Historia maszyn liczących.pdf

1Sk ą dsi ę to wzi ę ło?

Komputery zmieniły ogromnie nasz ą cywilizacj ę ,wpływa ą bezpo ś rednio na wiele

aspektów naszego ż ycia, a jednak, prawie nikt z zapytanych: „Kto wynalazł komputer?”

nie potrafi poda ćż adnego nazwiska zwi ą zanego z histori ą powstania i rozwoju tych

urz ą dze ń . Co innego nazwiska graczy piłki no ż nej czy aktorów, tu ka ż dy potrafi

wymieni ć wiele gwiazd. Komputery nie zamierzaj ą jednak znikn ąć z naszego ż ycia wraz

ze zmian ą sezonu. Chocia ż wi ę c wiadomo ś ci zawarte w tej cz ęś ci ksi ąż ki nie s ą

niezb ę dne do posługiwania si ę

komputerem warto zapyta ć :sk ą dwzi ą łsi ę

ten nowy,

wspaniały ś wiat?

Komputerami, to jest samym sprz ę tem jak i oprogramowaniem potrzebnym do jego

wykorzystania, zajmuje si ę dziedzina nauki, zwana informatyk ą . Nazwa „informatyka”

powstała dopiero w 1968 roku i przyj ę ła si ę w RFN, Francji i reszcie Europy. W USA

stosowana jest nazwa computer science , czyli „nauki komputerowe”, w Kanadzie

spotyka si ę computational science ,aw ę c bardziej „nauki obliczeniowe” ni ż

komputerowe. Informatyka zajmuje si ę całokształtem przechowywania, przesyłania,

przetwarzania i interpretowania informacji. Nauka ta ma liczne ź ródła. Mo ż na do nich

zaliczy ć nie tylko praktyczne idee dotycz ą ce budowy maszyn licz ą cych i

przetwarzaj ą cych dane, lecz równie ż czysto teoretyczne prace matematyczne, dotycz ą ce

algorytmów (ju ż wyja ś niam), j ę zyków formalnych, rachunku logicznego i symbolicznego

oraz teorii informacji. W rozwoju historycznym trudno jest oddzieli ć od siebie te dwa

aspekty informatyki: rozwój teorii i budow ę maszyn licz ą cych. W ostatnich latach

ogromnie rozwin ę ły si ę zastosowania metod komputerowych, wykraczaj ą c znacznie poza

pierwotnie ustalone ramy informatyki. Zanim wi ę c podam par ę informacji dotycz ą cych

twórców pierwszych komputerów spróbuj ę

„z lotu ptaka” popatrze ć

ź ródła

informatyki.

1.1

ródła informatyki.

1.1.1

Pocz ą tki: arytmetyka

W ś wiecie staro ż ytnych cywilizacji matematyka pełniła wa ż n ą rol ę . Trzeba było liczy ć

ż ołnierzy, zbiera ć podatki, mierzy ć ,wa ż y ć ,dzieli ć ... Pierwsze tablice matematyczne

pochodz ą sprzedponad4tysi ę cy lat. Arytmetyka wydaje si ę nam teraz dziecinnie prosta,

jednak cyfry arabskie pojawiły si ę dopiero w wieku XVI-tym. Spróbujcie pomno ż y ć dwie

Fascynuj ą cy ś wiat komputerów

Liczydo: przykad urz ą dzenia cyfrowego.

liczby u ż ywaj ą c rzymskich cyfr! By si ę nauczy ć „długiego dzielenia”, czyli dzielenia

kilkucyfrowych liczb przez siebie, trzeba było w wiekach ś rednich odby ć studia na

Uniwersytecie Jagiello ń skim. Ksi ę gowi nie mieli w tym czasie łatwego zadania (nawet

teraz nie maj ą , ale to ju ż z innych powodów).

Calculi oznaczało pierwotnie u staro ż ytnych Rzymian kamyczki słu żą ce do zliczania.

Słowotostanowirdze ń takich polskich słów jak „kalkulacja, kalkulator”. Rzymianie do

oblicze ń u ż ywali te ż liczydeł, zwanych „abacus”. Wszystkie rozwini ę te kultury

staro ż ytne posługiwały si ę jak ąś form ą liczydeł. Liczydła zrobiły ogromn ą karier ę i

u ż ywane były przez około 2000 lat. W niektórych krajach, takich jak Chiny, Filipiny czy

Brazylia, liczydła do tej pory s ą popularne. Starsi chi ń czycy po dzi ś dzie ń wol ą

wprowadza ć dane do komputera przesuwaj ą c kulki liczydła na ekranie komputera

zamiast naciska ć klawisze cyfr! W Europie liczydła były w powszechnym u ż yciu jeszcze

w latach sze ść dziesi ą tych. Ż adne urz ą dzenia licz ą ce nie maj ą ju ż szans na zrobienie tak

wielkiej kariery jak liczydła, na utrzymanie si ę na rynku przez tysi ą ce lat - post ę pwtej

dziedzinie jest zbyt szybki. Nawet nazwa „komputer” mo ż e nie przetrwa ć tak długo, gdy ż

obecnie u ż ywane komputery przypominaj ą swoje pierwowzory sprzed lat kilkudziesi ę ciu

jedynie pod wzgl ę dem teoretycznym a nowe urz ą dzenia, takie

jak „cyfrowi asystenci” (digital assistants), mog ą zupełnie

zmieni ć nasze wyobra ż enia o urz ą dzeniach komputerowych.

Kostki Napiera

W okresie Renesansu bardziej zaawansowane obliczenia

wykonywano przy pomocy tablic matematycznych i suwaka

logarytmicznego, b ę d ą cego udoskonaleniem tabliczek Napiera

(zwanych równie ż

kostkami Napiera). John Napier, szkocki

Fascynuj ą cy ś wiat komputerów

Suwaki logarytmiczne to urz ą dzenie analogowe. Poo ż enie okienka i wysuni ę tej cz ęś ci

okre ś la wielko ś ci odczytywanych liczb. Mniej dokadne ale za to mniejsze byysuwakiw

ksztacie zegarków. Suwaki logarytmiczne stosowane byy jeszcze w latach 80-tych.

Starszy model, pokazany na górze, to jeden z pierwszych suwaków logaritmicznych.

teolog, matematyk, projektant broni (wsławił si ę mi ę dzy innymi projektem luster

skupiaj ą cych promienie i maj ą cych wysyła ć promienie ś mierci), odkrył w 1614 roku

logarytmy. Zamieniaj ą c liczby na ich logarytmy mo ż na zast ą pi ć mno ż enie znacznie

łatwiejszym dodawaniem i do tego celu własnie słu ż yły tabliczki Napiera. Tablice

logarytmiczne oraz suwaki logarytmiczne u ż ywano do oblicze ń jeszcze w pierwszej

połowie lat siedemdziesi ą tych, w ko ń cu wyparły je jednak kalkulatory.

Istnieje ogromna ró ż nica pomi ę dzy liczydłem a suwakiem logarytmicznym. Liczydło jest

urz ą dzeniem daj ą cym odpowiedzi dokładne w wyniku zliczania kulek, jest wi ę c

przykładem urz ą dzenia nazywanego dyskretnym lub cyfrowym. Suwak daje odpowiedzi

przybli ż one, jego elementy (okienko i linijk ę ) przesuwa si ę w sposób ci ą gły a wyniki

okre ś la si ę za pomoc ą pomiarów długo ś ci. Urz ą dzenia, w których liczby zast ę powane s ą

jakimi ś wielko ś ciami fizycznymi, takimi jak długo ść czy napi ę cie elektryczne, nazywa

si ę urz ą dzeniami analogowymi. Suwak logarytmiczny jest przykładem urz ą dzenia

analogowego.

Technika cyfrowa, kojarzona zwykle z kalkulatorami, nie jest wi ę cniczymnowym.

Nowo ś ci ą , która rozpowszechniła si ę po II wojnie ś wiatowej była jedynie jej

elektroniczna realizacja. Wykonywanie oblicze ń na liczydle wymagało wymy ś lenia

sposobu liczenia, czyli algorytmu. Wymaga tego wykonywanie wszelkich działa ń

arytmetycznych na dłu ż szych liczbach, np. mno ż enie czy dzielenie.

