Информатика в XIX и начале XX веков.
Механические и электромеханические устройства и машины

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Программирование


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Федеральное государственное автономное

Образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Политехнический институт

Кафедра информатики

РЕФЕРАТ

ТЕМА: «ИНФОРМАТИКА В XIX И НАЧАЛЕ XX ВЕКОВ. МЕХАНИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА И МАШИНЫ»

Красноярск 2012

Содержание

Введение

Общая характеристика механической и электромеханической эпох развития ЭВМ

Вычислительные машины и устройства XIX века

Станок Жаккарда

Изобретения Чарльза Бэббиджа

Разностная машина

Аналитическая машина

2.3 Табулятор Холлерита

3. Вычислительные машины и устройства начала XX века

Арифмометр Чебышева

Гидравлический интегратор Лукьянова

Заключение

Список использованных источников

Введение

Могла ли быть ЭВМ построена в прошлом или позапрошлом веке? Конечно нет, потому что тогда не было соответствующей элементной базы: радиолампы и транзисторы изобретены значительно позже.

Всякое устройство, в том числе вычислительное, существует не само по себе, а в определенном окружении, технологическом контексте, на фоне общего уровня техники своего времени.

В истории вычислительной техники можно выделить четыре эпохи: домеханическая эпоха — с древнейших времен до середины XVII века; механическая эпоха — XVII — Х1Хвека;

электромеханическая эпоха — 30-е годы XIX века — середина XX века; электронная эпоха — XX век по наши дни.

Цель работы рассмотреть механические и электромеханические устройства и машины XIX — XX вв.

механический вычислительный машина

1. Общая характеристика механической и электромеханической эпох развития ЭВМ

Механическая эпоха (XVII и XVIII века) — время расцвета точных механических устройств. Часы, механические игрушки, приборы тех лет до сих пор поражают воображение. Именно в это золотое для механики время были созданы первые конструкции вычислительных машин — суммирующая машина Паскаля и арифмометр Лейбница. Вершина механической эпохи -аналитическая машина Бэббиджа, по смелости инженерных решений на столетие опередившая свое время. Однако, несмотря на все свое совершенство, машина Бэббиджа проектировалась как чисто механическая, приводимая в движение небольшим паровым двигателем.

Только в первой трети XIX века были построены электрические машины и наступил век электричества — электромеханическая эпоха. Наряду с техникой сильных токов, пришедшей на замену паровым машинам, стала развиваться слаботочная техника. В 1831 г. Д. Генри в США и Сальваторе дель Негро в Италии изобрели электромагнитное реле. Сначала электромеханические элементы были очень ненадежными и неподходящими для построения сложных приборов, но уже в конце XIX века появилась техническая возможность превратить чисто механические вычислительные устройства в электромеханические, в которых передача сигналов осуществлялась не рейками и шестеренками, а импульсами тока. Начало электромеханической эпохи отмечено изобретением табулятора Холлерита, а конец — релейными вычислительными машинами типа MARK. 1

Далее рассмотрим основные устройства и машины, которые были изобретены в XIX — XX вв.

1 История вычислительной техники — http: //www. ict. edu. ru/ft/425 (WChapterl. pdf

2. Вычислительные машины и устройства XIX века

2.1 Станок Жаккарда

С точки зрения вычислительной техники XVIII век был беден крупными событиями, но вот наступил век XIX. Великая французская революция, европейские войны, звездный час наполеоновской империи…

На фоне этих политических событий было сделано одно эпохальное техническое изобретение: в 1904 году французский механик Жан-Мари Жаккар (Jacquard, J. ML; 1752 — 1834) построил ткацкий станок, который автоматически, без участия человека, ткал узорное полотно (оно так теперь и называется — жаккардовое). Станок управлялся программным механизмом на перфокартах, нить поднималась и опускалась в соответствии с наличием или отсутствием отверстий — так создавался желаемый рисунок ткани (см. рисунок 1).

