Параллельное развитие аналоговой и цифровой вычислительной техники

Министерство образования  и науки РФ

Старооскольский технологический институт

им. А.А. Угарова (филиал) федерального государственного автономного образовательного 

учреждения высшего  профессионального образования

«Национальный исследовательский  технологический университет «МИСиС»

 

Кафедра гуманитарных наук

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 «ИСТОРИЯ И ФИЛОСОФИЯ НАУКИ»

на тему «ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ  РАЗВИТИЕ АНАЛОГОВОЙ И ЦИФРОВОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ»

по специальности 05.13.06 - «Автоматизация технологических процессов и  производств» 

(Философские проблемы  информатики)

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

аспирант кафедры

«Автоматизированных и информационных

систем управления»

 

 

 

 

Научный руководитель

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сарый Оскол,

2013

 

Содержание

Введение 3

1. Цифровая  вычислительная техника 4

1.1. Домеханический  период 5

1.2. Механический  период 8

1.2.1. Машина  Леонардо да Винчи 9

1.2.2. Машина  Шаккарда 10

1.2.3. Суммирующая  машина Б. Паскаля 11

1.2.4. Счетная  машина Г. В. Лейбница 11

1.2.5. Арифмометр  К. Томаса 12

1.2.6. Арифмометр  В. Однера 12

1.2.7. Арифмометр  Гамана 13

1.2.8. Перфокарты  Ж.Жаккара и схема вычислений  Г.Прони 14

1.2.9. Машины  Ч. Бэббиджа 15

1.2.9.1. Разностная  машина 15

1.2.9.2. Аналитическая  машина 16

1.3. Электромеханический  период 18

1.3.1. Табулятор  Г. Холлерита 19

1.3.2. «Изобретатель  компьютера» К. Цузе 20

1.3.3. Машины  Дж. Стибица 21

1.3.4. Машины  Г. Эйкена 21

1.3.5. РВМ-1 –  последний крупный проект в  области релейной вычислительной  техники 22

1.4. Электронный  период 23

2. Аналоговая  вычислительная техника 26

2.1. Логарифмическая  шкала, логарифмическая линейка 26

2.2. Графики,  номограммы, планиметр 27

2.3. Изобретения  А.Н. Крылова 27

2.4. Изобретения  электромеханического периода 28

2.5. Изобретения  советской научной школы 28

Заключение 30

Список используемой литературы: 32 

Введение

Вычислительная техника сегодня является важнейшим компонентом процесса вычислений и обработки данных. Основой современной научно-технической революции является бурное развитие средств обработки информации, широко используемых во всех областях научной и производственной деятельности. В настоящее время вычислительная техника располагает различными средствами и почти неограниченными возможностями для выполнения работ, связанных с логической обработкой информации и вычислениями. Современному человеку трудно представить практически любую свою деятельность, требующую рутинной работы, без использования компьютерных средств, выполняющих миллионы операций в секунду. Сегодня с каждым днем наблюдается тенденция к автоматизации, т.е. минимизации участия человека в вычислительном процессе. За всем этим трудно представить, что человечество в самых первых упоминаниях о потребности «в счете» обходилось самым простым, дарованным самой природой способом – счетом на пальцах…

В данной работе проведен анализ истории вычислительной техники  с самого её зарождения до настоящего состояния. На основе метода сопоставления проведено сравнение технического уровня аналоговых и цифровых вычислительных устройств в различные этапы их развития.

Целями данной работы являются:

- формирование общего  представления о зарождении и  процессе технической эволюции вычислительной техники;

- оценка вкладов исследователей  и разработчиков в данной области, а также смежных наук, способствовавших усовершенствованию вычислительного процесса;

- выявление тенденций в параллельном развитии аналоговой и цифровой вычислительной техники. 

1. Цифровая вычислительная техника

Понятие цифровая вычислительная техника включает в себя доэлектронные математические инструменты и приборы, счетные приспособления и устройства, электронные вычислительные устройства и машины, общей чертой работы которых являются операции с цифровыми (дискретными) кодами математических величин [1-5].

Стремительное развитие цифровой вычислительной техники и становление  науки о принципах ее построения и проектирования началось в 40-х  годах прошлого века, когда технической базой вычислительной техники стала электроника, затем микроэлектроника, а основой для развития архитектуры ЭВМ - достижения в области искусственного интеллекта.

