Счетное устройство леонардо да винчи. Сибирский университет потребительской кооперации. "Машины Леонардо, от фантазии до реальности"

Этапы развития вычислительной техники

Выполнил: Ворошилов И.А.

Проверила:

Введение 3

Ранние приспособления и устройства для счёта 3

Этапы развития вычислительной техники 4

Домеханический этап 4

Механический этап 5

Электромеханический этап 11

Суммирующая машина Паскаля 14

История 14

Калькулятор Лейбница 16

История создания 16

Арифмометр 18

Разностная машина Чарльза Бэббиджа 20

История создания 20

Аналитическая машина 24

Заключение 25

Список литературы 26

Приложение 27

Список иллюстраций 27

Введение Ранние приспособления и устройства для счёта

Человечество научилось пользоваться простейшими счётными приспособлениями тысячи лет назад. Наиболее востребованной оказалась необходимость определять количество предметов, используемых в меновой торговле. Одним из самых простых решений было использование весового эквивалента меняемого предмета, что не требовало точного пересчёта количества его составляющих. Для этих целей использовались простейшие балансирные весы, которые стали, таким образом, одним из первых устройств для количественного определения массы.

Принцип эквивалентности широко использовался и в другом, знакомом для многих, простейшем счётном устройств Абак или Счёты. Количество подсчитываемых предметов соответствовало числу передвинутых костяшек этого инструмента.

Сравнительно сложным приспособлением для счёта могли быть чётки, применяемые в практике многих религий. Верующий как на счётах отсчитывал на зёрнах чёток число произнесённых молитв, а при проходе полного круга чёток передвигал на отдельном хвостике особые зёрна-счётчики, означающие число отсчитанных кругов.

Этапы развития вычислительной техники Домеханический этап

Ручной период автоматизации вычислений начался на заре человеческой цивилизации и базировался на использовании частей тела,

Рисунок 1. Суань-пань

в первую очередь пальцев рук и ног. Пальцевый счет уходит корнями в глубокую древность, встречаясь в том или ином виде у всех народов и в наши дни. Конечно, счёт был примитивным, а уровень абстракции очень низким. Понятие числа максимально конкретно, оно неразрывно связано с предметом (т.е. это, например, не число «два», а «две рыбы», «два коня» и т.д.). Диапазон счёта невелик. Можно выделить три типа таких счётных приспособлений. Искусственные приспособления: зарубки (насечки) на различных предметах, в Южной Америке получают широкое распространение узелки на верёвках. Предметный счёт, когда используются предметы типа камешков, палочек, зёрен и т.д. Часто этот тип счёта использовался вместе с пальцевым. Счёт с помощью предметов был предшественником счёта на абаке - наиболее развитом счётном приборе древности, сохранившем некоторое значение в настоящее время (в виде русских счётов, китайского суань-паня и др.). Под абаком понимается счётный прибор, на котором отмечены места (колонки или строчки) для отдельных разрядов чисел.

Механический этап

Рисунок 2. Леонардо да Винчи (Leonardo da Vinci, 1452–1519)

Под механическим вычислительным устройством понимается устройство, построенное на механических элементах и обеспечивающее автоматическую передачу из низшего разряда в высший. Один из первых арифмометров, точнее «суммирующая машина», был изобретен Леонардо да Винчи (Leonardo da Vinci, 1452–1519) около 1500 года. Правда, о его идеях никто не знал на протяжении почти четырех столетий. Рисунок этого устройства был обнаружен только в 1967 году, и по нему фирма IBM воссоздала вполне работоспособную 13-разрядную суммирующую машину, в которой использован принцип 10-зубых колес.

Десятью годами раньше в результате исторических изысканий в Германии были обнаружены чертежи и описание арифмометра, выполненные в 1623 году Вильгельмом Шиккардом (Wilhelm Schickard, 1592–1636), профессором математики университета в Тюбингене. Это была весьма «продвинутая» 6-разрядная машина, состоявшая из трех узлов: устройства сложения-вычитания, множительного устройства и блока записи промежуточных результатов. Если сумматор был выполнен на традиционных зубчатых ко-лесах, имевших кулачки для передачи в соседний разряд единицы переноса, то множитель был построен весьма изощренно. В нем немецкий профессор применил метод «решетки», когда при помощи «насаженной» на валы зубчатой «таблицы умножения» происходит перемножение каждой цифры первого сомножителя на каждую цифру второго, после чего со сдвигом складываются все эти частные произведения.