Рисунок 1 — Внешний вид станка Жаккарда

Переходя к новому рисунку, оператор просто заменял одну колоду перфокарт другой. Станок Жаккарда вызвал настоящую революцию в ткацком производстве, а положенные в его основу принципы используются по сей день. Однако самую важную роль перфокартам суждено было сыграть в программировании компьютеров. 2

2.2 Изобретения Чарльза Бэббиджа

Из всех изобретателей прошлых столетий, внесших тот или иной вклад в развитие вычислительной техники, ближе всего к созданию компьютера в современном его понимании подошел англичанин Чарлз Бэббидж. Родившийся в 1791 г. в графстве Девоншир в богатой семье, Бэббидж прославился как остротой ума, так и своими чудачествами. В течение 13 лет этот эксцентричный гений заведовал кафедрой математики Кембриджского университета (когда-то этот пост занимал Ньютон), но не прожил при университете ни дня и не прочел там ни одной лекции. Бэббидж был одним из основателей Королевского астрономического общества, автором всевозможных сочинений на самые различные темы — от политики до технологии производства. Он принимал участие в создании различных приборов, в частности тахометра, и приспособлений, например предохранительной решетки для железнодорожного локомотива, которая позволяла отбрасывать с пути случайно попавшие туда предметы. Бэббидж занимался и такими серьезными проблемами, как расчеты смертности населения и реформа почтовой службы, не гнушаясь и более пустяковыми делами. Долгие годы он безуспешно воевал с уличными шарманщиками, игра которых выводила его из себя. Когда Бэббидж умер, лондонская газета «Тайме» писала о нем как о человеке, дожившем почти до 80 лет, «несмотря на преследования со стороны шарманщиков».

Однако главной страстью Бэббиджа была борьба за безукоризненную математическую точность. Он буквально объявил «крестовый поход» против ошибок в таблицах логарифмов, которыми широко пользовались при вычислениях астрономы, математики и штурманы дальнего плавания. Ничто не ускользало от его внимательного взгляда. Однажды он послал письмо поэту А. Теннисону, в котором резко критиковал его строки «Каждый миг какой-то человек умирает, каждый миг рождается другой». Поскольку численность населения Земли не остается постоянной, отмечал Бэббидж, эти строки следовало бы привести в соответствие с истиной следующим образом: «Каждый миг один человек умирает, каждый миг рождается один и одна шестнадцатая другого».

Наивысшим достижением Чарлза Бэббиджа и вместе с тем его величайшей болью была разработка принципов, положенных в основу современного компьютера, за целое столетие до того, как появилась техническая возможность их реализации. Он потратил несколько десятилетий, крупные правительственные субсидии и значительную часть собственных средств в безуспешных попытках создать вычислительную машину, работающую на этих принципах.

2.2.1 Разностная машина

В 1822 г. Бэббидж опубликовал научную статью с описанием машины, способной рассчитывать и печатать большие математические таблицы. В том же году он построил пробную модель своей Разностной машины, состоящую из шестеренок и валиков, вращаемых вручную при помощи специального рычага (см. рисунок 2). Затем, заручившись поддержкой Королевского общества — самой престижной научной организации Великобритании, — он обратился к правительству с просьбой финансировать создание полномасштабной работающей машины. Эта машина, писал он президенту Королевского общества, возьмет на себя «невыносимо утомительную работу», неизбежную при многократно повторяющихся математических расчетах, которые «представляют собой самое низкое занятие, не достойное человеческого интеллекта». Королевское общество сочло его работу «в высшей степени достойной общественной поддержки», и уже через год британское правительство представило Бэббиджу для реализации его проекта субсидию в 1500 фунтов стерлингов.

