Табулятор Г. Холлерита и компьютеры К. Цузе

Спустя 20 лет после смерти Бэббиджа американский изобретатель Герман Холлерит создал электромеханическую счетную машину — табулятор, в которой перфокарты использовались для обработки результатов переписи населения, проводившейся в США в 1890 г. (Идея использования перфокарт пришла к Холлериту не из работы Бэббиджа, а возникла, по всей видимости, когда он наблюдал, как проводник компостирует железнодорожные билеты.) Табулятор получил столь широкое признание, что для удовлетворения растущих заказов на это изобретение Холлериту пришлось основать собственную фирму. В конце концов эта фирма превратилась в знаменитую корпорацию ИБМ (IBM, International Business Machines), которая сделала перфокарты стандартным средством программирования компьютеров.

Холлерит показал, что в сочетании перфокарты и электрические цепи могут выполнять полезную работу. Карты табулятора Холлерита были размером в долларовую бумажку. На каждой карте имелось 12 рядов, в каждом из которых можно было пробить по 20 отверстий, соответствующих таким данным, как возраст, пол, место рождения, количество детей, семейное положение и прочие сведения, включенные в вопросник переписи американского населения. Агенты, проводившие перепись, записывали ответы опрашиваемых в специальные формуляры. Заполненные формуляры отсылались в Вашингтон, где содержащуюся в них информацию переносили на карты путем соответствующего перфорирования. Затем перфокарты загружали в специальные устройства, соединенные с табуляционной машиной, где они нанизывались на ряды тонких игл, по одной игле на каждую из 240 перфорируемых позиций на карте. Когда игла попадала в отверстие, она проходила его, замыкая контакт в соответствующей электрической цепи машины; это в свою очередь приводило к тому, что счетчик, состоящий из вращающихся цилиндров, продвигался на одну позицию вперед. Однако сфера применения разработанного им устройства была ограничена решением простой и четко очерченной задачи — составлением таблиц. Более сложными вычисле­ниями перфокарты управлять не могли.

Один из первых компьютеров, который по праву можно назвать програм­мируемым, был создан немецким инженером Конрадом Цузе. В конце 30-х — начале 40-х годов он построил несколько счетных машин и компьютеров для осуществления сложных инженерных расчетов. Z1 (1938 г.) – 4 м.кв., 2 с/с, перфолента (кинопленка); Z2 (1940 г.) – считается первой электромеханической; Z3 (1941 г.) – 2,5 тыс. телефонных реле, считается первым работоспособным, свободно программируемым компьютером в мире (его "конкуренты", Mark I и ENIAC появились после 1943 года). Правда, в памяти Z3 программы не хранил, для этого память из 64 слов была мала, да Цузе и не стремился к этому. Имелся недостаток — отсутствие реализации условного перехода.

Машины Цузе управлялись при помощи перфорированной ленты, изготовленной из бракованной кинопленки (весьма изобретательная реакция на дефицит бумаги в годы войны). В качестве основных элементов машин использовались электромеханические реле, подобные тем, что применялись тогда в телефонных коммутаторах. Кроме того, Цузе одним из первых среди изобретателей компьютеров сумел построить действующую программируемую машину Z3, в которой использовалась двоичная система. Любое десятичное число можно представить в двоичной системе в виде последовательности единиц и нулей. Этот способ записи чисел подходит для электрических цепей, которые могут находиться в одном из двух состояний: включено или выключено. Достоинства двоичной системы не ограничиваются ее применением для арифметических вычислений. В равной мере она удобна и для кодирования логических операций, имеющих дело с понятиями «истина» и «ложь». Возможность использования таких операций превращает компьютер в нечто большее, чем просто счетная машина. Из-за войны работы Цузе долгое время оставались неизвестными за пределами Германии. Но по обе стороны Атлантики были и другие ученые, увлеченные погоней за призрачной удачей — созданием программируемых машин. Некоторые из них, как и Цузе, поняли эффективность двоичной системы счисления и символьной логики для проведения вычислений с помощью электрических цепей. Однако переход от десятичной системы к двоичной не сразу получил признание.

1.3. «МАРК-1», «ЭНИАК», «ЭДВАК» - американские компьютеры.

Пока Цузе продолжал свои исследования в Германии, американские ученые работали над двумя проектами, которые оставили заметный след в истории программируемых компьютеров. В Гарвардском университете математик Говард Айкен с группой инженеров фирмы ИБМ завершали работу над машиной «Марк-1» (1943 г., работа с августа 44 более 15 лет). Эта программно-управляемая вычислительная машина весом 5 т и стоимостью 500 тыс. долл. (дл 15 метров, высота 2,5, 3млн узлов, 500 миль проводов, и еще стоимость 1 млн(?)) предназначалась для баллистических расчетов ВМС США. Как и машины Цузе, она была построена на электромеханических реле и управлялась при помощи команд, закодированных на бумажной перфоленте. Машина производила умножение двух 23-значных чисел за 3с и могла легко настраиваться на решение разнообразных задач оборонного характера, возникавших в ходе войны. Хотя вскоре другие машины превзошли «Марк-1», он, тем не менее, продолжал использоваться в вычислительной лаборатории Гарвардского университета вплоть до 1959 г. Однако всего важнее, вероятно, то, что эта машина послужила своего рода «полигоном» для подготовки многих первопроходцев в области разработки компьютеров, которые впоследствии внесли заметный вклад в развитие нового научного направления.

