Лекция 05. «Железная»



Скачать 134.94 Kb.
Дата09.07.2014
Размер134.94 Kb.
ТипЛекция



Информатика 05


Лекция 05. «Железная» логика компьютера - 1
Ключевые слова настоящей лекции

Логика и «железо», бит и триггер, Паскаль: арифмометр и десятичная системы счисления, Лейбниц, Бэббидж и разностная машина, Эйкен и Марк1, Шиллинг, Генри, Морзе и реле

Появление «настоящего» компьютера (быстрой электронно-вычислительной машины) стало возможным лишь когда технология догнала математическую мысль. Так был получено воплощение логики – в вещество (чтобы энергия электронов могла оперировать модель мысли). Логическая единица, в конце концов победившая прочие предложения – это бит (bit = binary unit). (Бит – единица информации). Схема технического устройства, которое может хранить эту единицу информации называется триггер (trigger = спусковой крючок). (Триггер – единица памяти и регистра). Логическая схема триггера может быть воплощен в разном материале – с помощью устройств механических, электромеханических, электронно-ламповых, транзиторных, микросхемных (как в современных компьютерах). Это устройство называется реле (от англ. relay – смена, сменять). Однако только построение схемы триггера в электронных лампах позволило построить первый истинную ЭВМ – ЭНИАК (1946 г.).

История создания первого компьютера есть, с одной стороны, история развития бинарной логики, теории кодирования или информации (породивших идею бита), а с другой – история изобретений устройств – реле, арифмометра = калькулятора (породивших триггер), и их синтеза.

Истории вычислительных механизмов начинается с арифмометров, изобретенных независимо друг от друга многими исследователями.

Блез Паска́ль (фр. Blaise Pascal; 19 июня 1623, Клермон-Ферран, Франция — 19 августа 1662, Париж, Франция) — французский математик, физик, литератор и философ. Классик французской литературы, один из основателей математического анализа, теории вероятностей и проективной геометрии, создатель первых образцов счётной техники, автор основного закона гидростатики. Блез Паскаль начал создавать суммирующую машину «Паскалину» в 1642 г. в возрасте 19 лет.

Устройство арифмометра можно представить на примере одного регистра – позиции цифры. Этот прибор в простом исполнении имеет переднюю панель рычагов, двигающихся вдоль нарисованных на панели цифр; рычаги связаны с барабанами, сидящими на общей оси (это рабочий регистр); имеется и второй регистр (или память) – барабаны с числами, которые можно видеть в окошечках; есть поворотная ручка, вращающая нижние барабаны, сцепленные с верхними с помощью зубчатых передач; имеется ручка сброса всех на 0. И первый и второй барабаны имеют по 10 положений, соответствующих десятичной системе счисления.

Расчеты, например, сложения происходят таким образом.
1) На передней панели исследователь двигает рычажки в положение, соответствующее первому слагаемому. Тем самым выступы шестерен рабочих барабанов меняют свое положение. Например, на 5 позиции. 2) Поворачиваем ручку, заставляя и барабаны памяти повернутся на заданное число позиций; таким образом эти значения переносятся в память, отображаясь в окошечках. 3) Набираем на передней панели второе слагаемое (8). 4) Вновь вращаем ручку, заставляя регистры памяти вобрать в себя (повернутся на) заданное число позиций. При этом барабан памяти в первом регистре будет повернут еще на 8 позиций. Поскольку 5+8=13, то в окошке первого регистра появиться число 3. Однако в тот момент, когда первый барабан памяти проходил нулевую отметку, соответствующую 10, он специальным зубцом задевал соседний слева барабан и переводил его на 1 положение. В результате в окошке регистра памяти по втором разряде появлялась цифра 1. 5) Результат составил 5 + 8 = 13. Умножение на небольших чисел достигается многократным вращением ручки. Для вычитания ручка вращалась в противоположную сторону.
Готфрид Вильгельм фон Лейбниц (нем. Gottfried Wilhelm von Leibniz; 1646, Лейпциг, Германия —1716, Ганновер, Германия) — немецкий философ, великий математик, изобретатель, юрист, дипломат.

Он создал механический «калькулятор» в 1673 году. Наблюдая за объемными расчетами астронома Христианом Гюйгенсом Лейбниц решил облегчить рутинную работу. Сложение чисел выполнялось при помощи связанных друг с другом колёс, перемещающаяся часть и ручка, позволяющая крутить колеса (цилиндры), позволяла быстро выполнять сложение и умножение. В отличие от Паскалины для выполнения операции умножения больших чисел была сконструирована каретка, которая позволяет смещать умножаемые разряды.

В 1723 год немецкий математик Христиан Людвиг Герстен на основе работ Лейбница создал арифметическую машину. В 1820 году француз Тома де Кальмар наладил промышленный выпуск арифмометров.

Многие исследователи хотели идти дальше основателей. В начале 19 века Ча́рльз Бэ́ббидж работал над созданием механической вычислительной машины.
Ча́рльз Бэ́ббидж (англ. Charles Babbage; 26 декабря 1791, Лондон, Англия — 18 октября 1871, там же) — английский математик, изобретатель первой вычислительной машины. Иностранный член-корреспондент Императорской академии наук в Санкт-Петербурге (1832). Труды по теории функций, механизации счёта в экономике. Сконструировал и построил (1820-22) машину для табулирования. С 1822 работал над постройкой разностной машины. В 1833 разработал проект универсальной цифровой вычислительной машины — прообраза современной ЭВМ. Он был одним из основателей Лондонского статистического общества. В числе его изобретений были спидометр, офтальмоскоп, сейсмограф, устройство для наведения артиллерийского орудия.

В 1810 году Бэббидж поступил в Тринити-колледж в Кембридже, тщательно изучал труды НьютонаЛейбницаЛагранжаЛакруаЭйлера и вскоре обогнал своих преподавателей по знаниям. В 1819 году Чарльз Бэббидж приступил к созданию малой разностной машины, а в 1822 году он закончил её строительство и выступил перед Королевским Астрономическим обществом с докладом о применении машинного механизма для вычисления астрономических и математических таблиц. Работа разностной машины была основана на методе конечных разностей. Малая машина была полностью механической и состояла из множества шестерёнок и рычагов. В ней использовалась десятичная система счисления. Она оперировала 18 разрядными числами с точностью до восьмого знака после запятой и обеспечивала скорость вычислений 12 членов последовательности в 1 минуту. Малая разностная машина могла считать значения многочленов 7-ой степени. За создание разностной машины Бэббидж был награждён первой золотой медалью Астрономического общества. В дальнейшем он понемногу проектировал и большую разностную машину, но неблагоприятные обстоятельства не дали ему ее воплотить в «металл».

С 1834 года Бэббидж начал проектировать аналитическую машину. В аналитиче-ской машине Бэббидж предусмотрел следующие части: склад (store), фабрика или мельница (mill), управляющий элемент (control) и устройства ввода/вывода информации. Архитектура современного компьютера во многом схожа с архитектурой аналитической машины.

Бэббидж часто посещал промышленные выставки, где были представлены различные новинки науки и техники. Именно там состоялось его знакомство с Адой Августой Лав-лейс (дочерью Джорджа Байрона), которая стала его очень близким другом, помощником и единственным единомышленником. В 1840 году Луиджи Менабреа, преподаватель турин-ской артиллерийской академии, опубликовал конспект лекций Бэббидж на французском язы-ке. Позже Ада Лавлейс перевела эти лекции на английский язык, дополнив их комментария-ми по объёму превосходящими исходный текст. В комментариях Ада сделала описание ЦВМ и инструкции по программированию к ней. Это были первые в мире программы. Именно по-этому Аду Лавлейс называют первым программистом. Однако, аналитическая машина так и не была закончена. Только после смерти Чарльза Бэббиджа его сын, Генри Бэббидж, про-должил начатое отцом дело. В 1888 году Генри сумел построить по чертежам отца централь-ный узел аналитической машины. А в 1906 году Генри совместно с фирмой Монро построил действующую модель аналитической машины, включающая арифметическое устройство и устройство для печатания результатов. Машина Бэббиджа оказалась работоспособной, но Чарльз не дожил до этих дней.

Говард Эйкен через 80 лет построил машину МАРК-I, которую назвали «осуществлённой мечтой Бэббиджа». С четырьмя инженерами при финансировании в 500 тысяч долларов с помощью фирмы IBM (International Business Machines) к 7 августа 1944 г. построил ASCC (Automatic Sequence Controlled Calculator — вычислитель, управляемый автоматическими последовательностями). Компьютер содержал около 765 тысяч деталей (электромеханических реле, переключателей и т. п.) достигал в длину почти 17 м (машина занимала в Гарвардском университете площадь в несколько десятков квадратных метров), в высоту — более 2,5 м и весил около 4,5 тонн. Общая протяжённость соединительных проводов состав-ляла почти 800 км. Архитектура МАРК-I была очень схожа с архитектурой аналитической машины. («Если бы Бэббидж жил на 75 лет позже, - заявил впоследствии, Эйкен, - я бы остался без работы».) Основные вычислительные модули синхронизировались механически при помощи 15-метрового вала, приводимого в движение электрическим двигателем, мощностью в 5 л. с. (4 кВт).  Когда 3304 реле щелкали, включаясь и выключаясь, управляя вращением валиков и шестеренок, казалось, вспоминал один из очевидцев, «что множество старушек шелестят стальными спицами» Компьютер оперировал 72 числами, состоящими из 23 десятичных разрядов, затрачивая по 3 секунды на операции сложения и вычитания. Умножение выполнялось в течение 6 секунд, деление — 15,3 секунды, на операции вычисления логарифмов и выполнение тригонометрических функций требовалось больше минуты. Говард Айкен на самом деле серьёзно изучал публикации Бэббиджа и Ады Лавлейс перед созданием своей машины, причём его машина идеологически незначительно ушла вперёд по сравнению с недостроенной аналитической машиной. Производительность МАРК-I оказалась всего в десять раз выше, чем расчётная скорость работы аналитической машины. Фактически «Марк I» представлял собой усовершенствованный арифмометр, заменявший труд примерно 20 операторов с обычными ручными устройствами. Чтобы ввести в компьютер величины, нужные для вычисления, все эти переключатели приходилось устанавливать вручную. Однако из-за наличия возможности программирования некоторые исследователи называют его первым реально работавшим компьютером. Идея, реализованная Эйкеном, заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных; для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Эйкен не осознал преимуществ двоичной системы счисления, и данные вводись в машину в виде десятичных чисел, закодированных на перфокартах фирмы IBM. Разработка машины Марк-1 проходила на удивление гладко. Успешно пройдя первые испытания в начале 1943 г., она была затем перенесена в Гарвардский университет, где стала яблоком раздора между ее изобретателем и его шефом. На церемонии передачи компьютера Говард Эйкен не упомянул о какой-либо роли IBM в создании машины. Томас Уотсон (основатель IBM) был разозлён и недоволен этим поступком Эйксона, поэтому прекратил их дальнейшее сотрудничество. Данное IBM название «Automatic Sequence Controlled Calculator» Эйкен заменил на «Mark I», а компания приступила к созданию нового компьютера «SSEC» уже без участия Говарда Эйкена. Марк-1 устарел еще до того, как был построен. В свою очередь, Говард Эйкен также продолжил работу над созданием новых вычислительных машин. За «Марком I» последовал «Марк II», затем в сентябре 1949 года «Марк III/ADEC», а в 1952 — «Марк IV».(http://chernykh.net/content/view/45/99/)




Стоит заметить, что первый компьютер Марк 1 не только использовал десятичную систему счета, но и имел механически вращающееся устройство изменения контактов и представлял собой гигантский электрический арифмометр. Однако в нем было использовано электромеханическое устройство – реле.

Электромеханическое реле, примененное в этом устройстве, имело свою историю.

Андре-Мари Ампер (22 января 1775 — 10 июня 1836) —  первым предложил в 1821 г. систему электромагнитного телеграфа, в котором каждый символ передавался по отдельной электрической цепи и фиксировалась визуально по отклонению подвешенной магнитной стрелке. астатическую стрелку, состоящую из двух соосно закреплённых магнитных стрелок, ориентированных в противоположных направлениях акая стрелка полностью нечувствительна к магнитному полю Земли. Если разместить одну из стрелок астатической пары внутри витков катушки, а другую — над ними, то стрелки отклонятся только под действием магнитного поля катушки (направленного в зонах их размещения в противоположные стороны). Немецким ученым И. Швейгером был изобретен прибор, усиливающий отклонение стрелки и получивший название мультипликатора (умножителя). Итальянец Нобили на основе мультипликатора и астатической стрелки создал прибор, в котором угол отклонения стрелки был пропорционален значению электрического тока.

Барон Павел Львович Шиллинг фон Канштадт (1786-1837) проводил длительные эксперименты, которые привели его к созданию в 1832 году клавишного телеграфного аппарата с индикаторами, выполненными на основе стрелочного гальванометра.  Дата 21 октября 1832 годаи вошла в историю техники как день рождения первой практической конструкции электромагнитного телеграфа, а сама конструкция навеки прославила изобретателя. Демонстрации действия телеграфной системы в доме на Царицыном лугу продолжались почти каждый день в течение нескольких месяцев, привлекая огромное внимание не только учёных, но и образованной публики.  Передатчик был выполнен уже в форме клавишного манипулятора, состоящего из восьми клавиш (4 белые и 4 черные).  Шесть пар клавиш были связаны проводами с соответствующими шестью мультипликаторами, одна пара — с вызывным устройством. Сначала он изобрел кодирование электросигнала, уменьшающее количество проводов до 8. Шесть несли сигнал о букве, 1 для вызовного устройства и 1 общий для связи с гальванометром. Для этого служил разработанный им специальный 6-значный код. Каждая из воспринимающих сигнал слтрелок (мультипликаторы) могли принимать только два значения – «черное» и «белое», иными словами, он впервые в мире применил для передачи информации бинарный код. Шесть элементов, имеющих по 2 положения имели 26 = 64 уникальных сочетания, чего хватало для кодирования и алфавита, и специальных знаков. Успешные испытания телеграфных аппаратов Шиллинга позволило построить в 1836 году в Петербурге служебную линию телеграфа между зданиями Адмиралтейства. В 1837 Павел Львович разработал проект подводной линии электромагнитного телеграфа между Петергофом и Кронштадтом, однако внезапная смерть помешала осуществлению его замыслов. Еще при жизни Шиллинга изобретенная им телеграфная система быстро завоевывает умы европейских ученых. В 1833 году К. Гаусс и В. Вебер устраивают по шиллинговскому образцу в Гейдельберге связь между обсерваторией и физическим кабинетом. Англичанин У. Кук, на одной из лекций Мунке, посвященных телеграфу Шиллинга снимает копию с упрощенной демонстрационной модели шиллинговской системы С помощью опытного физика Ч. Уитстона  доводится до промышленного образца — и в 1839 году начинает работать первая 21-километровая линия с пятимультипликаторными аппаратами между станциями Паддингтон и Вест-Драйтон. Уитстон изменил некоторые детали телеграфа, и в 1837 г. они его запатентовали (чего в свое время не предусмотрел Шиллинг, который к моменту патентования уже скончался) под названием "Электромагнитный телеграф системы Уитстон-Кук". Именно телеграф Кука-Уитстона, а по сути — Шиллинга, начал опутывать земной шар первыми тысячами километров проводов.

 Еще в 1825 году им была разработана система с одним индикатором и, самое главное, одной (!) парой проводов. Бинарный код Шиллинг к тому времени уже изобрел, и в своей первой конструкции автор решил осуществлять передачу кодовых символов последовательно. Значит, для распознавания каждой буквы или цифры требовалось прочтение кодовой последовательности из 5—6 черных и белых бинарных символов.  При весьма критическом анализе этой системы П. Л. Шиллинг предположил, что сложность запоминания посылки перекроет многочисленные достоинства данной системы. И в угоду стереотипу он делает шаг назад: усложняет свой телеграф, доводя число мультипликаторов и сигнальных проводов до шести. Это был сознательный шаг назад – от аппарата Морзе его отделял бы лишь один шаг. решение вопроса о графической регистрации сигналов.
Джозеф Генри (1797–1878), известный американский физик который сконструировал контактное реле в 1831 году. эффект преобразования энергии электрического тока в механическую энергию осмысленного перемещения внешнего ферромагнитного материала (якоря)  Следует отметить, что первое релейное устройство  представляло собой не коммутационное реле. В 1831 г. американский изобретатель Дж.Генри предложил и построим многообмоточный довольно мощный электрический магнит, который мог притягивать магнитную планку при удалении от источника долее, чем на милю. При изменении полюсности, планка притягивалась то к одному, то к другому полюсу электромагнита. Подставив к другому концу планки колокольчик, Генри впервые получил звуковой телеграф. Когда позднее к Генри обратился Морзе за помощью в конструировании телеграфа, он фактически подарил Морзе идею своего изобретения. Делов том, что слабый ток, доходящий по проводам издалека до приемника не мог работать для качественной индикации сообщения – запускать устройство графического изображения переданного сигнала. Дж. Генри применил усиление ослабленного тока с помощью своего устройства, когда с помощью переключателя подключался источник энергии (батарея), расположенная рядом с приемником; ее сильный ток и включал нужное устройство. Это усиление напоминало смену (по-английски: relay) уставших почтовых лошадей на станциях или передачу эстафеты (relay) уставшим спортсменом, что и послужило названием "relay"для устройств подобного рода. Дж. Генри не патентовал свои открытия, чем нередко пользовались недобросовестные люди. В 1863 г. президент США А. Линкольн подписал билль об основании Национальной Академии наук. В числе первых 50 академиков был и Дж. Генри. В 1868 г. после смерти первого президента Академии наук Генри был избран на этот пост.

Сэ́мюэлю Фи́нли Бриз Мо́рзе (1791, Чарлзтаун в штате Массачусетс —1872) Богатые родители в 1811 послали его в Англию изучать искусство. В 1813 году, когда Морзе представил в Лондонскую королевскую академию художеств картину «Умирающий Геркулес», он удостоился золотой медали. Однако в Америке искусство в то время не котировалось. Поэтому он влачил скудное существование, рисуя портреты. Десять лет ему пришлось вести жизнь странствующего живописца. Морзе был очень общителен и обаятелен, его с охотой принимали в домах интеллектуалов, богачей и политиков. Среди его друзей были политик М.-Ж. Лафайет, романист Дж. Ф. Купер и даже президент США А. Линкольн. В стремительно растущем Нью-Йорке он создал несколько самых интересных портретов, когда-либо выполненных американскими художниками. Его вдохновила на изобретение телеграфа случайная беседа при возвращении из Европы на пароходе в 1832 году. Какой-то пассажир в ходе беседы о недавно изобретённом электромагните сказал: «Если электрический ток можно сделать видимым на обоих концах провода, то я не вижу никаких причин, почему сообщения не могут быть им переданы». Хотя идея электрического телеграфа выдвигалась и до Морзе, он полагал, что был первым. Морзе посвящал почти всё своё время живописи, преподаванию в университете Нью-Йорка и политике. В 1835 году Морзе стал профессором начертательных искусств.

После того как в университете в 1836 году показали описание модели телеграфа, предложенной В. Вебером в 1833 году, он полностью отдал себя изобретательству. В 1837 году он развил систему передачи букв точками и тире, ставшей известной во всём мире как Код Морзе. Поэтому в 1843 году Морзе получил субсидию в 30 000 долларов для строительства первой телеграфной линии от Балтимора до Вашингтона. В ходе работ оказалось, что на этом расстоянии около 40 километров электрический сигнал слишком сильно затухал и прямая связь невозможна. Известно, что С. Морзе в 1837 г., когда у него «...все валилось из рук», неоднократно приезжал к Дж. Генри и что он надоумил Морзе, «как действовать дальше». Генри, «ничего не тая», показал ему в действии свои схемы с электромагнитами. Позднее Морзе использовал полученные сведения в своих патентах без указания источника.   По другой версии положение спас компаньон Альфред Вэйл, предложивший использовать реле как усилитель (скорее всего, он предложил съездить к Дж. Генри). Наконец, 24 мая 1844 года линия была закончена, но Морзе был тотчас же вовлечён в юридические распри и с партнёрами, и с конкурентами. Он отчаянно боролся, и Верховный Суд в 1854 году признал его авторские права на телеграф.

Аппарат Морзе представлял собой электромеханическое устройство, в котором передатчиком служил телеграфный ключ, а приемником электромагнит с подвижным сердечником, управляющий работой пишущего механизма. Кодовые электрические импульсы от приемника к передатчику передавались по длинным проводам и, поэтому, требовали усиления. Для усиления слабых импульсов тока Морзе, по совету Дж. Генри, использовал его электромагнитное реле, якорь которого уже воздействовал не на колокол, а на подвижный электрический контакт, подключающий батарею питания к приемному электромагниту синхронно с приходом сигнала Морзе. Таким образом, ослабленный импульс электрического тока усиливался и мог уже восприниматься приемным электромагнитом телеграфного аппарата или передаваться дальше.

В аппарате Морзе реле играло ключевую роль. Принципиальная схема телеграфа (без усиливающего реле)

Похожие:

Лекция 05. «Железная» iconТест Латинская Америка «эгп, природные ресурсы, население»
Железная руда, медь, олово, бокситы; б вольфрам, молибден, хромиты; в свинец, цинк, марганец; г титан, железная руда, ванадий
Лекция 05. «Железная» iconЛекция 06. «Железная»
Мочли и Экерт и эниак, фон Нейман и архитектура компьютера, Лаплас, Буль и двоичная логика, Цузе и Z3, Шеннон и релейная логика,...
Лекция 05. «Железная» iconЖелезная руда и ее подготовка к металлургическому переделу
Основой основ черной металлургии, её основным сырьем и источником железа является полезное ископаемое – железная руда; в чистом виде...
Лекция 05. «Железная» iconПамятка о правилах безопасного поведения на объектах железнодорожного транспорта
Железная дорога – самый надежный, экономичный и безопасный вид общественного транспорта. Но для того, чтобы железная дорога оставалась...
Лекция 05. «Железная» iconЛекция №15 (Теорема 21), [6] Метод покоординатного спуска. Лекция №16 (Теорема 24), [2, 3]
Теория двойственности нелинейного программирования. Лекция №4 (Теорема 10, леммы 5, 6, следствия 1 и 2), Лекция №5 (следствие 3),...
Лекция 05. «Железная» iconЛекция №1. Введение. Элементы дифференциальной геометрии. 2 Лекция №2. Свойства скалярных и векторных поле
Лекция №5. Множества Жюлиа, множество Мандельброта и их компьютерное представлени
Лекция 05. «Железная» iconЛекция Предмет культурологии 2 часа 1 с. Лекция Культура как знаково-семиотическая система 2 часа 5 с. Лекция Цивилизационная модель культуры 2 часа 11 с. Лекция Китайская культура 2 часа 15 с
Охватывает прибрежные территории морей, а затем все обитаемые области земного шара, омываемые мировыми океанами
Лекция 05. «Железная» iconЖелезная дорога

Лекция 05. «Железная» iconКурс лекций Москва 2008 Содержание Лекция лекция Научные знания в средневековой Руси и окружающем мире 9
Лекция Развитие науки и техники в России в Новое время (вторая пол. XVII-XVIII вв.) 26
Лекция 05. «Железная» iconДжули Кагава Железная принцесса

Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org