Fascynuj ą cy ś wiat komputerów

1.1.2

Algorytmy i androidy

Słowo „algorytm” powstało w wyniku zniekształcenia nazwiska arabskiego matematyka

Al Chwarazmi (820 r) w czasie tłumaczenia jego dzieł na j ę zyk łaci ń ski. Chocia ż wyraz

„algorytm” brzmi bardzo uczenie oznacza po prostu przepis post ę powania, np. ksi ąż ka

kucharska jest dobrym przykładem zbioru algorytmów. Oto przykład algorytmu, który

wi ę kszo ść znasstosuje:

Algorytm sadzonego jaja

1. Przygotowa ć patelni ę

2. Przygotowa ć 2jajka

3. Przygotowa ć ły ż k ę masła

4. Podgrzewa ć patelni ę a ż do stopienia masła

5. Rozbi ć jajka i wrzuci ć na patelni ę

6. Odczeka ć do ś ci ę cia białka i ż ółtka.

Koniec

Jest to algorytm mało precyzyjny, gdy ż nie okre ś la dokładnie tego, co to znaczy „przy-

gotowa ć ” ani nie podaje, ż e masło nale ż ypoło ż y ć na patelni itd. Czytaj ą cy przepis

kucharski człowiek domy ś la si ę wielu rzeczy, nie mo ż emy jednak liczy ć na domy ś lno ść

urz ą dzenia mechanicznego lub elektronicznego. Zwykle przepisy post ę powania w ż yciu

codziennym nie s ą bardzo precyzyjne. Dla urz ą dze ń mechanicznych lub elektronicznych

reguły post ę powania musz ą by ć ci ś le okre ś lone, mo ż na posługiwa ć si ę tylko

ograniczonym zestawem symboli opisuj ą cych mo ż liwe zachowanie si ę danego

urz ą dzenia, st ą d potrzeba „formalizacji”, precyzyjnego ustalenia reguł i sposobów

wnioskowania. Matematycy dokonali tego w pierwszej połowie XX

wieku. Zbadanie podstaw teorii matematycznych, „ Principia

mathematica ”, słynne dzieło dotycz ą ce zasad matematyki napisane

przez Bertranda Russella i Alfreda Whiteheada (1910), twierdzenie

Gödela (1930) rozwa ż aj ą ce problemy rozstrzygalno ś ci pyta ń

matematycznych oraz odpowiedniki tego twierdzenia dotycz ą ce

mo ż liwo ś ci rozstrzygania pewnych pyta ń przy pomocy komputerów,

znane jako twierdzenia Turinga i Churcha, wszystko to rezultaty

pracy teoretyków z tego okresu. Prace Bertranda Russela wpłyn ę ły

zarówno na rozwój podstaw matematyki, filozofi ę (pozytywizm

logiczny, koło Wiede ń skie) jak i podej ś cie do zagadnie ń sztucznej

inteligencji oraz nauk o poznaniu.

Bertrand Russel

Algorytmy stosowano w urz ą dzeniach mechanicznych ju ż wstaro ż ytno ś ci, np. w

automatach konstruowanych przez Herona około 100 roku n.e., w mechanizmach

zegarów i zabawek. Ludzko ść

wydaje si ę

zafascynowana mo ż liwo ś ci ą

stworzenia

Fascynuj ą cy ś wiat komputerów

automatu podobnego człowiekowi. W XVIII i XIX wieku du żą popularno ś ci ą cieszyły si ę

marionetki i androidy (słowo to pochodzi od greckich słów oznaczaj ą cych

„człeko-kształtny”), prawdziwe cuda mechaniki, pisz ą ce, rysuj ą ce i graj ą ce na pianinie

lalki, automaty do gry w szachy i warcaby. Wszystkie te urz ą dzenia sterowane były

bardzo skomplikowanymi mechanizmami zegarowymi. Wymienne metalowe płytki,

podobnie jak w pianoli wymienne wałki z zapisan ą sekwencj ą naciskania klawiszy,

