, бе,…” пока, не доходит до "ибен-али" ( две руки ). Затем он идет дальше, при­говаривая "бе, бе,…” пока не доходит "самба-бе" и "сам-ба-али" (одна нога, две ноги). Если нужно считать дальше, папуас использует пальцы рук и ног кого-нибудь другого. От пальцевого счета берут начало пятеричная система счисления (одна рука), десятичная (две руки), двадцатеричная (пальцы рук и ног). Полное описание пальцевого счета составил в средневековой Европе ирландский монах Беда Достопочтенный. Среди его трудов есть трактат “ О счислении ” В нём подробно излагаются способы счета на пальцах, причем этот счет распро­страняется на все числа вплоть до миллиона. Этот трактат явился источником, откуда средневековые составители учебников арифметики в течение многих лет черпали свои сведения о паль­цевом счете. Наряду со способами простого подсчета на пальцах отдельных предметов в этих учебниках излагаются сведения о  выполнении арифметических операций с помощью пальцев рук.

Издревле употребляется еще один вид инструментального счета - с помощью деревянных палочек с зарубками (бирок ).Ими пользовались для учета сбора налогов. Бирка разрезалась на две продольные части, одна оставалась у крестьянина, другая –у  сборщика налогов. По зарубкам на обеих частях и велся учет платы налогов, который проверяли складыванием частей бирок.

Другие народы (китайцы, индийцы, персы) использовали для представления чисел и счета ремни или веревки с узелками. Но с развитием торговли эти формы счета не могли удовлетворить возрастающую потребность в счете. Появляется счетный прибор абак. Происхождение этого термина не установлено. По толкованию большинства историков - это дощечка, покрытая пылью. В своей примитивной форме абак действительно представлял такую дощечку. На ней острой палочкой проводили линии, и в получившихся колонках по позиционному принципу размещали какие-нибудь предметы, например камешки или палочки.

Пример абака.

На абаке можно также выполнять арифметические операции

над числами   258+54.

 

Рисунок1 Пример сложения на абаке

Вычитание выполняется изъятием камешков, умножение как повторное сложение, деление - как повторное вычитание. В последствии абак претерпел ряд изменений. В результате замены камешков косточками или шариками, нанизанными на нити или прутья,

получили разновидности абака суан пан (Китай ХП в.), японский соробан

 ( ХУ - ХУ1 в. ) и, наконец, русские счеты в своей первоначальной форме появились примерно на рубеже ХУ1-ХУ11 веков. Долгое время считалось, что русские счеты ведут свое происхождение от китайского суан-паня, и лишь в начале 60-х годов нашего столетия ленинградский ученый И.Г. Спасский убедительно доказал оригинальное, русское происхождение этого счетного прибора, у него, во-первых, горизонтальное расположение спиц с косточками и, во-вторых, для представления чисел использована десятичная (а не пятеричная ) система счисления. Русские счеты широко использовались при начальном обучении арифметике ( 1828 г. ).

Нам, живущим в эпоху широкого распространения вычислений, нелегко вообразить, сколь затруднительны для людей ХУ1-ХУП столетий были обычные арифметические операции, особенно с большими числами. Чиновник британского адмиралтейства Сэмюэл Пепис 4 июля 1662 г. в своем дневнике писал: "К пяти часам утра, приведя в порядок свой журнал,  я отправляюсь  в контору. Вскоре туда приходит м-р Купер, с помощью которого я надеюсь изучить математику... Я пытаюсь прежде всего выучить таблицу умножения ...". Пепис был человеком хорошо образованным для своего времени, он имел кембриджский  диплом. Впоследствии он стал, президентом Королевского общества и другом Исаака Ньютона.  Однако и ему приходилось "бороться" с таблицей умножения, чтобы осилить простые вычисления, необходимые при закупке адмиралтейством пеньки или древесины. Что же говорить о необразованных землемерах, моряках каменщиках, профессиональное искусство которых все больше стало зависеть от умения быстро и правильно вычислять

Понятно поэтому, какое значение; имело изобретение логарифмов. В 1624 г. шотландский барон Джон Непер опубликовал свой знаменитый трактат "Описание удивительных таблиц логарифмов".

Изобретение логарифмов, по словам Лапласа, "сократив труды астронома, удвоило его жизнь", послужило основой для изобретения замечательного вычислительного инструмента, вот уже 350 лет служащего инженерам всего мира - логарифмической линейки.

Наиболее удачным вариантом логарифмической линейки была лога­рифмическая шкала профессора астрономии Грэшемского колледжа Эдмунда Гюнтера. ( шкала Гюнтера, представляла собой прямолинейный отрезок, на котором откладывались логарифмы чисел или тригонометрических величин. Гюнтер впервые ввел общепринятое теперь обозначение  log  и термины  cos , ctg.