До этого времени в  течение почти 500 лет цифровая вычислительная техника сводилась к простейшим устройствам для выполнения арифметических операций над числами. Основой практически  всех изобретенных за 5 столетий устройств  было зубчатое колесо, рассчитанное на фиксацию 10 цифр десятичной системы  счисления. Однако история вычислительной техники не ограничивается эпохой механических средств арифметических вычислений.

В истории вычислительной техники принято выделять четыре периода [1,7]:

1. Домеханический (с древних времен до середины XVII в.);

2. Механический (с середины XVII в. до конца XIX в.);

3. Электромеханический (с конца XIX в до 40-х гг. XX в.);

4. Электронный (с 40-х гг. XX в. по настоящее время).

Каждый этап развития вычислительной техники характеризуется созданием  технического средства нового типа, конструкция  которого развивается на протяжении этого временного периода и достигает, в конечном счете, высокой степени совершенства, что требует принципиального нового подхода к созданию вычислительных средств.

Наиболее интересным с  точки зрения изучаемого вопроса  в данной работе, безусловно, является последний период – время современной вычислительной техники, основными представителями которых являются аналоговые, цифровые и гибридные электронные машины. Именно в этот период происходит явная конкуренция аналоговой и цифровой вычислительной техники [2].

В данной работе кратко представлены основные идеи и принципы обработки информации в различные периоды развития вычислительной техники.

1.1. Домеханический период

Люди с давних пор испытывали потребность в счете, для чего они использовали пальцы рук, камешки, которые складывали в кучки или располагали в ряд. Человечество училось считать в течение многих веков, передавая и накапливая из поколения в поколение свой опыт.

Появление собственности  на землю потребовало определения способов вычисления площади участков, что привело к зарождению геометрии. Общеизвестны достижения Евклида, Пифагора и других греческих ученых в этом направлении. Развитие торговли также ставило все новые задачи. Помимо учета товаров и денежных сумм, появились и более сложные проблемы. Купцам приходилось предпринимать все более дальние путешествия, а для этого требовались средства навигации. Астрономы древности решали и эти задачи. Все в конечном итоге сводилось к расчетам, и чем точнее они были, тем успешнее решались насущные задачи.

Древнейшей техникой счета, которую сама природа предоставила в пользование человеку, был счет на пальцах. От пальцевого счета берет  начало пятеричная, десятеричная, а  также двадцатеричная системы счисления. Свидетельствами распространения  данной техники в Риме является упоминание древнеримского историка Плиния-старшего – на главной римской площади Форуме была воздвигнута гигансткая фигура двуликого бога Януса, пальцы рук которого изображали количество дней в году.

Китайцы, персы, индийцы, перуанцы использовали для представления  чисел и счета ремни или  веревки с узелками, называвшимися  по-другому «куиру».Узелковое письмо представляло несколько связанных между собой шерстяных или хлопчатобумажных ниток. Широкое распространение такой способ получил в области Центраных Анд в эпоху расцвета государства инков Туантинсуйу в XV в. н.э.. Свои счетные веревки инки называли «кипу» (рис.1).

Рис.1 Кипу, найденный вблизи развалин храма Почакамак

Следующий шаг в развитии вычислительных средств был связан со становлением государств Средиземноморья. Усиление торговых отношений между ними привело к созданию нового инструмента - абака, известного практически у всех народов.

Первоначально на специальной доске в определенном порядке раскладывали однородные предметы (камешки, ракушки, орехи, бобы и т.п.) и пересчитывали их. Для того, чтобы они не скатывались, доска покрывалась слоем песка или пыли. Поэтому абак означает дощечку, покрытую слоем пыли. В своей примитивной форме абак действительно представлял собой такую дощечку. Абак считается первым развитым счетным прибором в истории человечества [2].

Считается, что абак изначально применяли в Древней Греции, Древнем  Востоке, в том числе в Вавилоне, Древнем Египте и Финикии. Отсюда разновидности абаков – вавилонский, греческий (V в. до н.э.), римский (V-VI вв. н.э.), египетский, китайский «суаньпань» (VI в. н.э.), японский «соробан» (XV-XVI вв.н.э.), английский (XV в.н.э.).

Рис.2 Китайский «суаньпань»

На рубеже XVI-XVII вв. появляется русский абак – счеты. Русские счеты широко использовались при начальном обучении арифметике в качестве учебного пособия.

