Historia informatyki od czasów Charlesa Babbage’a do powstania maszyny EDVAC.

Historia informatyki od czasów Charlesa Babbage'a do powstania maszyny EDVAC.

Pytanie o początki informatyki jest podobnie jak pytanie o jej istotę, pytaniem trudnym do zdefiniowania. Przyjmujemy, że po jej początek tożsamy jest z rozwojem myśli ludzkiej związanej z obliczaniem, jak i próbami automatyzacji procesów obliczeniowych. Takie założenie wynika z faktu ścisłego związania informatyki z maszynami liczącymi, jakimi są także nasze współczesne komputery. W swojej pracy skoncentrowałam się nas pokazaniu zmian, jakie zaszły w maszynach liczących będących prototypami komputerów od czasów dziewiętnastowiecznego wynalazcy Charlesa Babbage do powstania maszyny, EDVAC autorstwa wybitnego matematyka Johna von Neumanna. Moim zamysłem było pokazanie ogromnego znaczenia i wpływu informatyki na życie codzienne, pokazanie zastosowania maszyn liczących przy rozwiązywaniu konkretnych problemów ( tworzenie zestawień danych pochodzących ze spisu powszechnego w USA-1890r).

Za ojca komputerów uważany jest żyjący w dziewiętnastym wieku Anglik Charlesa Babbage. Urządzenie, które skonstruował-maszyna różnicowa, obliczało tablice logarytmów metodą różnic skończonych i zapisywało wyniki na metalowej blaszce. Maszyna ta napędzana był przez silnik parowy i zawierała niektóre z cech występujących we współczesnych komputerach. W projekcie Babbage zawarł jednak wiele pomysłów zrealizowanych dopiero we współczesnych komputerach. Między innymi rozdzielił pamięć (zwaną magazynem) od jednostki liczącej (młyna), czyli miejsce przechowywania danych od jednostki wykonującej na nich działania. Operator analitycznej maszyny Babbage"a mógł instruować ją poprzez dziurowanie serii perforowanych kart. Trzy rodzaje kart perforowanych wprowadzały informacje do maszyny. Karty operacyjne i karty zmiennych zawierały instrukcje sterujące, a na kartach liczb znajdowały się dane. Babbage konstruował swoją pierwszą maszynę przez ponad 10 lat. Trapiony jednak wieloma kłopotami rodzinnymi i finansowymi oraz nie mogąc do końca porozumieć się ze swoim głównym wykonawcą - konstruktorem Clementem, zaprzestał dalszych prac nad maszyną różnicową w 1842 roku. Zmontowaną część maszyny można oglądać w Muzeum Nauk w Londynie. Babbage nie poprzestał na próbie skonstruowania maszyny różnicowej. Marzył o maszynie, która mogłaby rozwiązywać bardziej złożone zadania. Tak narodził się jeszcze w trakcie prac nad maszyną różnicową pomysł zbudowania maszyny analitycznej, który nie został nigdy zrealizowany. Było to przedsięwzięcie czysto abstrakcyjne. Przewidywane przeszkody techniczne i trudności finansowe nie pozwoliły mu nawet na rozpoczęcie prac konstrukcyjnych. Z Babbage'em współpracowała Augusta Ada Lovelace, córka angielskiego poety, Lorda Byrona. Ada, będąc doskonałą matematyczką oraz jedną z niewielu osób w pełni rozumiejących wizję Babbage'a, napisała program dla maszyny analitycznej. Gdyby Maszyna Analityczna kiedykolwiek w rzeczywistości działała, program Ady mógłby obliczyć matematyczny ciąg, znany jako liczby Bernoulli'ego. Z uwagi na to dzieło, Ada jest obecnie uważana za pierwszą programistkę komputerów i w roku 1979 jej imieniem został nazwany nowoczesny język programowania - ADA.