Рисунок 2 — Внешний вид разностной машина Ч. Беббиджа

На протяжении следующего десятилетия Бэббидж без устали работал над своим изобретением. Первоначально он рассчитывал завершить ее за три года, но Разностная машина становилась все сложнее по мере того, как он ее модифицировал, совершенствовал и конструировал заново. Бэббиджа все время преследовали болезни, нескончаемая работа и финансовые проблемы. Хотя сумма правительственных субсидий в итоге выросла до 17 000 фунт. стерл., росли и сомнения официальных лиц в нецелесообразности затрат и

пользе самого проекта. В результате, финансирование было приостановлено, но лишь через несколько лет правительство официально уведомило Бэббиджа, что выделение средств на его машину прекращается.

2.2.2 Аналитическая машина

1833 г. Бэббидж уже был готов отказаться от своих планов, связанных с Разностной машиной. Это и не удивительно, если принять во внимание сложности его жизни. Однако, продолжая размышлять на ту же тему, он пришел к идее создания еще более мощной машины. Аналитическая машина Бэббиджа в отличие от своей предшественницы должна была не просто решать математические задачи одного определенного типа, а выполнять разнообразные вычислительные операции в соответствии с инструкциями, задаваемыми оператором. По замыслу это была «машина самого универсального характера» — в действительности это ни что иное, как первый универсальный программируемый компьютер.

Аналитическая машина должна была иметь такие компоненты, как «мельница» и «склад» (по современной терминологии — арифметическое устройство и память), состоящие из механических рычажков и шестеренок. Память машины вмещала до 100 сорокаразрядных чисел. Эти числа должны были храниться в памяти, пока до них не дойдет очередь в арифметическом устройстве. Результат операции либо отправлялись в память, чтобы также ждать своей очереди, либо распечатывались. Инструкции, команды, вводились в Аналитическую машину с помощью перфокарт. «Можно с полным основанием сказать, Аналитическая машина точно так же плетет алгебраические узоры, как ткацкий станок Жаккарда воспроизводит цветы и листья», — писала графиня Лавлейс, одна из немногих, кто понимал, как работает машина и каковы потенциальные области ее применения.

Говоря об Аналитической машине, Бэббидж отмечал, что графиня «повидимому, понимает ее лучше меня, а уж объясняет ее устройство во много-много раз лучше». Она прекрасно поняла революционную сущность машины — то, что это действительно был «математический станок Жаккарда», изначально как бы бессмысленный, но способный выполнить любую программу, переведенную на язык перфокарт.

Графиня Лавлейс помогла Бэббиджу прояснять его собственные идеи, воодушевляла его, глубоко интересуясь его работой и заражая своим энтузиазмом. Но даже ее литературного дара и обаяния оказалось недостаточно, чтобы решить главную проблему на пути создания Аналитической машины. Если Разностная машина имела сомнительные шансы на успех, то Аналитическая машина и вовсе выглядела нереалистичной. Ее просто невозможно было построить и запустить в работу. В своем окончательном виде машина должна была быть не меньше железнодорожного локомотива. Ее внутренняя конструкция представляла собой беспорядочное нагромождение стальных, медных и деревянных деталей, часовых механизмов, приводимых в действие паровым двигателем. Малейшая нестабильность какой-нибудь крошечной детали приводила бы к стократно усиленным нарушениям в других частях, и тогда вся машина пришла бы в бешенство.

Аналитическая машина так и не была построена. Все, что дошло от нее до наших дней, — это ворох чертежей и рисунков, а также небольшая часть арифметического устройства и печатающее устройство, сконструированное сыном Бэббиджа.