В России первое описание шкалы Гюнтера было сделано соратником Петра I, профессором Морской Академии А.Фархварсоном в 1739 г.

Первая механическая счетная машина была изготовлена в. 1623 г. Незначительный промышленный выпуск таких машин стал возможным лишь спустя 200 лет.  Настоящее распространение и использование механических счетных машин началось лишь в 1880-1890 годах.

Долгое время считалось, что  первая механическая суммирующая машина была изготовлена в 1642 году Блезом Паскалем (1623-1662г.г.), в последующем великим математиком, физиком и философом. Но в 1957 году в библиотеке г. Щтуттгарта  (ФРГ ) среди записей  и документов великого математика и астронома Иоганна Кеплера был обнаружен чертеж неизвестной ранее счетной машины. Как удалось установить, это был чертеж машины, сконструированной и изготовленной другом Кеплера, профессором университета в Тюбингене Вильгельмом Шиккардом в 1623 г. Кроме того, в архивах было найдено описание суммирующей машины Леонардо да Винчи ( 1452 - 1519 г.г.). Машина выполняла над числами операции с помощью колес, которые при добавлении единиц поворачивались на 6 градусов и приводили в движение следующие по старшенству колесо всякий раз, когда цифра 9 должна была перейти в значение 10.   

             Первые механические счетные машины появились в нескольких экземплярах и не получили в ХУП - ХУШв.в. сколько-нибудь серьезного применения.   

Во- первых, они не были по настоящему необходимы

Во-вторых, они были ненадёжны и неудобны в эксплуатации. Это происходило вследствие низкого уровня технологических процессов и невысокой вследствие этого точности изготовления, и сборки.

                          

Механическая счетная машина Блеза Паскаля

Коренное изменение произошло в XIX столетии, когда рост промышленности и транспорта, расширение коммерческой деятельнос­ти банков сделали построение быстродействующих и надежных счет­ных машин актуальной задачей.

В 1646 году в Германии рождается великий ученый Лейбниц. Современников Лейбница поражала его фантастическая эрудиция, почти сверхъестественная память и удивительная работоспособность. В 18 лет он защитил магистерскую диссертацию по философии, а в следующие два года получил степени бакалавра и доктора права. Лейбниц становится дипломатом , государственным деятелем, занимается вопросами народного просвещения и церковными делами, удушает горное и монетное дело, помимо этого он ставит химические опыты, интересуется медициной, изобретает различные устройства, выдвигает ценные идеи в геологии, психологии, лингвистике.

Кроме того, несравненно более велик его вклад в философию, физику, механику и особенно в математику. Ведь вы при изучении курса математики не раз сталкивались с именем Лейбница, одного из создателей дифференциального и интегрального исчисления. Гениальность Лейбница состояла в том умении увидеть сущность, основу любой проблемы.

Арифметическая машина Лейбница (1673г.) была первым в мире арифмометром - машиной, предназначенной для выполнения всех четырех действий арифметики. Машина Лейбница, несмотря на все остроумие ее изобретателя не получила широкого распространения, вследствие высокой стоимости, чрезвычайных трудностей изготовления и больших требований к точности, которые трудно было удовлетворить в ХШ в. Но важнейший элемент - ступенчатый валик для представления чисел - сохранился в арифмометрах до настоящего времени. 

Вычислительными машинами занимался такой великий русский ученый как Пафнутий Львович Чебышев (1821-1894г.). Среди многочисленных изобретенных им механизмов имеется также ариф­мометр, сконструированный в 1878 г. По тому времени это была одна самых оригинальных вычислительных машин. Чебышев создал для этого арифмометра очень оригинальный механизм переноса разрядов. Еще одно новое устройство фиксирования вводимого слагаемого был предложен в 1876 году петербургским чиновником В.Т. Однером. Устройство Однера было использовано в арифмометрах, которые начали выпускаться в России с 1894 г. и с некоторой модернизацией выпускались до середины 60-х годов.

Арифмометры «Феликс», являющиеся прямыми потомками арифмометров Однера ещё лет десять назад использовались во многих учреждениях. Только в 70-х годах арифмометра стали активно вытесняться настольными электронными вычислительными машинами.

Механическая эра отразилась и в истории машин непромышленного действия. В XIX в. было предложено несколько  различных приборов для измерения длин  (лонгиметров) и площадей (планиметров).  Из последних следует отметить очень удачный полярный планиметр Амслера, предложенный в 1854 г. швейцарским математиком Я.Амслером (1863-1912г.). С некоторыми модификациями он применяется до сих пор.

                    

Наиболее интересным и важным изобретением в этой области явился механический интегратор для решения дифференциальных уравнений, построенный в 1912. году великим русским математиком и инженером А.Н. Крыловым ( 1863-1945 ).

