Page 1

ΚΕΦΑΛΑΙΟ

2

ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΤΗΣ 1ης ΠΕΡΙΟΔΟΥ (ΑΡΧΑΙΟΤΗΤΑ - 1938) ΣΚΟΠΟΣ Σκοπός του κεφαλαίου είναι η παρουσίαση των σημαντικότερων σταθμών στην εξέλιξη των συστημάτων υπολογιστών και των τεχνολογικών επιτευγμάτων από την αρχαιότητα μέχρι το 1938. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο άνθρωπος ανέκαθεν αναζητούσε τρόπους για να μετρά και να κάνει εύκολα και γρήγορα πράξεις. Κύριο χαρακτηριστικό της παρούσας περιόδου, η οποία αρχίζει από καταβολής του ανθρώπινου είδους, είναι η κατασκευή και χρήση στοιχειωδών συστημάτων για μετρήσεις. Παρά το γεγονός ότι η τεχνολογία πριν από εκατοντάδες χρόνια δεν ήταν σε θέση να υποστηρίξει με αξιόπιστα και ακριβή εξαρτήματα τα σχεδιαζόμενα συστήματα, κάποια από αυτά (όπως ο Μηχανισμός των Αντικυθήρων) έχουν εντυπωσιακή πολυπλοκότητα και λειτουργικότητα. Τα πρώτα συστήματα υπολογισμών λειτουργούν με βάση το επόμενο σχήμα:

Σχήμα 2.1: Η λειτουργία των μηχανών αρχικά κατά την 1η περίοδο.

Δέχονται δηλαδή τα δεδομένα, τα επεξεργάζονται και παρέχουν το αποτέλεσμα. Όλη η διαδικασία γίνεται σε πραγματικό χρόνο. Η έννοια της μνήμης ή της εσωτερικής αποθήκευσης εντολών ή δεδομένων δεν υπάρχει σ’ αυτά. Τέλος, μέσα σ’ αυτή την 1η περίοδο αναπτύσσεται η κατάλληλη θεωρητική υποδομή υποστήριξης των νεότερων υπολογιστικών συσκευών. Ας δούμε όμως τα πράγματα πιο αναλυτικά.


38

Εισαγωγή στην Επιστήμη των Ηλεκτρονικών Υπολογιστών

2.1 ΟΙ ΠΡΩΤΕΣ ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΩΝ (αρχαιότητα - 1938) ã

Μετά τη δημιουργία του ανθρώπου…

3 Μερικά εκατομμύρια χρόνια μετά τη δημιουργία του, ο άνθρωπος άρχισε να χρησιμοποιεί αρχικά τα δάχτυλά του και έπειτα βότσαλα για να καταμετρά διάφορα αντικείμενα. Ακολούθως, δέκα βότσαλα ή οποιαδήποτε δέκα άλλα μικροσκοπικά αντικείμενα (π.χ. μικρά ξύλα, χάντρες κτλ.) τοποθετήθηκαν σε έναν υποδοχέα και χρησιμοποιούνταν σε πρόχειρους υπολογισμούς, αναπαριστώντας αριθμούς από το 1 μέχρι το 10. Η μορφή, το σχήμα αλλά και η δημιουργία του υποδοχέα αυτού πρέπει να απασχόλησαν σε μεγάλο βαθμό και για πολλούς αιώνες τους «διανοούμενους» της εποχής του Λίθου (Boutel, 1965^ Menninger, 1992^ Wilsohe, 2001).

ã

2.700-2.300 π.Χ.

3 Η πρώτη εμφάνιση μιας συσκευής για μετρήσεις, μετέπειτα γνωστής ως άβακας (abacus), έγινε στη χρονική περίοδο 2.700-2.300 π.Χ. στη Μεσοποταμία από τους Σουμέριους. Η συσκευή αυτή υιοθετήθηκε μεταγενέστερα με διάφορες παραλλαγές από τους Αιγύπτιους, τους Πέρσες, τους Έλληνες, τους Ρωμαίους, τους Κινέζους κ.λπ. Πρόκειται για μια στοιχειώδη μηχανή υποστήριξης των μετρήσεων κατά τις συναλλαγές των εμπόρων. Ουσιαστικά, ο άβακας είναι ο πρόγονος όλων των επερχόμενων υπολογιστικών συστημάτων (Li, 1958^ Bernazzani, 2005). Στις περισσότερες παραλλαγές του, ο άβακας αποτελούνταν από ομάδα λεπτών, μικρών αξόνων (ραΕικόνα 2.1: Εικόνα σύγχροβδιών ή σχοινιών), οι οποίοι συγκρατούσαν χάνου αριθμητήριου. ντρες. Ένας άξονας αναπαριστούσε τις μονάδες, άλλος τις δεκάδες, άλλος τις εκατοντάδες κ.λπ. Κάθε χάντρα που βρισκόταν στον άξονα των μονάδων αναπαριστούσε μία μονάδα, στον άξονα των δεκάδων μία δεκάδα κ.λπ. Το πλήθος των αξόνων (ραβδιών ή σχοινιών) δεν ήταν σταθερό στις διάφορες παραλλαγές του άβακα. Απόγονος του άβακα είναι το σημερινό αριθμητήριο (Kojima, 1963).