Koniec XIX wieku był początkiem rozwoju urządzeń mechanograficznych, których głównym przeznaczeniem było usprawnienie rachunków statystycznych, księgowych i biurowych Zaczęło się w Stanach Zjednoczonych od Hermana Holleritha, który postanowił zautomatyzować prace statystyczne związane ze spisem ludności przeprowadzanym wtedy w Stanach co dziesięć lat. Hollerith sięgnął po elektryczność, jako źródło impulsów i energii, rozwinął postać karty perforowanej, na której zapisywano dane i zbudował elektryczny czytnik-sorter kart. Olbrzymim sukcesem Holleritha okazał się spis w 1890 roku, którego wyniki zostały całkowicie opracowane za pomocą jego urządzeń na podstawie danych zebranych na jego kartach. W ciągu kilku dni maszyna dokonała obliczenia odpowiadające trzem tygodniom pracy zespołu rachmistrzów. W następnych latach Hollerith dostarczał lub wypożyczał swoje urządzenia do przeprowadzenia spisów w wielu krajach, w tym także w Europie, między innymi w Rosji. Firma, która założył, aby produkować wynalezione przez siebie maszyny stała się częścią korporacji znanej dziś jako IBM.

"Od przełomu XIX i XX wieku można zaobserwować wśród matematyków wzrost zainteresowania problemami obliczeniowymi i obliczalnością" . Zainteresowania te doprowadziły do powstania wielu teorii, których celem było dostarczenie teoretycznych podstaw obliczeń Wśród modeli obliczeń powstałych w pierwszej połowie dwudziestego wieku największa popularność zdobyły maszyny Turinga. W swej pracy z 1936 roku Alan Turing opisał tok myślenia prowadzący do obliczeń wykonywanych ręcznie do tych wykonywanych przez bardzo prostą maszynę. Obliczenia wykonywane za pomocą maszyny Turinga zależą od początkowego zapisy symboli na taśmie i od przyjętego zestawu dozwolonych instrukcji, co powoduje, że działa ona podobnie jak dzisiejsze komputery-wyniki zależą od zapisanych w pamięci komputera danych i od zestawu wykonywanych instrukcji. Za pomocą maszyny Alana Turinga można zrealizować każdy algorytm.

Kolejnym etapem rozwoju komputeryzacji było stworzenie przez Niemca-Konrada Zuse maszyny Z1, a następnie Z2 i Z3. Zadaniem maszyn były obliczenia dal potrzeb militarnych. Obliczenia te wykonywano na liczbach zapisanych w systemie dwójkowym. "Sterowanie odbywało się za pomocą programu zapisanego na perforowanej taśmie filmowej". Budowę maszyn autorstwa Konrada Zuse charakteryzował brak części mechanicznych, występowały w nich natomiast przekaźniki elektromagnetyczne. "Ostatni model maszyny Zusego (Z4) przetrwał i pracował aż do końca lat pięćdziesiątych".

