Сферы применения ЭВМ

Наряду с палочками  Непер предложил счетную доску  для выполнения операций умножения, деления, возведения в квадрат и  извлечения квадратного корня в  двоичной системе, предвосхитив тем  самым преимущества такой системы  счисления для автоматизации  вычислений.

Логарифмы послужили основой  создания замечательного вычислительного  инструмента - логарифмической линейки, более 360 лет служащего инженерно-техническим  работникам всего мира.

 

 

 

 

 

 

 

Принцип действия компьютера

В определении компьютера, как прибора, мы указали определяющий признак - электронный. Однако автоматические вычисления не всегда производились электронными,устройствами.Известны ,механические устройства, способные выполнять автоматически.Анализируя раннюю историю вычислительной техники, некоторые зарубежные исследователи нередко в качестве древнего предшественника компьютера называют механическое счетное устройство абак. Подход “от абака” свидетельствует о глубоком методическом заблуждении, поскольку абак не обладает свойством автоматического выполнения вычислений, а для компьютера оно определяющее. Абак наиболее раннее счетное механическое устройство, первоначально представлявшее собой глиняную пластину с желобами, в которых раскладывались камни, представляющие числа. Появление абака относят к четвертому тысячелетию.Местом появления считается Азия. В средние века в Европе абак сменился разграфленными таблицами. Вычисления с их помощью называли счетом на линиях, а России в XVI-XVIIвеках. Появилось намного более передовое изобретение, применяющееся и поныне  русские счеты.В то же время нам хорошо знаком другой прибор, способный автоматически выполнять вычисления, это часы. Независимо от принципа действия, все виды часов (песочные, водяные, механические, электрические, электронные и др.) обладают способностью генерировать через равные промежутки времени перемещения или сигналы и регистрировать возникающие при этом изменения, то есть выполнять автоматическое суммирование сигналов или перемещений. Этот принцип прослеживается даже в солнечных часах, содержащих только устройство регистрации.Механические часы, состоящий из устройства, автоматически выполняющего перемещения через равные заданные интервалы времени и устройства регистрации этих перемещений. Место появления первых механических часов неизвестно. Наиболее ранние образцы относятся к XIV веку и принадлежат монастырям (башенные часы).В основе любого современного компьютера, как и в электронных часах, лежит тактовый генератор, вырабатывающий через равные интервалы времени электрические сигналы, которые используются для приведения в действие всех устройств компьютерной системы. Управление компьютером фактически сводится к управлению распределением сигналов между устройствами. Такое управление может производиться автоматически (в этом случае говорят о программном управлении) или вручную с помощью внешних органов управления,переключателей, перемычек и т. п. (в ранних моделях). В современных компьютерах внешнее управление в значительной степени автоматизировано с помощью специальных аппаратно-логических интерфейсов, к которым подключаются устройства управления и ввода данных (клавиатура, мышь, джойстик и другие). В отличие от программного управления такое управление называют интерактивным.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Механические  первоисточники

Первое в мире автоматическое устройство для выполнения операции сложения было создано на базе механических часов. В 1623 году его разработал Вильгельм  Шикард, профессор кафедры восточных языков в университете Тьюбингена (Германия). В наши дни рабочая модель устройства была воспроизведена по чертежам и подтвердила свою работоспособность. Сам изобретатель в письмах называл машину «суммирующими часами».

В 1642 году французский механик  Блез Паскаль (1623-1662) разработал более  компактное суммирующее устройство, которое стало первым в мире механическим калькулятором, выпускавшимся серийно (главным образом для нужд парижских  ростовщиков и менял). В 1673 году немецкий математик и философ Г. В. Лейбниц (1646-1717) создал механический калькулятор, который мог выполнять операции умножения и деления путем  многократного повторения операций сложения и вычитания.

На протяжении XVIII века, известного как эпоха Просвещения, появились  новые, более совершенные модели, но принцип механического управления вычислительными операциями оставался  тем же. Идея программирования вычислительных операций пришла из той же часовой  промышленности. Старинные монастырские башенные часы были настроены так, чтобы  в заданное время включать механизм, связанный с системой колоколов. Такое программирование было жестким  — одна и та же операция выполнялась  в одно и то же время. Идея гибкого  программирования механических устройств  с помощью перфорированной бумажной ленты впервые была реализована  в 1804 году в ткацком станке Жаккарда, после чего оставался только один шаг до программного управления вычислительными операциями.

Этот шаг был сделан выдающимся английским математиком  и изобретателем Чарльзом Бэббиджем (1792-1871) в его Аналитической машине, которая, к сожалению, так и не была до конца построена изобретателем  при жизни, но была воспроизведена в  наши дни по его чертежам, так  что сегодня мы вправе говорить об Аналитической машине, как о реально  существующем устройстве. Особенностью Аналитической машины стало то, что здесь впервые был реализован принцип разделения информации на команды и данные. Аналитическая машина содержала два крупных узла — «склад» и «мельницу». Данные вводились в механическую память «склада» путем установки блоков шестерен, а потом обрабатывались в «мельнице» с использованием команд, которые вводились с перфорированных карт (как в ткацком станке Жаккарда).

Исследователи творчества Чарльза  Бэббиджа непременно отмечают особую роль в разработке проекта Аналитической  машины графини Огасты Ады Лавлейс (1815-1852) дочери известного поэта лорда Байрона. Именно ей принадлежала идея использования перфорированных карт для программирования вычислительных операций (1843). В частности, в одном из писем она писала: «Аналитическая машина точно так же плетет алгебраические узоры, как ткацкий станок воспроизводит цветы и листья». Леди Аду можно с полным основанием назвать самым первым в мире программистом. Сегодня ее именем назван один из известных языков программирования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Математические  первоисточники

Если мы задумаемся над  тем, с какими объектами работали первые механические предшественники  современного электронного компьютера, то должны признать что числа представлялись либо в виде линейных перемещений  цепных и реечных механизмов, либо в виде угловых перемещений зубчатых и рычажных механизмов. И в том  и в другом случае это были перемещения, что не могло не сказываться на габаритах устройств и на скорости их работы. Только переход от регистрации  перемещений к регистрации сигналов позволил значительно снизить габариты и повысить быстродействие. Однако на пути к этому достижению потребовалось  ввести еще несколько важных принципов  и понятий.

Двоичная система Лейбница. В механических устройствах зубчатые колеса могут иметь достаточно много  фиксированных и, главное, различимых между собой положений. Количество таких положений, по крайней мере, равно числу зубьев шестерни. В  электрических и электронных  устройствах речь идет не о регистрации  положений элементов конструкции, а о регистрации состояний  элементов устройства. Таких устойчивых и различимых состояний всего  два: включен — выключен; открыт — закрыт; заряжен — разряжен и т. п. Поэтому традиционная десятичная система, использованная в механических калькуляторах, неудобна для электронных вычислительных устройств.

Возможность представления  любых чисел (да и не только чисел) двоичными цифрами впервые была предложена Готфридом Вильгельмом  Лейбницем в 1666 году. Он пришел к  двоичной системе счисления, занимаясь  исследованиями философской концепции  единства и борьбы противоположностей. Попытка представить мироздание в виде непрерывного взаимодействия двух начал («черного» и «белого», мужского и женского, добра и зла) и применить к его изучению методы «чистой» математики подтолкнули  Лейбница к изучению свойств двоичного представления данных с помощью нулей и единиц. Надо сказать, что Лейбницу уже тогда приходила в голову мысль о возможности использования двоичной системы в вычислительном устройстве, но, поскольку для механических устройств в этом не было никакой необходимости, он не стал использовать в своем калькуляторе (1673 году) принципы двоичной системы.

Математическая логика Джорджа  Буля. Говоря о творчестве Джорджа  Буля, исследователи истории вычислительной техники непременно подчеркивают, что  этот выдающийся английский ученый первой половины XIX века был самоучкой. Возможно, именно благодаря отсутствию «классического» (в понимании того времени) образования, Джордж Буль внес в логику, как в  науку, революционные изменения.

Занимаясь исследованием  законов мышления, он применил в  логике систему формальных обозначений  и правил, близкую к математической. Впоследствии эту систему назвали логической алгеброй или булевой алгеброй. Правила этой системы применимы к самым разнообразным объектам и их группам (множествам, по терминологии автора). Основное назначение системы, по замыслу Дж. Буля, состояло в том, чтобы кодировать логические высказывания и сводить структуры логических умозаключений к простым выражениям, близким по форме математическим формулам. Результатом формального расчета логического выражения является одно из двух логических значений: истина или ложь.

Значение логической алгебры  долгое время игнорировалось, поскольку  ее приемы и методы не содержали  практической пользы для науки и  техники того времени. Однако, когда появилась принципиальная возможность создания средств вычислительной техники на электронной базе, операции, введенные Булем, оказались весьма полезны. Они изначально ориентированы на работу только с двумя сущностями: истина и ложь. Нетрудно понять, как они пригодились для работы с двоичным кодом, который в современных компьютерах тоже представляется всего двумя сигналами: ноль и единица.

Не вся система Джорджа  Буля (как и не все предложенные им логические операции) были использованы при создании электронных вычислительных машин, но четыре основные операции: И (пересечение), ИЛИ (объединение), НЕ (обращение) и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ — лежат в основе работы всех видов процессоров современных компьютеров.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сферы применения ЭВМ

Традиционное - применение ЭВМ  для автоматизации вычислений. Научно-техническая  революция во всех областях науки  и техники постоянно выдвигает  новые научные, инженерные, экономические  задачи, которые требуют проведения крупномасштабных вычислений (задачи проектирования новых образцов техники, моделирования сложных процессов, атомная и космическая техника  и др.). Отличительной особенностью этого направления является наличие  хорошей математической основы, заложенной развитием математических наук и  их приложений. Первые, а затем и  последующие вычислительные машины классической структуры в первую очередь и создавались для  автоматизации вычислений. Вторая сфера  применения ЭВМ связана с использованием их в системах управления. Она родилась примерно в 60-е годы, когда ЭВМ  стали интенсивно внедряться в контуры  управления автоматических и автоматизированных систем. Математическая база этой новой  сферы практически отсутствовала, в течение последующих 15-20 лет  она была создана. Новое применение вычислительных машин потребовало  видоизменения их структуры. ЭВМ, используемые в управлении, должны были не только обеспечивать вычисления, но и автоматизировать сбор данных и распределение результатов  обработки. Сопряжение с каналами связи  потребовало усложнения режимов  работы ЭВМ, сделало их многопрограммными  и многопользовательскими. Для исключения взаимных помех между программами  пользователей в структуру машин  были введены средства разграничения: блоки прерываний и приоритетов, блоки защиты и т.п. Для управления разнообразной периферией стали  использоваться специальные процессоры ввода-вывода данных или каналы. Именно тогда и появился дисплей как  средство оперативного человеко-машинного  взаимодействия пользователя с ЭВМ. Новой сфере работ в наибольшей степени отвечали мини-ЭВМ. Именно они  стали использоваться для управления отраслями, предприятиями, корпорациями. Машины нового типа удовлетворяли следующим требованиям:

• были более дешевыми по сравнению с большими ЭВМ, обеспечивающими  централизованную обработку данных;

• были более надежными, особенно при работе в контуре  управления;

• обладали большой гибкостью  и адаптируемостью настройки на конкретные условия функционирования;

• имели архитектурную  прозрачность, структура и функции  ЭВМ были понятны пользователям. Начало выпуска подобных ЭВМ связано  с малыми управляющими машинами PDP фирмы DEC. Термин “мини-ЭВМ” появился в 1968 г. применительно к модели PDP-8. В  настоящее время использование  мини-ЭВМ сокращается. Исчезает и  термин мини-ЭВМ. На смену им приходят ЭВМ других типов: серверы, обеспечивающие диспетчерские функции в сетях  ЭВМ, средние ЭВМ или старшие  модели персональных ЭВМ (ПЭВМ). Одновременно со структурными изменениями ЭВМ  происходило и качественное изменение  характера вычислений. Доля чисто  математических расчетов постоянно  сокращалась, и в настоящее время  она составляет около 10% от всех вычислительных работ. Машины все больше стали использоваться для новых видов обработки: текстов, графики, звука и др. Третье направление  связано с применением ЭВМ  для решения задач искусственного интеллекта. Напомним, что задачи искусственного интеллекта предполагают получение  не точного результата, а чаще всего  осредненного в статистическом , вероятностном смысле. Примеров подобных задач много: задачи робототехники, доказательства теорем, машинного перевода текстов с одного языка на другой, планирования с учетом неполной информации, составления прогнозов, моделирования сложных процессов и явлений и т.д. Это направление все больше набирает силу. Во многих областях науки и техники создаются и совершенствуются базы данных и базы знаний, экспертные системы. Для технического обеспечения этого направления нужны качественно новые структуры ЭВМ с большим количеством вычислителей (ЭВМ или процессорных элементов), обеспечивающих параллелизм в вычислениях. По существу, ЭВМ уступают место сложнейшим вычислительным системам. Уже это небольшое перечисление областей применения ЭВМ показывает, что для решения различных задач нужна соответственно и различная вычислительная техника. Поэтому рынок компьютеров постоянно имеет широкую градацию классов и моделей ЭВМ. Фирмы-производители средств ВТ очень внимательно отслеживают состояние рынка ЭВМ. Они не просто констатируют отдельные факты и тенденции, а стремятся активно воздействовать на них и опережать потребности потребителей. Так, например, фирма IBM, выпускающая примерно 80% мирового машинного “парка”, в настоящее время выпускает в основном четыре класса компьютеров, перекрывая ими широкий класс задач пользователей.