Рисунок 3. Блез Паскаль (Blaise Pascal, 1623–1662)

Эта модель оказалась работоспособной, что было доказано в 1957 году, когда она была воссоздана в ФРГ. Однако неизвестно, смог ли сам Шиккард построить свой арифмометр. Есть свидетельство, содержащееся в его переписке с астрономом Иоганном Кеплером (Johannes Kepler, 1571–1630) относительно того, что недостроенная модель погибла в огне во время пожара в мастерской. К тому же автор, вскоре скончавшийся от холеры, не успел внедрить в научный обиход сведения о своем изобретении, и о нем стало известно лишь в середине ХХ века.

Поэтому Блез Паскаль (Blaise Pascal, 1623–1662), который первым не только сконструировал, но и построил работоспособный арифмометр, начинал, как говорится, с ну-ля. Блистательный французский ученый, один из создателей теории вероятностей, автор нескольких важных математических теорем, естествоиспытатель, открывший атмосферное давление и определивший массу земной атмосферы, и выдающийся мыслитель, был в повседневной жизни любящим сыном президента королевской палаты сборов. Девятнадцатилетним юношей, в 1642 году, желая помочь отцу, тратившему много времени и сил, составляя финансовые отчеты, он сконструировал машину, которая могла складывать и вычитать числа.

Первый образец постоянно ломался, и через два года Паскаль сделал более совершенную модель. Это была чисто финансовая машина: она имела шесть десятичных раз-рядов и два дополнительных: один поделенный на 20 частей, другой на 12, что соответствовало соотношению тогдашних денежных единиц (1 су = 1/20 ливра, 1 денье = 1/12 су). Каждому разряду соответствовало колесо с конкретным количеством зубцов.

За свою недолгую жизнь Блез Паскаль, проживший всего 39 лет, успел сделать около пятидесяти счетных машин из самых разнообразных материалов: из меди, из различных пород дерева, из слоновой кости. Одну из них ученый преподнес канцлеру Сегье (Pier Seguier, 1588–1672), какие-то модели распродал, какие-то демонстрировал во время лекций о последних достижениях математической науки. 8 экземпляров дошло до наших дней.

Рисунок 4. Готфрид Лейбниц (Gottfried Leibniz, 1646–1716)

Именно Паскалю принадлежит первый патент на «Паскалево колесо», выданный ему в 1649 году французским королем. В знак уважения к его заслугам в области «вычислительной науки», один из современных языков программирования назван Паскалем.

Классическим инструментом механического типа является арифмометр (устройство для выполнения четырёх арифметических действий), изобретённый Готфридом Лейбницем (Gottfried Leibniz, 1646–1716) в 1673 году. Полученная в результате напряженного поиска 8-разрядная модель могла складывать, вычитать, умножать, делить, возводить в степень. Результат умножения и деления имел 16 знаков. Лейбниц применил в своем арифмометре такие конструктивные элементы, которые использовались при проектировании новых моделей вплоть до ХХ века. В XVII-XVIII вв. сколько-нибудь значительной практической потребности в механизации вычислительных работ не существовало. Интерес к механизации вычислений был вызван, в частности, общефилософскими и общенаучными установками того времени, когда законы и принципы механики рассматривались как общие законы бытия. В XIX в. в связи с развитием промышленной революции, возникает потребность в механизации конторских работ.