По иронии судьбы Разностной машине повезло больше. Хотя сам Бэббидж больше не возвращался к ней, шведский издатель, изобретатель и переводчик Пер Георг Шойц, прочтя как-то об этом устройстве, построил его слегка видоизмененный вариант, воспользовавшись ценными советами Бэббиджа. Несомненно, это было для Бэббиджа и радостное, и горькое событие, когда он наконец увидел, как его (теперь уже общее) детище успешно прошло испытания — это случилось в 1854 г. в Лондоне. А годом позже Разностная машина Шойца была удостоена золотой медали на

Всемирной выставке в Париже. Спустя еще несколько лет британское правительство, отказавшее в свое время в поддержке Бэббиджу, заказало одну из таких машин для правительственной канцелярии

2.3 Табулятор Холлерита

Лишь через 19 лет после смерти Бэббиджа один из принципов, лежащих в основе идеи Аналитической машины, — использование перфокарт — нашел воплощение в действующем устройстве. Это был статистический табулятор, построенный американцем Германом Холлеритом с целью ускорить обработку результатов переписи населения, которая проводилась в США в 1890 г. Холлерит родился в г. Буффало (шт. Нью-Йорк) в семье немецких эмигрантов. Закончив Колумбийский университет, он поступил на работу в контору по переписи населения в Вашингтоне. Он прибыл сюда как раз в то время, когда сотни служащих приступили к исключительно трудоемкой (длившейся семь с половиной лет) ручной обработке данных, собранных в ходе переписи населения 1880 г.

Джон Шоу Биллингс, высокопоставленный чиновник в бюро переписи, в будущем тесть Холлерита, высказал мысль, что табуляцию можно производить при помощи перфокарт, и Холлерит провел значительную часть последующего десятилетия в попытках разработать такую систему. Сейчас трудно сказать, что навело Биллингса на эту идею — возможно, станок Жаккарда или железнодорожные билетики с перфорацией, но, так или иначе, он разрешил Холлериту заниматься проектированием системы. К 1890 г. Холлерит закончил работу. При испытаниях, проведенных в бюро переписи, статистический табулятор Холлерита вышел победителем в соревновании с несколькими другими системами, и с изобретателем был заключен контракт на проведение переписи 1890 г. Система Холлерита стала еще одним этапом в истории развития компьютеров.

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 (смю рисунок 3).

Машина Холлерита оказалась настолько быстродействующей, что предварительные подсчеты были завершены через 6 недель, а полный статистический анализ занял два с половиной года. За истекшее с предыдущей переписи десятилетие население США выросло почти на 13 млн. человек, достигнув 62 622 250 чел., но обработка результатов переписи 1890 г. потребовала приблизительно втрое меньше времени по сравнению с предыдущей.

Холлерит был удостоен нескольких премий, получил немало похвал и звание профессора в Колумбийском университете. «Этот аппарат, -восхищенно писал журнал Electrical Engineer, — работает так же безошибочно, как машины бессмертных богов, но намного превосходит их по быстродействию». Холлерит с гордостью называл себя «первым инженером-статистиком», впрочем, так оно и было на самом деле. Он организовал фирму по производству табуляционных машин «Тэбьюлейтинг машин компани» (Tabulating Machine Company) и продавал их железнодорожным управлениям и правительственным учреждениям. Машины Холлерита закупила царская Россия, решив провести перепись населения на современном уровне

Рисунок 3 — Внешний вид табулятора Холлерита

Предприятию Холлерита сразу же сопутствовал успех, и в дальнейшем оно становилось все более преуспевающим. С годами оно претерпело ряд изменений — слияний и переименований. Последнее такое изменение произошло в 1924 г., за 5 лет до смерти Холлерита, когда он создал фирму IBM (International Business Machines Corporation). Теперь, спустя столетие с того времени, когда Чарлз Бэббидж героически трудился над созданием Аналигической машины. IBM является крупнейшей в мире промышленной фирмой, воплотившей в жизнь его мечту о (машине самого универсального характера". Но даже Бэббидж, с его необузданным воображением, не мог бы, наверное, предвидеть, какие формы примет машина его мечты.

3. Вычислительные машины и устройства начала XX века

3.1 Арифмометр Чебышева

Прибор, в котором впервые была достигнута автоматизация выполнения всех арифметических действий. Его изобрел крупнейший русский математик и механик П. Л. Чебышев. Арифмометр Чебышева состоял из двух основных частей: суммирующей машины, сконструированной в 1878 году, и приставки для умножения, появившейся примерно пятью годами позже. После установки множимого и множителя требовалось только вращать рукоятку, чьи повороты либо передавались на механизм переноса (как в обычном арифмометре), либо заставляли передвигаться на один разряд основной счетчик (суммирующую машину) относительно этого механизма. Для автоматизации всего процесса служил специальный управляющий регистр, на цифровых колесах которого устанавливался множитель. При умножении на цифру разряда единиц множителя установка колеса единиц управляющего регистра «уменьшалась» с каждым срабатыванием механизма переноса на единицу, пока не остазиции колесо, препятствовавшее ранее перемещению основного счетчика относительно механизма переноса, позволяло осуществить такое перемещение на один разряд, после чего обороты рукоятки передавались уже на колесо десятков счетчика управления и т. д.

Автоматические арифмометры представляли собой устройства, производившие любые арифметические действия над заданными числами после их установки и нажатия клавиши требуемой операции. Следует подчеркнуть, что в счетном приборе, сконструированном Чебышевым, перенос единицы в следующий разряд осуществлялся постепенно, непрерывно, и этот принцип нашел широкое применение с появлением в арифмометрах электропривода (поскольку увеличилась скорость их работы и при дискретном («прерывистом») способе передачи неизбежно появлялись толчки, снижающие надежность машин).

Одно из последних важных изобретений в области механической счетной техники сделал петербургский инженер В. Однер. Он сконструировал колесо с выдвигающимися зубцами и построил счетное устройство на его основе — «арифмометра Однера» (см. рисунок 4).

Рисунок 4 — Внешний вид «арифмометра Однера>

Вскоре стали появляться различные разновидности «арифмометра Однера», одной из которых был широко распространенный у нас в свое время арифмометр «Феликс». В первой четверти XX века «арифмометры Однера» являлись единственными широко применявшимися в России и за рубежом математическими машинами.

3.2 Гидравлический интегратор Лукьянова

Гидравлический интегратор Лукьянова — первая в мире вычислительная машина для решения дифференциальных уравнений в частных производных — на протяжении полувека был единственным средством вычислений, связанных с широким кругом задач математической физики. Создание гидроинтегратора продиктовано сложной инженерной задачей, с которой молодой специалист В. Лукьянов столкнулся в первый же год работы.

Академик Михаил Викторович Кирпичев (1879−1955) — специалист в области теплотехники, разработал теорию моделирования процессов в промышленных установках — метод локального теплового моделирования. Метод позволял в лабораторных условиях воспроизводить явления, наблюдаемые на больших промышленных объектах.

Лукьянов сумел обобщить идеи великих ученых: модель — вот высшая степень наглядности математической истины. Проведя исследования и убедившись, что законы течения воды и распространения тепла во многом сходны, он сделал вывод — вода может выступать в роли модели теплового процесса. В 1934 году Лукьянов предложил принципиально новый способ механизации расчетов неустановившихся процессов — метод гидравлических аналогий и спустя год создал тепловую гидромодель для демонстрации метода. Это примитивное устройство, сделанное из кровельного железа, жести и стеклянных трубок, успешно разрешило задачу исследования температурных режимов бетона.

Главным его узлом стали вертикальные основные сосуды определенной емкости, соединенные между собой трубками с изменяемыми гидравлическими сопротивлениями и подключенные к подвижным сосудам. Поднимая и опуская их, меняли напор воды в основных сосудах. Пуск или остановка процесса расчета производились кранами с общим управлением.

В 1936 году заработала первая в мире вычислительная машина для решения уравнений в частных производных — гидравлический интегратор Лукьянова (см. рисунок 4).

Рисунок 4 — Вычисления на двухмерном гидроинтеграторе

Основные и подвижные сосуды при закрытых кранах наполняли водой до рассчитанных уровней и отмечали их на миллиметровой бумаге, прикрепленной за пьезометрами (измерительными трубками) — получалась своеобразная кривая. Затем все краны одновременно открывали, и исследователь менял высоту подвижных сосудов в соответствии с графиком изменения внешних условий моделируемого процесса. При этом напор воды в основных сосудах менялся по тому же закону, что и температура. Уровни жидкости в пьезометрах менялись, в нужные моменты времени краны закрывали, останавливая процесс, и на миллиметровой бумаге отмечали новые положения уровней. По этим отметкам строили график, который и был решением задачи.

Появившиеся в начале 50-х годов первые цифровые электронно-вычислительные машины (ЦЭВМ) не могли составить конкуренции «водяной» машине. Основные преимущества гидроинтегратора -наглядность процесса расчета, простота конструкции и программирования. ЭВМ первого и второго поколений были дороги, имели невысокую производительность, малый объем памяти, ограниченный набор периферийного оборудования, слабо развитое программное обеспечение, требовали квалифицированного обслуживания. В частности, задачи мерзлотоведения легко и быстро решались на гидроинтеграторе, а на ЭВМ -с большими сложностями. Более того, предварительное применение метода гидравлических аналогий помогало поставить задачу, подсказать путь программирования ЭВМ и даже проконтролировать ее во избежание грубых ошибок. В середине 1970-х годов гидравлические интеграторы применялись в 115 производственных, научных и учебных организациях, расположенных в 40 городах нашей страны. Только в начале 80-х годов появились малогабаритные, дешевые, с большим быстродействием и объемом памяти цифровые ЭВМ, полностью перекрывающие возможности гидроинтегратора.

Заключение

Огромные заслуги в деле создания вычислительных машин принадлежат англичанину Чарльзу Бэббиджу. В период между 1820 и 1856 г. он предпринял попытку построить «аналитическую машину», способную производить серию арифметических действий в определенной последовательности. Основные элементы, предложенные Бэббиджем, такие, как данные и команды, вводимые в машину, условная передача управления, основанная на полученных результатах, были так хорошо разработаны, что в первых ЭВМ, появившихся в середине XX в., они были почти такими же, как у Бэббиджа. Он не смог до конца реализовать свои замыслы, так как его ««идеи намного обогнали технические возможности его времени.

В конце XIX в. Герман Холлерит в Америке изобрел счетно-перфорационные машины, данные в которые вводились с помощью перфокарт. Он основал фирму, давшую впоследствии начало известной фирме по производству вычислительной техники IBM.

Машину для выполнения арифметических операций над числами построил в 1882 г. выдающийся математик П. Л. Чебышев. Русский инженер В. Т. Однер в 1894 г. построил арифмометр, некоторые черты которого сохранились до середины XX в.

Вычислительная техника в XIX и в начале XX вв. связано главным образом с постройкой аналоговых машин, в частности первой машины для решения дифференциальных уравнений академика А. Н. Крылова (1904).

В 1904 г. академик А. Н. Крылов построил механическую вычислительную машину для решения дифференциальных уравнений.

Список использованных источников

Водяной компьютер — http: //www. livejournal. ru/themes/id/6481

История вычислительной техники — http: //www. ict. edu. rU/ft/4 250//Chapterl. pdf

История компьютера — http: //chernykh. net/content/view/12/36/

История развития аналоговых вычислительных машин в России — http: //marsiada. ru/357/465/729/2524/

История развития вычислительной техники — http: //sdo. uspi. ru/mathem&inform/lek9/lek9. htm

Механические калькуляторы — http: //schools. keldy sh. ru/sch444/museum/pres/inform/3 9. htm

Петров А. Ткацкий станок, прадедушка компьютеров — http: //hi- tech. mail. ru/article/misc/proto-pc_popmechanic. html

Петров А. Ткацкий станок, прадедушка компьютеров http: //www. popmech. ru/article/10 083-tkatskiy-stanok-pradedushka-kompyuterov/

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой