62 подписчика

Глава 3: История развития мировой электроники. Часть 1. Парадигма электромеханических вычислительных устройств.

18 января 202018 янв 2020

6 мин

История развития вычислительной техники берёт своё начало с нескольких событий, произошедших ещё до нашей эры: первые счеты — абак (рис.13), изобретенные в древнем Вавилоне за 3000 лет до н. э., и их более «современный» вариант с косточками на проволоке, появившийся в Китае примерно за 500 лет также до н. э. Много позже, начиная с трудов Леонардо да Винчи в 1492 году, началась «механическая» эра вычислительной техники, которая непосредственно связана с механическими вычислительными устройствами на основе зубчатых колёс (рис.14). Первая рабочая вычислительная машина была представлена Блезом Паскалем в 1642 году. Она могла проводить операции сложения и вычитания 8-разрядных цифр. Несколько позднее, в 1673 году, Вильгемом Готфридом Лейбницем был создан «пошаговый вычислитель» для выполнения всех четырёх арифметических операций над 12-разрядными цифрами, причём, помимо шестерёнок, присутствовал новый элемент – ступенчатый валик. В 1786 году военный инженер Иоганн Мюллер развивает идею Лейбница и выдвигает концепцию «разностной машины», которая была специализирована для табулирования логарифмов.

Дальнейшей ступенью развития вычислительной техники стало изобретение Жозефом Марией Жаккардом (рис.15) ткацкого станка с программным управлением, работа которого задавалась с помощью комплекта перфокарт.

Рис.15. Программируемый ткацкий станок Жозефа Мари Жаккарда. Основоположник вычислительных устройств с перфокартным программированием (1804).

В последствии, результаты вышеизложенных работ стали основой для «аналитической машины» Бэббиджа.

Её отличительной особенностью стало появление памяти для 50-ти 40-разрядных чисел и два аккумулятора для хранения промежуточных результатов. Позже, в 1871 году, Бэббидж создал устройство, по своему функционалу напоминающее центральный процессор, а также принтер.

Рис.16. Аналитическая машины Чарльза Беббиджа.

Однако, все эти машины не обладали функцией ввода данных через нажатие клавиш. Лишь в 1885 году появился первый калькулятор Дорра Фетра, обладающий данной возможностью. Спустя всего лишь 7 лет Уильям Берроуз доработал устройство Ферта, улучшив его надёжность, и благодаря этому оно получило массовое распространение в развивающейся в США офисной индустрии (рис.17).

Стоит отметить, что все перечисленные ранее механические устройства были громоздкими, неудобными и не очень точными: от числа разрядов считаемых чисел зависела тонкость калибровки деталей и общее их число. Для решения этих проблем была необходима смена подходов счёта в технике и новая компонентная база для вычислительных устройств. В 1937 году Джорджем Штибицом было предложено решение, сутью которого стало использование двоичного кода и вычислителя, работающего на базе электромеханических реле - электрических устройств, предназначенных для осуществления коммутации различных участков электрических схем при изменении электрических или неэлектрических входных воздействий [10].То есть реле выступает в качестве переключателя (ключа), в котором при воздействии малого входного сигнала включается цепь с большим значением тока или напряжения.

Принцип работы реле прост: при пропускании электрического тока через обмотку электромагнита возникающее магнитное поле притягивает к сердечнику якорь, который через толкатель смещает и тем самым переключает контакты(рис.18). Именно с применением реле в электронике в качестве усилителя сигнала связано появление проводной и беспроводной связи. Благодаря телеграфу и радио произошла кооперация учёных во всех отраслях науки на пути формирования информационных технологий.

Из достоинств реле следует отметить их возможность высокой коммутации нагрузки при малом объеме катушки, что позволяет им быть устойчивыми к импульсам перенапряжения, к примеру, во время разряда молнии. Наличие электрической изоляции между катушкой и группой контактов позволяет эффективно управлять нагрузочным током или напряжением в пределах допустимых значений. Благодаря своей надёжности при работе с большими значениями токов и напряжения в схемах, реле получило широкое распространение в силовой электронике. Однако, у данного элемента имеется ряд серьёзных недостатков: невысокая скорость работы, перегрев, радиопомехи при переключении контактов и ненадёжность устройств при коммутации высоковольтных и индуктивных нагрузок при постоянном токе.

Тем не менее, именно благодаря использованию реле в вычислительных устройствах была заложена основа для развития базовых элементов, использующих электрическую энергию, и при этом способных к управлению большими значениями токов и напряжений в схемах по принципу «ключа», то есть при малом входном сигнале управлять большими сигналами в схемах. Благодаря таким возможностям, реле стали применять для создания логических элементов на основе булевой алгебры, концепция которых и легла в основу дальнейших разработок ЭВМ.

Разработки Джорджа Штибица стали основой современных ЭВМ и дали возможность использования не только цифр, но и символов в вычислительных устройствах. Уже к 1945 году появились вычислители, которые заложили основу для современных ЭВМ: память и процессор были представлены отдельными устройствами, причём сам процессор отвечал за вычислительные операции. Последняя версия вычислителя Цузе Z4 была способна хранить данные в памяти, основанной на использовании 2600 реле, обрабатывать числа с плавающей запятой, производить все арифметические операции и вычислять квадратные корни [11] (рис.19).

Таким образом, развитие электромеханических калькуляторов позволило упростить обработку данных, но сами устройства обладали большим весом и размерами, были медленны при выполнении арифметических операций, требовали щепетильного отношения в производстве и эксплуатации, не обладали высокой точностью вычислений и потребляли из-за релейных схем много энергии. В связи с этим, по мере развития технологии электромеханических приборов, назрела необходимость в поиске новых методов организации вычислительных процессов и создания новых элементов электронно-компонентой базы (рис.19).

Рис.19. Сигмоидальная кривая развития электромеханических вычислителей. На этапе появления реле мы видим становление нового направления в электронике - твердотельной электроники.

Источники:

10. Сайт «Ruaut»- Устройство и принцип действия электромагнитных реле. Их преимущества и недостатки. URL: http://ruaut.ru/content/publikacii/electro/ustroystvo-i-printsip-deystviya-elektromagnitnykh-rele-ikh-preimushchestva-i-nedostatki.html(дата обращения: 26.10.2016).

11. Орлов С. А. Организация ЭВМ и систем: Учебник для вузов. 2-е изд./ С. А. Орлов, Б. Я.Цилькер; — СПб.: Питер, 2011. — 688 с.: ил.