Рисунок 5. Арифмометр

Пионером серийного изготовления счетных машин стал эльзасец Шарль-Ксавье Тома де Кольмар (Charles-Xavier Thomas de Colmar, 1785–1870). Введя в модель Лейбница ряд эксплуатационных усовершенствований, он в 1821 году начинает выпускать в своей парижской мастерской 16-разрядные арифмометры, которые получают известность как «томас-машины». На первых порах они стоили недешево - 400 франков. И выпускались в не столь уж и больших количествах - до 100 экземпляров в год. Но к концу века появляются новые производители, возникает конкуренция, цены понижаются, а количество покупателей возрастает.

Различные конструкторы как в Старом, так и в Новом свете патентуют свои моде-ли, которые отличаются от классической модели Лейбница лишь введением дополнительных удобств в эксплуатации. Появляется звонок, сигнализирующий об ошибках типа вычитания из меньшего числа большего. Наборные рычажки заменяются клавишами. Приделывается ручка для переноса арифмометра с места на место. Повышаются эргономические показатели. Совершенствуется дизайн.

В конце XIX века на мировой рынок арифмометров самым решительным образом вторглась Россия. Автором этого прорыва стал обрусевший швед Вильгодт Теофилович Однер (1846–1905), талантливый изобретатель и удачливый бизнесмен. До того, как заняться выпуском счетных машин, Вильгодт Теофилович сконструировал устройство автоматизированной нумерации банкнот, применявшееся при печатании ценных бумаг. Ему принадлежит авторство машины для набивки папирос, автоматического ящика для голосования в Государственной Думе, а также турникетов, применявшиеся во всех су-доходных компаниях России.

В 1875 году Однер сконструировал свой первый арифмометр, права на производство которого передал машиностроительному заводу «Людвиг Нобель». Спустя 15 лет, став владельцем мастерской, Вильгодт Теофилович налаживает в Петербурге выпуск новой модели арифмометра, которая выгодно отличается от существовавших на тот момент счетных машин компактностью, надежностью, простотой в обращении и высокой производительностью.

Рисунок 6. Чарльз Бэббидж (Charls Babbige, 1791-1871)

Спустя три года мастерская становится мощным заводом, производящим в год более 5 тысяч арифмометров. Изделие с клеймом «Механический завод В. Т. Однер, С-Петербург» начинает завоевывать мировую популярность, ему присуждаются высшие награды промышленных выставок в Чикаго, Брюсселе, Стокгольме, Париже. В начале ХХ века арифмометр Однера начинает доминировать на мировом рынке. Таким образом к концу XIX в. производство арифмометров становится массовым.

Однако предшественником современных ЭВМ является аналитическая машина Чарльза Бэббиджа. Проект аналитической машины, представляющей собой цифровую вычислительную машину с программным управлением, был предложен Бэббиджем в 30-е годы XIX века. А в 1843 г. для этой машины была создана первая достаточно сложная машинная программа: программа вычислений чисел Бернулли, составленная Адой Лав-лейс. Оба эти достижения были феноменальными. Они более чем на столетие опередили своё время. Только в 1943 г. американец Говард Эйкен с помощью работ Бэббиджа на основе техники XX века - электромеханических реле - смог построить такую машину под названием «Марк-1».

Потребность в автоматическом вычислении возникла в средние века в связи с резко возросшими в этот период торговыми операциями и океаническим судоходством. Торговля требовала больших денежных расчетов, а судоходство - надежных навигационных таблиц.

Ученые тех времен наблюдали за Луной и составляли громадные таблицы, где фиксировали изменение ее положений, которые использовались для проверки правильности предлагаемых формул движения естественного спутника Земли. Такая проверка опиралась на громадное число арифметических вычислений, требовавших от исполнителя терпения и аккуратности. Для облегчения и ускорения такой работы стали разрабатывать вычислительные устройства. Так появились различные механизмы - первые суммирующие машины и арифмометры.

Под механическим вычислительным устройством понимается устройство, построенное на механических элементах и обеспечивающее автоматическую передачу из низшего разряда в высший.

Механические цифровые вычислительные устройства представляют собой технические объекты значительно более высокого уровня сложности по сравнению с предшествующими домеханическими средствами. Предпосылками их создания считаются научно-технический прогресс и социальные потребности, а основной технической предпосылкой их создания было развитие механики как на этапе, предшествовавшем созданию точной механики, так и на этапе ее формирования и развития.

Считается, что механический этап продолжается от изобретения суммирующей машины Паскаля (1642г) до создания электромеханического табулятора Голлерита (1887г). Классическим инструментом механического типа является арифмометр, изобретенный Лейбницем, ручной привод которого позднее был заменен на электрический.

В выделяют промежуточное положение между механическими и домеханическими устройствами, которые используют механическую конструкцию (например, зубчатые передачи), но не обеспечивают передачу десятков. Названы эти устройства квазимеханическими, к ним относятся машины Леонардо да Винчи и Вильгельма Шиккарда.

Машина Леонардо да Винчи

Уже в наше время были обнаружены чертежи и описание 13-разрядного суммирующего устройства, принадлежащие итальянскому ученому Леонардо да Винчи (1452-1519).

Основу машины по описанию составляют стержни, на которые крепятся зубчатые колеса (рис.3). Десять оборотов первого колеса, по замыслу автора, должны были приводить к одному полному обороту второго, а десять оборотов второго - к одному обороту третьего и т.д.

В 1969 г. по чертежам Леонардо да Винчи американская фирма IBM по производству компьютеров в целях рекламы построила работоспособную машину. Специалисты воспроизвели машину в металле и убедились в полной состоятельности идеи ученого.

Суммирующую машину Леонардо да Винчи можно считать изначальной вехой в истории цифровой вычислительной техники. Это был первый цифровой сумматор, прообраз будущего электронного сумматора - важнейшего элемента современных ЭВМ, пока еще механический, очень примитивный (с ручным управлением).

В ХХІ веке человечество находится в водовороте огромного количества цифр: счета, зарплаты, налоги, дивиденды, кредиты и т.д. Неизбежным является и то, что мир без такого простого, казалось бы, вычислительного прибора, как калькулятор, двигался бы намного медленнее. Ведь, сколько нужных операций мы производим с помощью этого предмета, который был изобретен несколькими столетиями ранее.

Прообраз калькулятора Леонардо

Зимой 1967 американские ученые, работая над одним из проектов на базе национальной Библиотеки Испании, сделали удивительное открытие. Исследователи обнаружили две потерянные работы да Винчи, которые сейчас являются неотъемлемыми составляющими «Мадридского Кодекса». В этом артефакте находятся чертежи механизма, занимающегося счетными операциями, сделанного Леонардо в 1492 году.

Прообраз калькулятора базировался на основаниях с парой зазубренных колес: с одного бока – колесо большого размера, с другого – маленького. Исходя из оставленных чертежей да Винчи, можно понять, что основания были расположены таким образом, что большое колесо одной детали было сцеплено с маленьким колесом другой детали, а сами стержни были через один перевернуты. Механизм приводила в работу цепная реакция: первый стержень, делая десять оборотов, заставлял сделать один оборот второго стержня, соответственно десять оборотов третьего – к одному обороту четвертого. Всего в машине было 13 деталей, которые двигались, благодаря специальным грузам.

Считается, что Леонардо да Винчи не удалось при жизни осуществить этот проект.

Роберто Гуателли и Леонардо да Винчи

Роберто Гуателли был известным экспертом по биографии, творчеству и изобретениям Леонардо да Винчи. Начиная с 1951 года, совместно с организацией IBM он занимался воспроизведением великих работ Леонардо, изучая оставленные им чертежи и эскизы. Проводя исследования с работами по вычислительной машине в «Мадридском кодексе», Гуателли обнаружил, что есть сходства с эскизами в «Атлантическом Кодексе» - еще одном масштабном труде изобретателя.

На основании уже двух изображений в конце 60-х Роберто Гуателли воссоздал образец вычислительной машины. Аппарат работал по принципу десять к одному на каждой из 13 деталей. После того, как первая ручка делала полное вращение, колесико единиц начинало двигаться, и появлялось число от 0 до 9. После того, как десятое вращение первого рычага завершалось, механизм единиц повторял это же действие и возвращался на нулевую отметку, которую передвигал десятичный механизм на единицу. Соответственно, каждое следующее колесо отвечало за обозначение сотни, тысячи и т.д.