После изобретения абака многие изобретатели и естествоиспытатели пытались придумать приспособления, способные облегчить процесс вычислений. Абак удобно использовать для выполнения операций сложения и вычитания. Умножение и деление выполнять с помощью абака гораздо сложнее.

Революцию в области механизации умножения и деления совершил шотландский математик лорд Джон Непер (1550–1617).

Изобретением, относящимся  к цифровой вычислительной технике, в 1617 г. Джон Непер предложил инструмент, получивший название «счетные палочки Непера». Они выполнялись в виде прямоугольных брусков, разделенных на десять квадратов, и позволяли выполнять операции умножения, сводя его к сложению. Кроме того, Непер предложил счетную доску для операций умножения, деления, возведения в квадрат и извлечения корня в двоичной системе счисления.

Середина XVII в. считается завершением домеханического периода доэлектронной истории. Рассмотрев основные средства и техники вычисления этого периода, становится понятным, что с древних времен перед человечеством стояли задачи, требовавшие все более возрастающих объемов вычислений (вследствие развития торговли, путешествий, введений налогов и т.п.), что в конечном итоге является предпосылкой бурного развития вычислительной техники и перехода к механизации арифметических операций.

1.2. Механический период

Потребность в автоматическом вычислении возникла в средние века в связи с резко возросшими в этот период торговыми операциями и океаническим судоходством. Торговля требовала больших денежных расчетов, а судоходство – надежных навигационных таблиц.

Ученые тех времен наблюдали за Луной и составляли громадные таблицы, где фиксировали изменение ее положений, которые использовались для проверки правильности предлагаемых формул движения естественного спутника Земли. Такая проверка опиралась на громадное число арифметических вычислений, требовавших от исполнителя терпения и аккуратности. Для облегчения и ускорения такой работы стали разрабатывать вычислительные устройства. Так появились различные механизмы – первые суммирующие машины и арифмометры.

Под механическим вычислительным устройством понимается устройство, построенное на механических элементах и обеспечивающее автоматическую передачу из низшего разряда в высший.

Механические цифровые вычислительные устройства представляют собой технические  объекты значительно более высокого уровня сложности по сравнению с  предшествующими домеханическими средствами. Предпосылками их создания считаются научно-технический прогресс и социальные потребности, а основной технической предпосылкой их создания было развитие механики как на этапе, предшествовавшем созданию точной механики, так и на этапе ее формирования и развития.

Считается, что механический этап продолжается от изобретения суммирующей  машины Паскаля (1642г) до создания электромеханического табулятора Голлерита (1887г). Классическим инструментом механического типа является арифмометр, изобретенный Лейбницем, ручной привод которого позднее был заменен на электрический.

В [2] выделяют промежуточное положение между механическими и домеханическими устройствами, которые используют механическую конструкцию (например, зубчатые передачи), но не обеспечивают передачу десятков. Названы эти устройства квазимеханическими, к ним относятся машины Леонардо да Винчи и Вильгельма Шиккарда.

1.2.1. Машина Леонардо да Винчи

Уже в наше время были обнаружены чертежи и описание 13-разрядного суммирующего устройства, принадлежащие итальянскому ученому Леонардо да Винчи (1452–1519).

Основу машины по описанию составляют стержни, на которые крепятся зубчатые колеса (рис.3). Десять оборотов первого колеса, по замыслу автора, должны были приводить к одному полному обороту второго, а десять оборотов второго – к одному обороту третьего и т.д.

Рис.3 Машина Леонардо да Винчи

В 1969 г. по чертежам Леонардо да Винчи американская фирма IBM по производству компьютеров в целях рекламы построила работоспособную машину. Специалисты воспроизвели машину в металле и убедились в полной состоятельности идеи ученого.

Суммирующую машину Леонардо да Винчи можно считать изначальной вехой в истории цифровой вычислительной техники. Это был первый цифровой сумматор, прообраз будущего электронного сумматора – важнейшего элемента современных ЭВМ, пока еще механический, очень примитивный (с ручным управлением).

1.2.2. Машина Шаккарда

Через сто с лишним лет после смерти Леонардо да Винчи немецкий ученый, профессор кафедры восточных языков Тюбингенского университета Вильгельм Шиккард (1592–1636) предложил свое решение этой задачи.