Это была первая интегрирующая машина непрерывного действия, позволяющая решать дифференциальные уравнения, до четвертого порядка. Крылов является автором ряда других оригинальных механических вычислительных устройств, использованных в приборах управления стрельбой – первых автоматических системах управления применяющих средства вычислительной техники.

Механические вычислительные машины, о которых мы говорили   ( машины Паскаля, Шиккарда, Лейбница, арифмометры ) были ручными, т.е. требовали большого участия человека в работе, т.е. большого ускорения в вычислительном процессе они дать не могли.

А нельзя ли создать автоматическую. Вычислительную машину, которая осуществляла бы требуемые вычисления без участия человека?

Первым поставил перед собой эту проблему великий английский ученый, инженер и изобретатель Чарльз Беббедж. Беббедж был весьма разносторонним человеком, его перу принадлежит большое число научных работ в самых различных областях: математике, прикладной статистике, теории магнетизма, геологии, ботанике, экономике и т.д.

Но «главным делом жизни» Беббеджа, по словам самого ученого, были вычислительные машины. В 1820-22 г.г. Беббедж собственноручно изготовил машинку, которая должна была рассчитывать значения определенного класса функций с точностью до 20 знаков. Хотя разработанная машина в процессе вычислений не требовала вмешательства оператора, но это было, по современной терминологии, специализированное вычислительное устройство с фиксированной программой. Беббедж не захотел  ограничиться таким уровнем автоматизации и пошел дальше. В 1834 году он изобрел универсальную вычислительную машину с программным управлением, которую назвал аналитической машиной. Эта машина служит прообразом универсальной вычислительной машины, которая появилась более чем через 100 лет.

Основная его идея воплощается во всех современных ЭВМ (это последовательность операций над величинами).

Аналитическая машина Беббеджа имела следующие составные части:

1)    «Склад» ( ЗУ )

2)    «Мельница» ( АУ )

3) УУ

3)    УВВы         

Аналитическая машина не была построена, но Беббедж сделал более 200  чертежей её различных узлов, около 30 вариантов различной комплектовки машины и изготовил за свой счет некоторые устройства.

Таким образом, история универсальных вычислительных машин с программным управлением началась с аналитической машины Беббеджа.

Следующий важный шаг на пути автоматизации был сделан в 1888г американцем Германом Холлеритом, который изобрел электромеханические машины для вычислений с помощью перфокарт. Важность этого этапа заключается в том, что впервые в вычислительных машинах начинает применяться электричество.

 Г. Холлерит явился родоначальником семейства электромеханических машин для обработки статистических данных ( счетно-перфорационные машины ).

В 1896 году Холлерит основал фирму по выпуску перфокарт и счетно-перфорационных машин. Эта фирма затем была преобразована в фирму  IBM, которая ныне самый крупный поставщик электронных машин во всем мире.

В 1854 году английский математик Джордж Буль опубликовал книгу «Законы мышления», в которой им была развита алгебра высказывании, получившая позже название булевой алгебры. Булева алгебра явилась основой, на которой в начале нашего столетия начала развиваться теория релейно-контактных схем. Булева алгебра и сейчас является инструментом разработки сложных схем, логических элементов, из которых состоит современная ЭВМ.

Заключение

Итак, мы сегодня рассмотрели довольно длинный период – предисторию развития ЭВМ, т. е. историю развития средств вычислений  до появления первой ЭВМ. На следующем занятии мы завершим рассмотрение истории ЭВМ, но вопрос еще не исчерпан, т. к. не может вместиться в рамки двух лекций, поэтому я предлагаю вам реферативную работу по этой теме.

Литература

1.                 Информатика / Под ред. проф. Макаровой Н.В. – М.: Финансы и статистика, 2012.

2.                               Астафьева Н. Е., Гаврилова С. А., Цветкова М. С. Информатика и ИКТ: Практикум для профессий и специальностей технического и социально-экономического профилей: учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования / под ред. М. С. Цветковой. — М., 2014

3.                               Малясова С. В., Демьяненко С. В. Информатика и ИКТ: Пособие для подготовки к ЕГЭ : учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования / под ред. М. С. Цветковой. — М., 2013.

4.                               Цветкова М. С., Великович Л. С. Информатика и ИКТ: учебник для студ. Учреждений сред. проф. образования. — М., 2014

5.                               Цветкова М. С., Хлобыстова И.Ю. Информатика и ИКТ: практикум для профессий и специальностей естественно-научного и гуманитарного профилей : учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования. — М., 2014.

6.                               Цветкова М. С. Информатика и ИКТ: электронный учеб.-метод. комплекс для студ. учреждений сред. проф. образования