Pierwsze komputery zbudowano dopiero w naszym stuleciu, chociaż pomysły, jakie w nich zrealizowano, pojawiły się przynajmniej sto lat wcześniej, już za czasów Babbage'a. Zastosowane w komputerach środki techniczne pojawiły się, bowiem dopiero w latach międzywojennych. W roku 1942 zespół specjalistów pod kierunkiem J.W. Mauchly'ego i J.P. Eckerta zaprojektował i zbudował maszynę ENIAC. Gdy pokazano "ENIAC-a" dziennikarzom, było oczywiste, że nikt nigdy nie zbudował podobnego monstrum, w każdym razie w dziedzinie elektroniki Pierwsze obliczenia maszyna ta wykonała w 1945 roku. ENIAC była olbrzymią konstrukcją złożoną z 50 szaf o wysokości 3 metrów, zawierających około dwadzieścia tysięcy lamp. Maszyna ważyła 30 ton i pobierała 140 kW mocy. Jej system wentylacyjny miał wbudowane dwa silniki Chryslera o łącznej mocy 24 KM; każda szafa była wyposażona w ręcznie regulowany nawilżacz powietrza, zaś termostat wstrzymywał pracę komputera, jeśli temperatura wewnątrz którejkolwiek z jego części przekraczała 48C. W pomieszczeniu przeznaczonym dla maszyny były jeszcze trzy dodatkowe - również wypełnione elektroniką i większe od pozostałych - szafy przesuwne na kółkach, dołączane w miarę potrzeb w odpowiednim miejscu do zestawu. Stanowiły uzupełnienie czytnika i dziurkarki kart perforowanych. "Operatorzy "ENIAC-a" mieli trzy 'stoły funkcyjne' - ruchome pulpity sterownicze do wprowadzania liczb bądź instrukcji do kalkulatora. Na każdym stole można było zarejestrować 104 informacje na 14 pozycjach (liczba dwunastocyfrowa i jej znak lub 2 liczby sześciocyfrowe i 2 znaki). Pulpity obsługiwało się ręcznie. Stojąc przy planszy trzeba było wprowadzać, cyfra po cyfrze, liczby bądź polecenia, nastawiając ręcznie tarcze komutatorów. Do uruchomienia wszystkich trzech plansz trzeba było nastawić 4368 komutatorów! Całość danych i instrukcji potrzebnych maszynie w dowolnym momencie obliczeń musiała być wprowadzona na plansze funkcyjne przed rozpoczęciem pracy. Zmiana programu zajmowała bardzo dużo czasu z uwagi na konieczność przełączenia mnóstwa styków, komutatorów i połączeń. Błędy popełnione przy nastawianiu maszyny powodowały sporo opóźnień i zacięć. Dodajmy, że dodatkowych kłopotów przysparzała ówczesna elektronika: średni czas bezawaryjnej pracy maszyny wynosił około... pół godziny." Słabością maszyny było użycie zwykłego systemu dziesiętnego do pamiętania liczb, brak rozdziału miedzy funkcjami liczenia i pamiętania oraz uciążliwy sposób zewnętrznego programowania. Wady te zostały usunięte dopiero w projekcie EDVAC autorstwa Johna von Neumanna.

Von Neumanna pracował nad problemem przechowywania w pamięci komputera zarówno danych podlegających przetwarzaniu jak i nad programem, który na tych danych miał działać. Jego prace umożliwiły odejście od sztywnych metod programowania sprzętowego (przełączanie kabelków czy zworek) i zastąpienie ich programowaniem wewnętrznym, poprzez umieszczenie w pamięci maszyny programu sterującego przetwarzaniem danych. "Architektura von neumannowska wyróżniała następujące elementy składowe: pamięć złożoną z elementów przyjmujących stany 0 i 1, arytmometr wykonujący działania arytmetyczno-logiczne, jednostkę sterującą". Sterowanie odbywało się za pomocą programu, który był umieszczany w pamięci, co stanowiło duży skok ideowy w stosunku do wcześniejszych koncepcji, w których program zapisywany był na kartach perforowanych i bezpośrednio z nich odczytywany oraz uruchamiany. W maszynie von neumannowskiej zarówno program, jaki i dane znajdowały się w pamięci fizycznej. Sam program mógł modyfikować zawartość tej pamięci, a co za tym idzie, mógł sam się modyfikować. Maszyna została zainstalowana w Ballistic Research Laboratories w Aberdeen (stan Maryland) w roku 1949 kosztem ok. 500 000 dolarów. Zajmowała ponad 111 metrów kwadratowych powierzchni, zawierała ok. 6000 lamp i 12000 diod. Częstotliwość zegara 996,75 KH. Pamięć operacyjna ultradźwiękowa z rtęciową rurą opóźniającą na 1000 słów (to rozwiązanie zastosowano później w polskiej maszynie XYZ); wejście/wyjście z zastosowaniem taśmy perforowanej i kart dziurkowanych systemu IBM; do kontroli sterowania używano zwykłego oscyloskopu; w roku 1953 dodano do maszyny pamięć zewnętrzną w postaci bębna magnetycznego. Zapotrzebowanie na moc 56 kilowatów. Maszyna osiągnęła użyteczność obliczeniową już w roku 1951, pracowała do grudnia roku 1962. Bezawaryjny czas pracy komputera EDVAC wynosił około 8 godzin.