Другая американская разработка — машина «Эниак» — отличалась весьма неуклюжим способом задания программы, что отравляло жизнь программиста Кэтлин Макналти и ее коллег. Эта машина была создана сотрудниками Высшего технического училища Пенсильванского университета Джоном Мочли и Преспером Эккертом. Стоимость - 400 тыс дол, вес 30 т, 40 панелей на 18000 ламп, 1500 реле, 70 тыс. резисторов и конденсаторов. Как и «Марк-1», она оперировала десятичными, а не двоичными числами, однако вместо электромеханических реле в ней использовались электронные лампы, что позволило в 1000 раз повысить ее быстродействие по сравнению с машиной Гарвардского университета. При создании «Эниака» Мочли и Эккерт превысили технологический предел надежности, ибо до этого ни в одной машине не использовалось более 2 тыс. электронных ламп. В машине «Эниак» их было почти в 9 раз больше. Существенной проблемой оказалось частое перегорание ламп. За год работы машины пришлось заменить около 19 тыс. ламп, более 100% от общего комплекта. И, тем не менее, машина продемонстрировала, что будущее принадлежит именно электронным вычислительным устройствам.

Мочли и Эккерт хорошо понимали, что основное преимущество электронных компьютеров заключается в их потенциальной способности хранить большое количество информации. Вращающиеся шпиндели и шестеренки электромеханических компьютеров мало годились для построения достаточно больших запоминающих устройств, способных хранить значительный объем данных. С появлением электроники подобная внутренняя память стала практически реальной.

Сама по себе машина «Эниак» была всего лишь первой ласточкой. Разработанная в условиях довлеющей спешки, обусловленной военным временем, она имела весьма ограниченную внутреннюю память. Хотя эта машина очень быстро выполняла сложные программы, ее сумматор (внутреннее запоминающее устройство на электронных лампах, предназначенное для хранения обрабатываемых данных) мог запомнить лишь 20 10-значных десятичных чисел. И хотя содержимое внутренней памяти можно было быстро менять, замена самих управляющих команд требовала длительной возни с соединительными кабелями и переключателями.

«Эниак» вступил в строй в 1945 г. (т.е. 1.01.46 - начало компьютерной эры), но за два года до этого Мочли и Экерт уже начали обдумывать создание более совершенной машины, способной хранить не только большое количество данных, но и команды программы, управляющей ее работой. Их идея создания машины с программой, хранимой в памяти, изменила принципы организации вычислений, подготовив почву для появления современных языков программирования. Свою новую машину Мочли и Эккерт назвали «Эдвак» (EDVAC, от Electronic Discret Variable Automatic Computer — электронный автоматический вычислитель с дискретными переменными). В качестве элементов внутренней памяти они предполагали использовать ртутные линии задержки, которые в годы войны использовались в радиолокаторах для определения времени прохождения сигнала. Эти устройства представляли собой заполненную ртутью трубку, в которой можно было как бы «консервировать» электрические импульсы, а затем при необходимости извлекать их оттуда. Еще одна особенность машины «Эдвак» заключалась в ее ориентации на работу с двоичными, а не десятичными числами, что позволяло упростить конструкцию арифметического устройства. Пока Мочли и Эккерт трудились над новым проектом, их идеи в обобщенном виде были изложены в эпохальной работе, принадлежащей перу блестящего математика венгерского происхождения Джона фон Неймана. В то время фон Нейман, будучи сотрудником Принстонского института перспективных исследований, являлся консультантом проекта «Эниак». Свою статью объемом в 101 страницу машинописного текста он рассматривал лишь как набросок, предназначенный для обсуждения членами рабочей группы проекта «Эдвак». Однако 1 июня 1945 г. один из членов группы, Герман Голдстейн, разослал этот отчет более чем 30 специалистам под заголовком «Предварительный доклад о машине «Эдвак», причем фон Нейман фигурировал как единственный автор отчета. Без сомнения, вклад фон Неймана в эту работу был весьма весомым, особенно в той части, которая касалась логических операций машины. Более того, благодаря его блестящей репутации, статья приобрела вес, который в ином случае она, возможно, и не имела бы, а это обеспечило поддержку данного проекта. Вместе с тем статья породила всеобщее убеждение, что заслуга изобретения компьютера с программой, хранимой в памяти, принадлежит фон Нейману.

Преждевременное распространение отчета стало причиной многолетнего конфликта и, в конечном счете, привело к тому, что Мочли и Эккерту так и не удалось отстоять свое право на патент. По ряду причин (среди которых история с отчетом занимала отнюдь не первое место) Мочли и Экерт в марте 1946 г. покинули Пенсильванский университет, основав собственную компанию. Вследствие потери двух ведущих сотрудников работы над машиной «Эдвак» пришлось свернуть.

Дата добавления: 2014-12-17