Интенсивное развитие вычислительной техники, разработка новых методов и средств обработки и хранения информации обеспечили создание автоматизированных систем обработки информации, предназначенных для организации, хранения, пополнения, поддержки и представления пользователям информации в соответствии с их запросами. Для работы с такими сложными техническими системами необходимы специалисты, обладающие глубокими знаниями в различных областях информационной технологии. Поэтому цель данного учебного пособия – дать фундаментальные знания в области информатики студентам, которым предстоит трудиться в различных отраслях экономики современного информационного общества.
Термин "вычислительная машина" означает совокупность технических средств, создающая возможность проведения обработки информации и получения результатов в необходимой форме. В процессе своей работы вычислительная машина получает информацию, запоминает ее, обрабатывает по заданным алгоритмам, направляет потребителю (пользователю) либо передает в другие системы обработки.
Появление ЭВМ было подготовлено историческим развитием средств вычислений. Понятие числа возникло задолго до появления письменности. Люди научились считать. В первобытное время первым счетным инструментом у человека была его собственная рука. Пальцевый счет использовался человеком и на более высоких ступенях развития цивилизации – в Древней Греции и Древнем Риме.
Затем человек стал использовать для счета самые примитивные устройства. Сначала это были деревянные палочки с зарубками – бирки. Первое упоминание о них было найдено на барельефе фараона Сети I и относится примерно к 1350 году до нашей эры. Китайцы, персы, индийцы пользовались для представления чисел и счета ремнями и веревками с узлами. Запись чисел с помощью цифр появилась у древних египтян и вавилонян.
С ростом и расширением торговли понадобился более совершенный инструмент для записи чисел и счета. Это был абак, представляющий собой доску с вертикальными желобками, в которых передвигались камешки. По свидетельству древнегреческого историка Геродота египтяне им пользовались уже в V веке до нашей эры. Из Египта и Греции абак пришел в Древний Рим, Китай, Японию. Китайская и японская разновидности абака по конструкции напоминают современные русские торговые счеты. Русские счеты – это отечественная разновидность абака, они появились на рубеже XVI-XVII веков. Главное их отличие от аналогичных устройств – это десятичный принцип счисления. Форма счетов, установленная более 250 лет назад, к настоящему времени почти не изменилась.
Изобретение позиционной десятичной системы счисления, которой мы сейчас пользуемся, стало важным событием в истории вычислительной техники. Эта система счисления появилась, вероятно, в Индии. После изобретения десятичной системы были установлены правила выполнения арифметических действий: сложения, вычитания, умножения "столбиком" и деления "уголком". Появились десятичные дроби. Умение считать стало широко распространяться. В начале Х века в Европе началось распространение арабских цифр, и в начале XVII века арабские цифры, более удобные для ручных и машинных вычислений, окончательно вытеснили римские.
Особую роль в истории вычислительной техники сыграло изобретение логарифмов шотландским математиком Джоном Непером (1550–1617) С помощью логарифмов умножение и деление сводятся к сложению и вычитанию, в связи с чем арифметические операции сильно упрощаются. Поэтому вслед за изобретением логарифмов стали делаться попытки механизировать арифметические вычисления.
В 1617 году Непер предложил устройство умножения многозначных чисел на однозначные, названное палочками Непера. Позднее на основе логарифмической шкалы английского математика Эдмунда Гюнтера была изобретена логарифмическая линейка. Ее изобрели независимо друг от друга английские математики Уильям Отред и Ричард Деламейн. Первые образцы счетных линеек ими были изготовлены в период между 1620 и 1630 годами. В дальнейшем конструкция логарифмической линейки многократно совершенствовалась. Логарифмическую линейку, наиболее похожую на современную, сконструировал в 1850 году французский офицер Амедей Маннхейм.
В начале XVII века на свет появились первые механические суммирующие устройства. В 1623 году профессор математики Тюбенгенского университета Вильгельм Шиккард (1592–1636) сообщил об изобретении им машины, способной складывать числа. Однако изобретение Шиккарда не получило никакого практического применения. Французский математик, физик и философ Блез Паскаль (1623–1662) работал над своей первой арифметической машиной в течение 12 лет, сделал около 50 действующих моделей, первую из них – в 1642 году. Суммирующие устройства машин Шиккарда и Паскаля являлись соединением зубчатых передач.
Арифмометр стал развитием суммирующих устройств. Первым арифмометром стала "арифметическая машина" немецкого математика Готфрида Лейбница (1646–1716), первый вариант которой появился в 1670 году. Главной ее частью был горизонтально расположенный ступенчатый валик. Эта идея Лейбница оказалась весьма плодотворной. Вплоть до конца XIX века конструкция валика совершенствовалась и развивалась различными изобретателями. Арифмометры приводились в действие человеческой рукой и могли выполнять четыре арифметических действия.
На принципе ступенчатого валика был построен в 1820 году и арифмометр Чарльза Томаса, ставший первым в мире серийно изготавливаемым счетным устройством (до 100 штук в год).
Большой вклад в развитие счетной техники внеси и наши соотечественники. В 1878 году академик П. Л. Чебышев (1821–1894) сконструировал арифмометр, который в то время был одной из самых оригинальных вычислительных машин. В 1874 году петербургским механиком Вильгордом Однером была создана новая конструкция ручного арифмометра, которая оказалась настолько совершенной, что сохранилась до наших дней. Главным элементом арифмометра Однера было зубчатое колесо с переменным числом зубьев. В самом конце XIX века Однер организовал производство арифмометров на своем механическом заводе в Санкт-Петербурге, и в первый же год существования завод выпустил примерно 500 машин. Это событие положило начало в России новой отрасли промышленности – производству вычислительных машин.
В конце XIX века произошло коренное изменение в производстве средств вычислений, когда рост промышленности и транспорта, а также расширение коммерческой деятельности банков обусловили создание быстродействующих и надежных счетных машин. Особенно много конструкций счетных машин было создано в США. Удачная конструкция многоразрядной клавишной суммирующей машины была предложена в 1885 году американским механиком Дорром Фельтом, названная им комптометром. Это было первая счетная машина, нашедшая практическое применение в США. В том же 1885 году механик из Сент-Луиса Уильям Барроуз (1857–1898) сделал "бухгалтерскую машину", которая печатала вводимые числа, суммировала их, а затем печатала результат. Машины Барроуза выпускались на протяжении 60 лет начиная с 1887 года. В последних моделях машин ручной привод был заменен электромоторным.
Первая действующая счетно-аналитическая машина, или табулятор, была создана в США Германом Холлеритом (1860–1929) и впервые применена для автоматизации работ по переработке данных переписи населения в США в 1880 году. В качестве носителей информации в табуляторе Холлерита использовались перфокарты. В 1896 году Холлерит стал основателем фирмы по выпуску перфокарт и счетно-перфорационных машин, которая впоследствии стала всемирно известной компьютерной фирмой IBM.
За три столетия в различных странах было создано огромное количество всевозможных счетных машин. Как не блестящ был век механических арифмометров, но и он исчерпал свои возможности. Людям нужны были более производительные средства вычислений. Совершенствование вычислительной техники в XX веке продолжилось на электромеханической основе. Рукоятку арифмометра заменил электродвигатель, появились машины, записывающие результат на бумажной ленте.
Особую роль в развитии вычислительной техники сыграли работы профессора математики Кембриджского университета Чарльза Беббиджа (1791–1871). Главным направлением его научной деятельности стала разработка вычислительных машин, над созданием которых ученый работал около 50 лет. В 1833 году Беббидж предложил проект автоматического счетного устройства, названного "аналитической машиной" и ставшего прообразом современных компьютеров. Машина содержала основные устройства, присущие современным компьютерам: "склад" для хранения чисел, "фабрику" для производства арифметических операций, "контору" – устройство, управляющее последовательностью счетных операций, а также блок ввода исходных данных и печати результатов.
Вычислительная машина Беббиджа, как и предшествующие арифметические машины, задумывалась как чисто механический аппарат. Время на производство арифметических операций оценивалось автором так: сложение и вычитание – 1 с; умножение и деление – 1 мин. Вводить и выводить числовую информацию, управлять вычислительным процессом предлагалось с помощью перфокарт – картонных карточек с пробитыми на них отверстиями. Эту идею Беббидж заимствовал у француза Жозефа Жаккара, который в 1804 году изобрел способ управления ткацким станком с помощью перфокарт. Первым программистом в мире считается Ада Лавлейс, дочь английского поэта Джорджа Байрона, которая в 1843 году написала первую программу для машины Беббиджа. В ее честь получил название язык программирования Ада.
Беббидж составил подробную схему машины, выполнил более 200 чертежей отдельных узлов, воплотил в металле некоторые ее части. Но полностью создать машину он не смог, так как его идеи намного опередили время. К ним обратились только в 40-х годах XX века.