Гуателли внес кое-какие корректировки в чертеж Леонардо, с помощью которых перед зрителем открывалась более полная и детализированная картина происходящего.

Но уже после года существования репродукции вычислительной машины, возникли дискуссии касательно точного воспроизведения механизма. Поэтому для установления оригинальности данного изобретения была проведена группа академических исследований. Существовала гипотеза о том, что на чертежах Леонардо изображено устройство,занимающиеся проведением пропорций, а не вычислительная машина. Также существовало мнение, что в аппарате вращение первого основания приводило к десяти оборотам второго, ста оборотам третьего и 10 в 13-й степени вращениям последнего. Оппоненты полагали, что этот механизм не мог функционировать из-за слишком большой силы трения.

Компания IBM, не смотря на разногласия среди исследователей, решила убрать предмет дискуссий из коллекции.

Итак, первый прообраз калькулятора, не только смог принять материальную оболочку спустя несколько столетий, но и стал предметом полемик в научной среде.

«История средств вычислительной техники» - Эффективное видеотерминальное устройство общения. Основоположник компьютерной техники в СССР. Появление приборов. Рост использования компьютеров. Полупроводниковые машины на транзисторах. Открытие логарифмов. Интегральные схемы. Склад. Академик Сергей Алексеевич Лебедев. Настоящее время. Аналитическая машина. Суперкомпьютеры. Абак. Руководители Microsoft. Счетная машина. I поколение ЭВМ. ЭНИАК. Вычислительные системы.

«Тенденции развития вычислительной техники» - Древние люди. Первый программист. Первое поколение ЭВМ. Машина Шиккарда. Магнитная лента. Управление памятью. Энигма. Аналитическая машина Бэббиджа. Хранение данных на бумажной ленте. Абак. История развития вычислительной техники. Первые средства счета. Марк-I. Конрад Цузе. Поколения компьютеров. Усовершенствованный арифмометр. Механический калькулятор. Большая электронно-счетная машина. Арифмометр Лейбница.

«Счётные машины» - Изобретение механического калькулятора. Счетные машины. Идея создания аппарата. Как начинался счёт. Кассовый аппарат. Изобретение компьютера. Русские счеты. Римляне усовершенствовали конструкцию. Изобретение счёт. Цельные кукурузные початки. Аппарат фиксировал каждую торговую операцию. Работающий программируемый компьютер. Изобретение ККМ. Обсерватория. Паскаль. У китайцев в основе счета лежала не десятка, а пятерка.

«История программного обеспечения» - Специальные программы, называемые языковыми процессорами. Деривационная семантика описывает последствия выполнения конструкций. Ада Лавлейс (1815-1852). Набор лексических, синтаксических и семантических правил. Классификация. Первый полностью объектно-ориентированный язык программирования. Лексика. История алгоритмических языков. Язык Кобол. Многоядерная структура ОС. Язык программирования Паскаль (Pascal) создан швейцарцем Н.Виртом.

«История вычислительной техники» - Начало счета. Говард Айкен. Характеристика поколений ЭВМ. Сотрудники лаборатории. Вид инструментального счета. Путешествие. Эра персональных компьютеров. Конрад Цузе. Вклад русских ученых. Вычислительные машины. Цифровые вычислительные устройства. Поколения ЭВМ. Первое поколение ЭВМ. Прошлое. Римский абак. Блез Паскаль. История вычислительной техники.

«История создания и развития ЭВМ» - В 1958 году Джон Килби впервые создал опытную интегральную схему. Машина Лейбница. Пафнутий Львович Чебышев сконструировал счетную машину. Доэлектронный период. Четвертое поколение. Аналитическая машина Беббиджа. Первая в мире ЭВМ – ENIAC. Американская фирма intel объявила о создании микропроцессора. Второе поколение ЭВМ. Пятое поколение. Табулятор. Паскалина. Первое поколение ЭВМ. В 60 – х годах транзисторы стали элементной базой для ЭВМ.