Возникновение и развитие информационно-кибернетической техники
В период НТР объемы информации, необходимой для развития науки, техники и производства, неустанно возрастают, и все более сложной и объемной становится задача ее переработки. Это обусловило необходимость развития научного знания о методах и технических средствах управления и связи, в которых вещество и энергия используются для получения, передачи, сохранения и обработки информации. Так появились и быстро разрастаются новые, тесно связанные ветви науки об общих закономерностях процесса управления и передачи информации в машинах и живых организмах, которые играют исключительно важную роль в НТР. Развитие всего этого комплекса наук и его обобщающего звена – кибернетики стал важной частью революции в природоведческих науках и в технике. Кибернетика (древнегреческое – система, управление) – наука об управлении, связи и переработке информации. Первым применил термин "кибернетика" для управления в общем понимании греческий философ Платон. Техническая кибернетика – это основа комплексной автоматизации производства, разработки и создания систем управления на транспорте, ирригационных и газораспределительных систем, на атомных электростанциях, космических кораблях и т. п. Практическая кибернетика направлена на создание сложных систем управления и разного рода систем для автоматизации умственного труда. Реальное становление кибернетики как науки было обусловлено развитием крупной машинной промышленности, технических средств управления и преобразования информации. Еще в средние века в Европе стали создавать так называемые андроиды – человекоподобные игрушки, которые представляли собой 97
механические программно управляемые устройства. Первые промышленные регуляторы уровня воды в паровом котле и скорости вращения вала паровой машины были изобретены Ползуновым и Уаттом. Во второй половине ХІХ в. появляется необходимость построения все более усовершенствованных автоматических регуляторов. Вместе с механическими блоками в них все чаще применяют электромеханические и электронные. Большую роль в развитии теории и практики автоматического регулирования сыграло изобретение в начале ХХ в. дифференциальных анализаторов, способных моделировать и решать обыкновенные дифференциальные уравнения. Источником идей и проблем кибернетики стала практика создания реальных дискретных преобразователей информации. Первые попытки создать такой преобразователь информации – вычислительную машину начались еще в XVІІ ст., а простейшие вычислительные приспособления, типа абака и счетов, появились еще в древности и средневековье. Первой вычислительной машиной была сконструированная в 1641 и построенная в 1645 году французским ученым Б. Паскалем механическая итоговая машина, которая позволяла выполнять сложение и вычитание, а также умножение (деление) путем многоразового сложения (вычитания). В этой машине он вперДощечка вые реализовал идею Окошко представления чисел Барабан механизмом поворота расчетных колес Часть остова (рис. 4.1): каждому Позиционная числу от 0 до 9 отвечал собачка свой угол. Колесо Следующий этап десятков в развитии вычислительной техники связан с именем знаменитого немецкого математика Лейбница, который в 1673 г. после почти 40Груз Собачка Пружина летней работы над "арифметическим инРисунок 4.1 – Механизм итоговой машины струментом" создал Паскаля первый арифмометр, способный выполнять все арифметические действия. Основу арифмометра составлял изобретенный Лейбницем ступенчатый валик-шестерня с размещенными на нем зубцами разной длины (рис. 4.2). Количество таких валиков-шестерен отвечало порядку разрядов арифмометра – по одному на каждый разряд числа. Между этими шестернями и соответствующим колесом основного счетчика иногда вводилась промежуточная шестерня, перемещением которой осуществлялась отладка механизма. В результате при одном обороте валика-шестерни промежуточная шестерня поворачивала 98
соединенное с нею цифровое колесо на такое количество зубцов, которое равнялось устанавливаемой цифре. Каждому разряду отвечала своя валикшестерня, и при одном повороте оси в счетчик вводилось нужное многозначное число. Первые арифмометры были достаточно несовершенны, производственная потребность в таких машинах была еще не очень острой, поэтому к последней четверти ХІХ в. они не получили широкого распространения. Усовершенствование конструкций механических арифмометров, которое происходило в XVІІІ-XІX вв., Рисунок 4.2 – Механизм вычислительной а потом и арифмометмашины (арифмометра) Лейбница ров с электрическим приводом, носило исключительно механический характер, и с переходом на электронику арифмометры утратили свое значение. С дальнейшим развитием науки и техники потребность в эффективных и быстродействующих вычислительных машинах выросла настолько, что английское правительство поручило известному математику и изобретателю Чарльзу Беббиджу их разработку. Соответственно этой задаче Беббидж в 1822 г. разработал и изготовил действующую модель разностной машины, а в 1830 г. спроектировал аналитическую вычислительную машину. Разностная машина предназначалась для табулирования многочленов и с современной точки зрения была специализированной вычислительной машиной с фиксированной программой. С ее помощью можно было вычислять не только многочлены, но и другие функции, например логарифмические и тригонометрические, представив их в форме бесконечного ряда. Машина имела память – несколько регистров для сохранения чисел, счетчик количества операций со звонком (при выполнении заданного числа шагов вычислений раздавался звонок), печатное устройство, причем печатание результатов происходило одновременно с вычислениями на следующем шаге. Работая над разностной машиной, Беббидж пришел к идее создания цифровой вычислительной машины для выполнения разнообразных научных и технических расчетов, которая, работая автоматически, выполняла 99
бы заданную программу. Проект этой машины, названной автором аналитической, поражает, прежде всего, тем, что в ней предусмотрены все основные устройства современных ЭВМ, а также задачи, которые могут быть разрешимы с ее помощью. Аналитическая машина Беббиджа должна была включать в себя такие устройства: - "состав" - устройство для сохранения цифровой информации (теперь его называют запоминающим или памятью); - "фабрика" - устройство, которое выполняет операции над числами, взятыми из "состава" (теперь это - арифметическое устройство); - устройство, для которого Беббидж не придумал названия и которое управляло последовательностью действий машины (теперь это – устройство управления); - устройство ввода и вывода информации. В качестве носителя информации при вводе и выводе Беббидж собирался использовать перфорированные карточки (перфокарты) типа тех, что применял ткач и механик Ж. М. Жаккар (1752 – 1834) для управления работой ткацкого станка. Беббидж предусмотрел введение в машину таблиц значений функций с контролем при введении значений аргумента. Исходная информация могла печататься, а также пробиваться на перфокарту, что давало возможность при необходимости снова вводить ее в машину. Беббидж предложил также идею управления вычислительным процессом программным путем и соответствующую команду – аналог современной команды условного перехода: вопрос о выборе одного из двух возможных продолжений программы решался машиной в зависимости от знака некоторой вычисляемой величины. Он предусмотрел также специальный счетчик количества операций, которые имеют все современные ЭВМ. Таким образом, аналитическая машина Беббиджа была первой в мире программно управляемой вычислительной машиной. Для этой машины были составлены и первые в мире программы, а первым программистом была Августа Ада Лавлейс (1815 – 1852) – дочь английского поэта Д. Байрона. В ее честь один из языков программирования называется "Ада". ЭВМ по своей структуре очень близки к аналитической машине Беббиджа, но, в отличие от нее, используют совсем другой принцип реализации вычислений, который базируется на двойственной системе исчисления. Двойственный принцип реализуется с помощью электромагнитного реле – элемента, который может находиться в одном из двух возможных состояний и переходить из одного состояния в другого под действием внешнего электрического сигнала. Первая вычислительная машина с электрическим реле была сконструирована в 1888 году американцем Г. Холлеритом (1860 – 1929) и уже в 1890 г. применялась во время переписи населения США. Эта машина, названная табулятором, имела в своем составе реле, счетчики, сортировочный ящик. Данные наносились на перфокарту, и при прохождении перфокарты через машину в позициях, где имели место отверстия, происходило 100
замыкание электрической цепи, на соответствующих счетчиках добавлялось по единице, после чего перфокарта попадала в определенное отделение сортировочного ящика. Развитие табуляторов и другой вычислительно-перфорационной техники позволило создать универсальные вычислительные машины с программным управлением на основе электромеханических реле. Релейные машины довольно долго находились в эксплуатации (машина РОМ-1 конструкции советского инженера М. И. Бессонова работала вплоть до 1965 г.), однако они были медленно действующими, так как быстрейшие реле не могли делать большее 50 срабатываний в секунду, и операция умножения занимала в среднем 0,25 секунды. Значительно большее быстродействие имели электронные аналоги электромеханических реле – вакуумные лампы-триггеры, изобретенные в 1918 г., которые стали базовыми элементами в ЭВМ первого поколения. Первая электронная вычислительная машина ЕНИАК была разработана в Пенсильванском университете США и построена в 1946 г. Она занимала площадь в 135 м2, состояла из 18 000 электронных ламп и 1500 реле и работала в тысячу раз быстрее самых совершенных релейных машин. Но эта ЭВМ была еще недостаточно надежной, несовершенной. Для программного управления машиной ее блоки соединялись между собой с помощью штекеров, и подготовка машины к работе (соединение блоков на коммутационной доске) занимала несколько дней, тогда как задача иногда решалась за несколько минут. Кроме того, эта машина не могла сохранять информацию. Первой ЭВМ, которая имела все компоненты современных машин, была английская машина "МАРК-1", построенная в Манчестерском университете в 1948 г., в которой впервые была реализована идея сохранения памяти, сформулированная в 1945 – 1946 гг. американским математиком Д. Нейманом, которая включала такие положения: - команды и числа однотипны по форме представления в машине (которые записаны двойственным кодом); - числа размещаются в том же запоминающем устройстве, что и программа; - благодаря числовой форме записи команд программы машина может проводить операции над командами. В 1951 г. появилась первая советская ЭВМ МЕРМ академика С. А. Лебедева. Она выполняла всего 12 команд, ее быстродействие составляло 50 операций в секунду. Оперативная память МЕОМ могла сохранять 31 семнадцатиразрядное двоичное число и 64 двадцатиразрядные команды. В конце концов, в 1952 г. свой первый промышленный компьютер ІBM 701 выпустила фирма ІВМ. В 1951 г. Джой Форрестер внес важное усовершенствование в ЭВМ, запатентовав память на магнитных сердечниках, которые могли запоминать и сохранять достаточно долго зафиксированные на них импульсы.
101
Это позволяло сохранять большие объемы информации на внешнем носителе, например на магнитной ленте или на магнитном барабане. Дальнейшее развитие ЭВМ связано с изобретением полупроводниковых транзисторов, которые стали элементной базой ЭВМ второго поколения. Первые серийные ЭВМ на транзисторах появились в 1958 г. одновременно в США, ФРГ и Японии. В 1962 г. начался массовый выпуск интегральных микросхем, что дало возможность значительно уменьшить габариты вычислительных машин третьего поколения, повысить их быстродействие, увеличить объем памяти, расширило сферу их применения, позволило устанавливать ЭВМ на самолетах, кораблях. Чрезвычайно важным событием на этом пути стало создание в 1971 г. американской фирмой "Іntel" единой интегральной схемы для выполнения арифметических и логических операций – микропроцессора. Это привело к грандиозному прорыву микроэлектроники в сферу вычислительной техники. В 1976 г. появились первые машины четвертого поколения на больших интегральных микросхемах – американские "Крей-1" и "Крей-2" с быстродействием 100 млн. операций в секунду, которые имели около 300 тысяч чипов (микросхем). В наше время широкое распространение получил всем нам известный персональный компьютер (ПЭВМ), который занял в нашей жизни такое же место, как и телефон, телевизор, автомобиль. Это небольшая по размерам вычислительная машина, которой пользуются и в быту, и в научной, инженерной, управленческой деятельности. Их появление относится к 1976 г., когда американские техники Стефан Возняк и Стив Джобс создали первый маленький персональный компьютер «Эйпл» («Яблоко»), предназначенный для видеоигр, хотя он имел возможности для программирования. Позднее созданная Джобсом фирма, а потом и другие фирмы, наладили серийный выпуск компьютеров самых разных концепций. Но особый успех имел выпущенный в 1981 г. компьютер ІВМ РС с 16-разрядным микропроцессором Іntel-8088 и прекрасно разработанным программным обеспечением фирмы Mіcrosoft. Следующие модели этой фирмы сделали компьютеры марки ІВМ самым массовыми и популярными. Широкое внедрение вычислительной техники происходило одновременно с формированием технических наук информационнокибернетического цикла. Ряд научно-технических направлений, дисциплин и наук, предметом которых есть искусственные технические средства получения, передачи, сохранения и обработки информации, и которые использовалось также с целью управления и связи, возникли и достаточно долго развивались независимо от общекибернетических представлений. Так, начало теории автоматического управления было заложено еще в ХІХ в. при исследовании проблем регулирования работы машин и других механических устройств. Технические средства автоматического регулирования и научные знания о них развивались во второй половине ХІХ – первой половине ХХ в. 102
Теоретическое обобщение практического опыта (главным образом технического) использования информационных процессов, начатое Н. Винером в книге "Кибернетика" (1948 г.), К. Шенноном и др., позволило обосновать концепцию единства информационных процессов в сложных системах, с помощью которых осуществляются функции управления и связи в природе, технике, обществе. Теоретическое ядро современной кибернетики составляют ее основные разделы: теория информации, теория кодирования, теория программирования (алгоритмов), теория автоматического управления, теория систем, теория оптимизации процессов, теория распознавания образов, формальных языков. Объединение фрагментов этих разнородных знаний привело к созданию специализированных методов и технических средств информационной деятельности, позволило сформировать научно-технические основы для передачи некоторых функций непосредственного управления отдельными производственными процессами от человека – техническим средствам.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Возникновение и развитие информационно-кибернетической техники» з дисципліни «Історія інженерної діяльності»