ã

500 π.Χ.

3 Γύρω στο 500 π.Χ. ο Pingala, ένας Ινδιάνος μαθηματικός-εκπαιδευτής, εισήγαγε το δυαδικό σύστημα αρίθμησης, το οποίο μελλοντικά αποτέλεσε τη βάση υποστήριξης του σύγχρονου ηλεκτρονικού υπολογιστή (Van Nooten, 1993).


Υπολογιστικά Συστήματα και Τεχνολογίες της 1ης Περιόδου (Αρχαιότητα - 1938)

ã

39

87 π.Χ.

3 Το 1901 ανασύρθηκε από σπογγαλιείς στη θάλασσα των Αντικυθήρων ένας περίεργος μηχανισμός που βρισκόταν σε ένα ναυάγιο αρχαίου πλοίου. Ο μηχανισμός αυτός, που ονομάστηκε Μηχανισμός των Αντικυθήρων, συνίσταται από 30 περίπου ορειχάλκινους οδοντωτούς τροχούς, με διάμετρο από 9 μέχρι 132 χιλιοστά, τοποθετημένους σε ένα ξύλινο κουτί διαστάσεων 32x10x10 εκατοστών. Εξωτερικά σε μια πλευρά του κουτιού υπήρχε ένας οδοντωτός τροχός, η θέση του οποίου καθόριζε τα δεδομένα που επρόκειτο να «εισαχθούν», όπως επίσης δίσκοι και δακτύλιοι για την εξαγωγή των αποτελεσμάτων. Τόσο οι δακτύλιοι όσο και οι δίσκοι έφεραν ανάγλυφες εικόνες με την ανατολή και τη δύση πλανητών, τους μήνες του χρόνου, τους αστερισμούς και τις φάσεις της Σελήνης. Οι σύγχρονοι ερευνητές εκατό και πλέον χρόνια προσπαθούν να καταλάβουν τη λειτουργία αυτού του μηχανισμού με τη βοήθεια ανακατασκευών (Freeth et al., 2006). Το μόνο σίγουρο είναι ότι συνδέεται με τους πλανήτες και τα φαινόμενα του πλανητικού συστήματός μας. Όμως, ακόμα και σήμερα υπάρχουν αναπάντητα ερωτήματα για τις δυνατότητες και τη χρήση του συγκεκριμένου μηχανισμού (The Antikythera Mechanism Research Project, χ.η.). Πρόκειται για μηχανισμό πλοήγησης πλοίου με βάση τη θέση των πλανητών; Είναι αστρονομικό εργαλείο καθορισμού των κινήσεων του Ήλιου και της Σελήνης μαζί με τις εκλείψεις τους, δηλαδή προσομοιωτής της θέσης των ουράνιων σωμάτων σε συγκεκριμένη ημερομηνία; Όλοι συμφωνούν πάντως ότι ο μηχανισμός στηρίζεται στα μαθηματικά και στην αστρονομία και αποτελεί τον πρώτο αναλογικό φορητό Εικόνα 2.2: Ένα τμήμα του περίφημου υπολογιστή της αρχαιότητας. μηχανισμού των Αντικυθήρων που Όπως προκύπτει από την έρευνα, ο Μηβρίσκεται στο Αρχαιολογικό χανισμός των Αντικυθήρων κατασκευάΜουσείο Αθηνών. στηκε γύρω στο 87 π.Χ. από τον Ίππαρχο το Βιθυνό, το θεωρούμενο «πατέρα της σύγχρονης αστρονομίας».

ã

1614

3 Ο σκοτσέζος φιλόσοφος και μαθηματικός John Napier δημοσίευσε μια μελέτη με τίτλο Rabdologia, που περιείχε πίνακες για γρήγορη εκτέλεση πράξεων. Οι


40

Εισαγωγή στην Επιστήμη των Ηλεκτρονικών Υπολογιστών

πίνακες του Napier περιείχαν αριθμητικά στοιχεία στηριγμένα σε λογαρίθμους5 και βοηθούσαν ώστε πολύπλοκα προβλήματα πολλαπλασιασμών να μετατραπούν σε απλούστερα προβλήματα πρόσθεσης. Η διάδοση των λογαριθμικών πινάκων του Napier ήταν άμεση και αρκετές δεκαετίες συνιστούσαν αποτελεσματικό μέσο εκτέλεσης υπολογισμών (From the Tomash Library on the History of Computing, n.d.). Εικόνα 2.3: Η διάταξη υπολογισμών, γνωΤο 1614, ο Napier κατασκεύασε ένα στή ως κόκαλα του Napier (πηγή: IBM Corporate Archives). πρακτικό σύστημα-βοήθημα γρήγορης εκτέλεσης υπολογισμών, το οποίο αναφέρεται στην ιστορία ως κόκαλα του Napier. Το σύστημα αυτό αποτελούνταν από δέκα ράβδους (από οστά ή ξύλα), καθεμιά εκ των οποίων είχε σχήμα ορθογωνίου παραλληλεπίπεδου. Οι ράβδοι έφεραν χαραγμένους κατάλληλους αριθμούς, προερχόμενους από πίνακες πολλαπλασιασμών. Ο χρήστης μπορούσε να τοποθετήσει τις ράβδους με συγκεκριμένο τρόπο και να πάρει το αποτέλεσμα ενός προβλήματος που απαιτούσε αριθμητικές πράξεις (Aspray, 1990).

ã

1622

3 Ο άγγλος ερευνητής William Oughtred, στηριζόμενος στο σύστημα του Napier, επινόησε ένα ειδικό κυκλικό όργανο, το λογαριθμικό κανόνα (slide ruler). Με αυτό μπορούσαν να γίνουν γρήγορα αριθμητικές πράξεις. Ακολούθησαν διάφορες βελτιώσεις και μορφοποιήσεις του λογαριθμικού κανόνα τόσο από τον ίδιο, όσο και από τον Edmunt Gunter γύρω στο 1650 (Aspray, 1990). Από το 1850 ο λογαριθμικός κανόνας, ο οποίος αποτελεί ένα είδος φορητού αναλογικού υπολογιστή, πήρε την τελική μορφή του, με την προσθήκη και ενός ακόμα κινητού στελέχους αριθμημένου και στις δύο όψεις του. Η μορφή που επικράτησε τελικά ήταν η ευθύγραμμη. Περίπου μέχρι το 1970 ο λογαριθμικός κανόνας ήταν η σύγχρονη αριθμομηχανή τσέπης για όσους χρειάζονταν να κάνουν γρήγορους υπολογισμούς.

5

Ως λογάριθμος Υ με βάση α του αριθμού Χ ορίζεται ο εκθέτης στον οποίο πρέπει να υψωθεί ο αριθμός α ώστε να προκύψει ο Χ. Δηλαδή αY = X « Υ = logαX (προϋποθέσεις: α > 0, α ¹ 1, Χ > 0). Στη λογική των λογαρίθμων στηρίχτηκαν οι πίνακες γρήγορων υπολογισμών του Napier.


Υπολογιστικά Συστήματα και Τεχνολογίες της 1ης Περιόδου (Αρχαιότητα - 1938)

41

Εικόνα 2.4: Σύγχρονος ευθύγραμμος λογαριθμικός κανόνας. Οι πράξεις που μπορούν να γίνουν με το σύγχρονο λογαριθμικό κανόνα είναι πάρα πολλές (π.χ. πρόσθεση, αφαίρεση, πολλαπλασιασμός, διαίρεση, αντίστροφος αριθμού, δύναμη αριθμού, ημίτονο, συνημίτονο, εφαπτομένη, συνεφαπτομένη, ρίζα αριθμού, λογάριθμος, νεπέριος λογάριθμος κ.ά.). Μειονέκτημα του οργάνου συνιστά η μικρή ακρίβεια του αποτελέσματος.

ã

1623

3 Ο γερμανός καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Tuebingen (Γερμανία), μαθηματικός και αστρονόμος Wilhelm Schickard κατασκεύασε ένα υπολογιστικό σύστημα με οδοντωτούς τροχούς και ράβδους, το Ρολόι Υπολογισμών (Calculating Clock). Η συσκευή μπορούσε να κάνει πρόσθεση και αφαίρεση με δύο το πολύ εξαψήφιους αριθμούς (Aspray, 1990). Η μηχανή διέθετε ένα Εικόνα 2.5: Ανακατασκευή της μηχακουδούνι, το οποίο ηχούσε όταν το παραγό- νής του Schickard (πηγή: University of Tuebingen). μενο αποτέλεσμα από μια αριθμητική πράξη δεν χωρούσε να αποθηκευτεί στις προκαθορισμένες από τον κατασκευαστή θέσεις συγκράτησης των αριθμών (φαινόμενο υπερχείλισης).

ã

1642

3 Ο γάλλος μαθηματικός Βlaise Pascal, επηρεασμένος από την εργασία του πατέρα του (εφοριακός υπάλληλος), άρχισε το σχεδιασμό μιας μηχανής που μπορούσε να κάνει πρόσθεση και αφαίρεση. Σε δεκαετία σχεδίασε περισσότερες από δέκα παραλλαγές της. Η μηχανή του Pascal (γνωστή και ως Pascalin), αποτελούνταν από ένα σύστημα οδοντωτών τροχών, συνδεόμενων με βαθμονομημένους μοχλούς. Στηριζόταν στο δεκαδικό σύστημα αρίθμησης. Η εισαγωγή των αριθμών γινόταν με περιστροφή των μοχλών (Aspray, 1990). Ο Pascal δεν κατάφερε να ολοκληρώσει στην πράξη κάποια μηχανή του. Ωστόσο, η επινόησή του αποτέλεσε τη βάση για μελλοντικές παρόμοιες κατασκευές και ενέπνευσε τους νεότερους κατασκευαστές μηχανών υπολογισμών. Η διεθνής κοινότητα, τιμώντας το έργο του, ονόμασε Pascal (1972) μια σύγχρονη γλώσσα προγραμματισμού.


42

ã

Εισαγωγή στην Επιστήμη των Ηλεκτρονικών Υπολογιστών

1673

3 Ο γερμανός μαθηματικός Gottfried Wilhelm von Leibnitz άρχισε την κατασκευή μιας μηχανής με δυνατότητα εκτέλεσης των τεσσάρων αριθμητικών πράξεων. Η μηχανή του von Leibnitz ήταν βελτιωμένη έκδοση της μηχανής του Pascal και λειτουργούσε και αυτή με το δεκαδικό σύστημα αρίθμησης (Aspray, 1990). Ο von Leibnitz μέσα από το δοκίμιό του με τίτλο «De arte combinatoria» (1666) καθόρισε ότι η επιστήμη της Λογικής μπορεί να εκφράζεται μόνο με μαθηματική γλώσσα απόλυτης ακρίβειας. Πλησίασε επίσης πολύ κοντά στη λογική του δυαδικού συστήματος, χωρίς να καταφέρει να το συνδέσει και να το εφαρμόσει στη συνεχώς ανερχόμενη επιστήμη των υπολογισμών.

ã

1801

3 Ο γάλλος υφαντουργός Joseph Marie Jacquard από το 1801 μέχρι το 1804 τελειοποίησε έναν αυτόματο αργαλειό, ο οποίος λειτουργούσε με διάτρητες κάρτες. Οι διάτρητες κάρτες σε πρώιμη μορφή είχαν αρχίσει να χρησιμοποιούνται στους αργαλειούς από το 1724. Με τη χρήση τους οι υφαντουργοί μπορούσαν να δημιουργήσουν μεταξωτά υφαντά με διάφορα, πολύπλοκα σχέδια. Οι κατασκευαστές υπολογιστικών μηχανών από τότε και μέχρι τη δεκαετία του 1970 υιοθέτησαν τις διάτρητες κάρτες ως κύρια μέσα εισαγωγής δεδομένων σ’ αυτές, με τη χρήση του δυαδικού συστήματος. Η λειτουργία των καρτών στηρίχτηκε στο εξής: μια τρύπα στην επιφάνεια της κάρτας αναπαριστούσε ένα ψηφίο του δυαδικού συστήματος, ενώ η απουσία τρύπας το άλλο. Έγινε δυνατό έτσι να κωδικοποιούνται τα δεδομένα και να αποθηκεύονται σε ένα μέσο που μπορούσε να μεταφερθεί. Για την εισαγωγή δεδομένων στις υπολογιστικές μηχανές κατασκευάστηκαν ειδικά μέσα εισόδου δεδομένων. Σ’ αυτά στοιβάζονταν οι διάτρητες κάρτες και με τη σειρά, μία-μία, περνούσαν από τον αναγνώστη, ο οποίος «μετέφερε» τα δεδομένα στην υπολογιστική μηχανή (Essinger, 2007).

Εικόνα 2.6: Εικόνα διάτρητης κάρτας, η οποία μέχρι τη δεκαετία του 1970 ήταν ένα πρότυπο και φτηνό μέσο αποθήκευσης δεδομένων.

6-E-113 Pages_Eisagwgh sthn episthmh hy