pozwalały na wykonywanie ró ż nych czynno ś ci. Płytki te zawieraj ą algorytm ruchów

androida. Szczególnie pi ę kne androidy, działaj ą ce do dzisiejszych czasów, budowali

szwajcarscy rzemie ś lnicy, bracia Jaquet-Droz. Stworzony przez nich „Skryba” potrafi

pisa ć (g ę sim piórem) krótkie zdania, „Rysownik” robi portrety kilku postaci a „Muzyk”

gra na instrumencie poruszaj ą cprzytymgłow ą i zmieniaj ą c wyraz twarzy.

W 1923 roku Karol Č apek w sztuce „R.U.R. - Uniwersalne Roboty Rossuma”

wprowadził słowo robot na okre ś lenie podobnego do człowieka automatu, maj ą cego

uwolni ć ludzko ść od pracy. Obecnie za robota uwa ż asi ę ka ż de kontrolowane przez

komputer urz ą dzenie mechaniczne, niekonieczne przypominaj ą ce człowieka. Dzi ę ki

pracom matematyków mogły powsta ć j ę zyki algorytmiczne ,u ż ywane do wydawania

polece ń komputerom i robotom. J ę zyki algorytmiczne składaj ą si ę z bardzo

ograniczonego zasobu słów (kilkudziesi ę ciudokilkuset)i ś ci ś le okre ś lonych reguł

składni. J ę zyki te definiuj ą notacj ę ,pozwalaj ą c ą na zapis algorytmów w precyzyjny,

jednoznacznie interpretowany sposób. Programy komputerowe to algorytmy zapisane

wła ś nie przy pomocy takiej notacji. Algorytmy dla matematyka to co ś ogólniejszego od

praw matematycznych czy fizycznych, daj ą cych si ę uj ąć w zale ż no ś ci funkcyjne.

J ę zyki algorytmiczne wyrastaj ą równie ż z nauki o sposobach szyfrowania informacji,

czyli z kryptologii . W 1663 roku Athanasius Kircher stworzył uniwersalne pismo i

napisał ksi ąż k ę o kryptologii. Dla zmilitaryzowanych społecze ń stw ówczesnego okresu

była to bardzo wa ż na nauka, rozwijaj ą ca si ę zreszt ą do dzisiaj. Wyrosła z niej mi ę dzy

innymi teoria informacji. Kryptologia jest obecnie niezwykle wa ż n ą dziedzin ą nie tylko

dla wojska, np. wszystkie systemy zabezpiecze ń bankowych opieraj ą si ę na wiedzy

kryptologicznej. Jest to szybko rozwijaj ą ca si ę gał ąź matematyki. Opracowanie w latach

siedemdziesi ą tych algorytmu szyfrowania z publicznym kluczem otworzyło drog ę do

wielu nowych zastosowa ń komputerów. W tym algorytmie szyfrowanie informacji

przeznaczonej dla danej osoby wymaga znajomo ś ci tzw. publicznego klucza tej osoby.

Znaj ą c ten klucz publiczny ka ż dy mo ż ewi ę c zaszyfrowa ć iwysła ć wiadomo ść do danej

osoby, jednak ż eodczytanietejwiadomo ś ci wymaga posiadania prywatnego klucza,

znanego tylko odbiorcy. Wysyłaj ą c polecenie do banku przez sie ć komputerow ą mog ę

wi ę c zaszyfrowa ć je korzystaj ą c z publicznego klucza banku tak, ż e tylko upowa ż niony

pracownik danego banku j ą odczyta.

Warto równie ż wspomnie ć opi ę knej idei Ramona Lull z XIII wieku. Ten katalo ń ski

franciszkanin, filozof i teolog, podj ą łpr ę stworzenia systemu logicznego,

obejmuj ą cego wszystkie gał ę zie wiedzy, wydaj ą c znakomite na owe czasy dzieło Ars

magna generalis et ultimata .Ju ż

wtedy marzył on o j ę zyku, który byłby na tyle

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: