Historia komputerów

Ludzkość wytwarza coraz więcej informacji. Tak wiele, że jej przetwarzanie, czyli pamiętanie, klasyfikowanie, poszukiwanie, obrazowanie i zestawianie jest ponad ludzkie siły. Dlatego tak duże znaczenie osiągnęły "maszyny", które radzą sobie z tym zadaniem lepiej i szybciej od człowieka - komputery.
Komputery, czyli maszyny liczące ( z ang. compute - obliczać ) mają więcej lat niż się na ogół przypuszcza. Za przodków komputera uznać bowiem należy wszystkie urządzenia służące do liczenia.

Od Starożytności do Średniowiecza

W wykopaliskach między Mezopotamią i Indiami odnaleziono ślady stosowanych już w X wieku p.n.e. systematycznych metod znajdowania wyniku najprostszych operacji za pomocą specjalnie przygotowanych i poukładanych kamieni. Początkowo kamienie układano w rzędach na piasku tworząc w ten sposób plansze obliczeniowe, które nazywamy abakami ( lub abakusami ). Później zaczęto nawlekać kamienie na pręty, tworząc liczydła, czyli kompletne i przenośne przyrządy do obliczeń. W obu przypadkach, abakusa i liczydła, stan obliczeń określało rozmieszczenie elementów ruchomych na piasku lub na prętach. Liczydła przeżywały swój renesans w wiekach średnich. Wtedy na przykład ukształtował się japoński soroban w swej obecnej postaci. Jest on jeszcze dzisiaj dość powszechnie stosowanym liczydłem w Japonii. Soroban - jak każde liczydło - ma wady, które zostały naprawione częściowo w kalkulatorze a ostatecznie dopiero w komputerach. Służy on bowiem tylko do odnotowania bieżących wyników obliczeń, gdyż nie ma w nim miejsca ani na pamiętanie wyników pośrednich, ani na pamiętanie kolejno wykonywanych działań.

Wiek XVII i XVIII

Na początku XVII wieku John Neper opublikował najpierw swoje dzieło o logarytmach a następnie przedstawił system wspomagający wykonywanie mnożenia, zwany pałeczkami Nepera. Genialność tego systemu polegała na sprowadzeniu mnożenia do serii dodawań. Pomysł Nepera wykorzystało wielu konstruktorów urządzeń liczących, jemu współczesnych i żyjących po nim.
Za twórcę pierwszej w historii mechanicznej maszyny do liczenia jest uznawany Wilhelm Schickard ( 1592 - 1635 ), który przez długie lata był zupełnie zapomniany. Schickard opisał projekt swojej czterodziałaniowej maszyny, wykorzystując udoskonalone pałeczki Nepera w postaci walców, w liście do Keplera, któremu miała ona pomóc w jego astronomicznych ( dosłownie i w przenośni ) rachunkach. Niestety jedyny zbudowany egzemplarz maszyny spłonął w niewyjaśnionych okolicznościach, a dzisiejsze jej repliki zostały odtworzone dopiero niedawno na podstawie opisu z listu Keplera.
W XVII wieku żyli i tworzyli wielcy matematycy Gottfried Wilhelm Leibniz ( 1646 - 1716 ) i Blaise Pascal ( 1623 - 1662).
Pascal zainteresował się zbudowaniem maszyny liczącej z myślą o dopomożeniu swojemu ojcu, który był poborcą podatkowym. Wyprodukowano około 50 egzemplarzy Pascaliny - maszyny według pomysłu Pascala. Kilka egzemplarzy istnieje w muzeach do dzisiaj; część z nich była przeznaczona do obliczeń w różnych systemach monetarnych, a część - dla różnych miar odległości i powierzchni ( z przeznaczeniem dla geodetów ). Pascal który zbudował maszynę wykonującą tylko dwa działania ( dodawanie i odejmowanie ) przez ponad trzysta lat uchodził niesłusznie za wynalazcę pierwszej mechanicznej maszyny do liczenia.
Schickard i Pascal wprowadzili w swoich maszynach mechanizm do przenoszenia cyfr przy dodawaniu i odejmowaniu. Obie maszyny miały także pewne możliwości zapamiętywania niektórych wyników pośrednich.
Leibniz odkrył na nowo pochodzący ze starożytnych Chin system dwójkowy ( zwany także binarnym ) do zapisu liczb. Przypisuje się jemu także zbudowanie pierwszej mechanicznej maszyny mnożącej. Chociaż w tym czasie istniała już Pascalina i Leibniz miał możność zapoznania się z nią w Paryżu, projekt swojej "żywej ławy do liczenia" opisał przed pierwszą wizytą w Paryżu. W maszynie tej wprowadził wiele części, które zostały użyte w późniejszych maszynach biurowych. Maszyny Schickarda, Pascala, i Leibniza wymagały od użytkownika manualnej pomocy w wielu czynnościach związanych z kolejnymi krokami obliczeń. Za ich pomocą nie było jeszcze można w pełni automatycznie i w całości wykonać prostego działania na dwóch liczbach.
W tym miejscu wypada wspomnieć o udziale naszego rodaka w dziele tworzenia maszyn liczących. Abraham Stern ( 1769 - 1842 ), z zawodu zegarmistrz, wykonał serię maszyn, które poza czterema działaniami podstawowymi, wyciągały także pierwiastki kwadratowe. Jedna z jego maszyn, raz uruchomiona, potrafiła wykonać za pomocą mechanizmu zegarowego wszystkie operacje bez ingerencji człowieka. Maszyny skonstruowane przez Sterna okazały się jednak mało praktyczne ze względu na wyjątkowo delikatną budowę.

Charles Babbage ( 1791 - 1871 )

Za najwybitniejszego twórcę maszyn liczących, żyjącego przed erą elektroniczną, uważa się Anglika Charlesa Babbage'a.
Swoją pierwszą maszynę nazwaną maszyną różnicową, ( gdyż wykonywała obliczenia metodą różnicową ), konstruował 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 nią w 1842 roku. Zmontowaną część maszyny (podobno nadal sprawną) można oglądać w Muzeum Nauk w Londynie. Należy dodać, że w odróżnieniu od maszyn Leibniza i Pascala, po ręcznym ustawieniu początkowego stanu, dalsze działania maszyny różnicowej nie wymagają już żadnej ingerencji użytkownika poza kręceniem korbą. Prace Babbage'a zainspirowały wielu jemu współczesnych, którzy jak na przykład Szwedzi George i Edward Scheutzowie, często z większym powodzeniem ukończyli swoje, może mniej ambitne ale nadal praktyczne konstrukcje maszyn różnicowych.
Ale 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, którym Babbage żył do śmierci. Było to przedsięwzięcie czysto abstrakcyjne - przewidywane przeszkody techniczne i trudności finansowe nie pozwoliły nawet na rozpoczęcie prac konstrukcyjnych. 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. Obie te części maszyny analitycznej miały być sterowane za pomocą dodatkowego urządzenia kontrolnego, które otrzymywało polecenia na kartach perforowanych, udoskonalonych i rozpowszechnionych przez Jacquarda do programowania maszyn tkackich. Można więc uznać maszynę analityczną Babbege'a za pierwszy pomysł kalkulatora sterowanego programem zewnętrznym.
Opis działania maszyny analitycznej trafił w ręce Ady ( jej pełne nazwisko: Ada Augusta hrabina Lovelace), znanej w owych czasach z błyskotliwego umysłu. Urzeczona doskonałością projektu uważała, że... " maszyna analityczna tkać będzie wzory algebraiczne, tak jak krosna Jacquarda tkają licie i kwiaty...".
Nie czekając na skonstruowanie maszyny ( czego i tak by nie doczekała ), Ada zajęła się sporządzaniem opisów jej używania do rozwiązywania konkretnych zadań obliczeniowych. Opisy te nazwano by dzisiaj programami, dlatego uważa się ją za pierwszą programistkę komputerów. Dla uczczenia zasług Ady na tym polu nazwano jej imieniem jeden z najbardziej uniwersalnych języków programowania.

Przełom XIX i XX wieku

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 1890 roku, którego wyniki zostały całkowicie opracowane za pomocą jego urządzeń na podstawie danych zebranych na jego kartach. W następnych latach Hollerith dostarczał lub wypożyczał swoje urządzenia do przeprowadzenia spisów w wielu krajach, w tym także w Europie, między innymi w Rosji. Na przełomie XIX i XX wieku powstało wiele firm, które początkowo oferowały maszyny sterowane kartami perforowanymi i z latami zyskiwały na swojej potędze a wiele z nich przetrwało do dzisiaj, jak na przykład IBM, Bull, Remington - Rand, Burroughs, a także NCR ( kasy ), i Bell ( telefony ).
Udoskonalona i znormalizowana karta perforowana przez wiele dziesięcioleci była uniwersalnym nośnikiem informacji, a pierwsze maszyny mechaniczne do przetwarzania danych zapoczątkowały stale rosnący popyt na przetwarzanie informacji. Wniosło to także zmiany w stosunkach międzyludzkich, a w szczególności między państwem ( posiadaczem maszyn do obróbki informacji ) i obywatelem.

Początek XX wieku

Wśród modeli obliczeń powstałych w pierwszej połowie XX wieku największą popularność zdobyły maszyny Turinga. W swojej fundamentalnej pracy z 1936 roku, Alan Turing bardzo przystępnie opisał tok mylenia prowadzący od obliczeń wykonywanych ręcznie do obliczeń wykonywanych przez bardzo prostą maszynę. Oto jej opis.
Obliczenia ręczne są najczęściej wykonywane na pokratkowanej kartce papieru, której pojedyncze kratki są wypełnione cyframi i symbolami działań. Dysponujemy tylko skończoną liczbą znaków ( cyfr, np. 0 oraz 1 i symboli działań ), które mogą być wpisywane w kratki. To, co robimy w ustalonej chwili, zależy od znaków, które obserwujemy i od działania, jakie podjęliśmy. Można przyjąć, że liczba kratek obserwowanych w danej chwili jest ograniczona. Przejrzenie za większej ich liczby sprowadza się do wykonania ciągu obserwacji. Możemy także założyć, że liczba wszystkich stanów, w jakich może znaleźć się nasz umysł wykonujący obliczenia, chociaż duża jest skończona.
Turing doszedł do koncepcji swojej maszyny wprowadzając pewne uproszczenia i uściślenia w działaniach na kartce i nad nią. Po pierwsze, zapis obliczeń na kartce papieru ( a dokładniej na dwuwymiarowym układzie kratek ) można sprowadzić do zapisu na jednowymiarowej pokratkowanej kartce, czyli na tamie podzielonej na kratki. Wystarczy w tym celu treść obliczeń wypełniających kartkę zapisać wierszami. Traci się przy tym czytelność, ale zyskuje redukcję wymiaru kartki. Po drugie, umysł wykonujący obliczenia można zastąpić przez obiekt bardziej fizyczny zwany głowicą, która znajduje się nad tamą, może się poruszać w obie strony tamy, a w danej chwili widzi jedynie symbol umieszczony w kratce, nad którą zawisła. Działanie głowicy jest określone przez ustalony zbiór instrukcji, zgodnie z którymi może poruszać się w lewo, w prawo lub stać w miejscu, potrafi rozpoznawać symbole i może zmieniać zawartości kratki, nad którą się znajduje. Wykonanie instrukcji przez maszynę Turniga jest działaniem głowicy, uzależnionym od stanu, w jakim się znajduje i co widzi.
Obliczenia wykonywane za pomocą maszyny Turinga zależą od początkowego zapisu symboli na tamie i od przyjętego zestawu dozwolonych instrukcji. Zatem działa ona podobnie jak dzisiejsze komputery - wyniki obliczeń zależą od zapisanych w pamięci komputera danych i od zestawu wykonywanych instrukcji. Zawartoć tamy po zatrzymaniu się maszyny zależy od obu tych czynników. Nieodparcie nasuwa się pytanie o to, co można policzyć za pomocą tak prostych maszyn. Okazuje się, że bardzo wiele. Sam Turing sformułował tezę, iż na maszynie tego typu można zrealizować każdy algorytm. Do dzisiaj nie obalono tej tezy. Zauważa się, że w związku z tym można przyjąć, iż algorytmem jest dowolny opis wykonania obliczeń na maszynie Turinga.
Analizując moc swoich maszyn, Turing doszedł jednak do wniosku, że istnieją funkcje, których wartości nie mogą one obliczać.
Wspomnieć tutaj należy jeszcze o dwóch innych dziedzinach działalności Turinga ściśle związanych z automatyzacją obliczeń i komputerami. W latach II wojny światowej Turing został włączony do grupy specjalistów zajmujących się w Wielkiej Brytanii deszyfracją kodów Enigmy - maszyny, którą Niemcy używali do kodowania meldunków i rozkazów rozsyłanych swoim jednostkom na wszystkich frontach. W 1941 roku działalność tej grupy przyczyniła się do zredukowania brytyjskich strat na morzach o 50%. Brytyjscy specjaliści korzystali z materiałów ( wśród których był egzemplarz Enigmy oraz maszyna deszyfrująca zwana bombą ) przekazanych im w 1939 roku przez grupę Polaków kierowaną przez Mariana Rejewskiego, zajmujących się od pięciu lat skonstruowaniem maszyny deszyfrującej. Chociaż Brtyjczycy udoskonalili maszynę deszyfrującą otrzymaną od Polaków, pozostawała ona nadal maszyną mechaniczną i jej działanie nie nadążało za ciągle udoskonalanymi i zmienianymi przez Niemców egzemplarzami Enigmy. Ocenia się że w szczytowym okresie II wojny światowej Niemcy używali ponad 70 tysięcy maszyn szyfrujących Enigma.
Prace nad maszyną deszyfrującą Enigmę przyczyniły się do powstania pod koniec wojny w Wielkiej Brytanii kalkulatorów elektronicznych. Powstało kilka wersji maszyny o nazwie Coloss, których głównym konstruktorem był T.H. Fowers.
Były to już maszyny elektroniczne, w których wykorzystano arytmetykę binarną, sprawdzane były warunki logiczne ( a więc można było projektować obliczenia z rozgałęzieniami ), zawierały rejestry, mogły wykonywać programy ( poprzez uruchomienie tablic rozdzielczych ) i wyprowadzać wyniki na elektryczną maszynę do pisania.

Pierwsze komputery

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. Za największego inspiratora powstania komputera w jego obecnej postaci uważa się Johna von Neumanna. Ale najpierw trzeba oddać właściwe miejsce twórcom rzeczywiście najwcześniejszych konstrukcji, pretendujących do miana komputera. Pojawienie się większości z nich przyspieszyła II wojna światowa.
W 1941 roku Konrad Zuse ukończył w Niemczech prace nad maszyną Z 3, która wykonywała obliczenia na liczbach binarnych zapisanych w reprezentacji, nazywanej dzisiaj zmiennopozycyjną, sterowane programem zewnętrznym podawanym za pomocą perforowanej tamy filmowej. Maszyna Z 3 została całkowicie zniszczona w czasie bombardowania w 1945 roku. Następny model maszyny Zusego, Z 4 przetrwał i działał do końca lat pięćdziesiątych.
Maszyny Zusego były kalkulatorami przekaźnikowymi. W tym czasie znane już były prace Claude Shannona dotyczące działań binarnych ( logicznych ) za pomocą układów elektronicznych zgodnie z regułami Boole'a.
W roku 1942 zespół specjalistów pod kierunkiem J.W. Mauchly'ego i J.P. Eckerta zaprojektował i zbudował maszynę ENIAC ( ang. Electronic Numerical Integrator And Computer ). Pierwsze obliczania maszyna ta wykonała w listopadzie 1945 roku. Maszyna ENIAC jest uznawana powszechnie za pierwszy kalkulator elektroniczny, chociaż w 1976 roku okazało się, że wczeniej zaczęły pracować w Wielkiej Brytanii maszyny Coloss I i II. Maszyna ENIAC była monstrualną konstrukcją złożoną z 50 szaf o wysokości 3 metrów zawierających około 20 tysięcy lamp. Słabością tej maszyny było: użycie zwykłego systemu dziesiętnego do pamiętania liczb, brak rozdziału między funkcjami liczenia i pamiętania oraz bardzo uciążliwy sposób zewnętrznego programowania. Wady te zostały usunięte dopiero w projekcie EDVAC.

John von Neumann ( 1903 - 1957 )

John von Neumann, z pochodzenia Węgier, był w swoich czasach jednym z najwybitniejszych matematyków. W 1946 roku zainspirował on prace w projekcie EDVAC ( ang. Electronic Discrete Variable Automatic Computer ), których celem było zbudowanie komputera bez wad poprzednich konstrukcji. Zaproponowano architekturę, zwaną odtąd von neumannowską, według której buduje się komputery do dzisiaj.
W komputerze von Neumanna można wyróżnić przynajmniej następujące elementy: pamięć złożoną z elementów przyjmujących stan 0 lub 1, arytrometr zdolny wykonywać działania arytmetyczne, logiczne i inne, sterowanie, wprowadzanie danych i wyprowadzanie wyników. Program, czyli zbiór instrukcji, według których mają odbywać się obliczenia, jest wpisywany do pamięci. Kolejne rozkazy programu są pobierane przez jednostkę sterującą komputerem w takt centralnego zegara i rozpoznawane zgodnie z mikroprogramem wpisanym w układ elektroniczny. Należy podkrelić, że program jest przechowywany w pamięci komputera i jego działanie może zmieniać zawartość dowolnego obszaru pamięci ( programy mogą się także same modyfikować ). Fizycznie nie ma żadnej różnicy między danymi i programami przechowywanymi w pamięci komputera: są podobnie kodowane jako ciąg zer i jedynek i tak samo zrealizowane technicznie. Można więc powiedzieć, że celem działania komputera von neumannowskiego jest przejście w takt zegara od jednego stanu zawartości pamięci ( danego na początku ) do innego, zawierającego oczekiwany wynik. Można zauważyć podobieństwo tego spojrzenia na komputer von Neumanna do maszyny Turinga. Nie ma w tym nic dziwnego gdyż von Neumann bardzo dobrze znał osiągnięcia Turinga.

Postęp w elektronice umożliwił dalszy rozwój komputerów. W latach sześćdziesiątych lampy zastąpiono tranzystorami. Pierwszy tranzystorowy komputer zbudowano w 1956 roku w Massachusettes Institute of Technology. Z kolei układy scalone zastąpiły tranzystory ( układ scalony zawierał w jednej obudowie kilkadziesiąt tranzystorów i innych elementów elektronicznych ). Dalszy postęp produkcji tych układów pozwolił umieszczać w jednej "kostce" dziesiątki tysięcy tranzystorów. Obwody takie nazwano układami wielkiej skali integracji ( VLSI z ang. Very Large Scale of Integration ).
Wymyślono termin: " generacja komputerów " i nazwano komputery lampowe mianem pierwszej generacji, tranzystorowe - drugiej, zbudowane z układów scalonych - trzeciej, a w technologii VLSI - czwartej.
Postęp w technologii produkcji komputerów odbywał się tak szybko, że zaczęto mówić o rewolucji komputerowej. Wprowadzenie na rynek tanich układów scalonych umożliwiło powstanie mikrokomputerów, w których elementy przetwarzające informacje umieszczono w jednym układzie - mikroprocesorze.

Komputer typu PC

Pierwsze komputery osobiste ( PC z ang. Personal Computer ) zostały opracowane przez IBM. Ponieważ firma ta nie miała nic przeciwko temu, by inne przedsiębiorstwa skorzystały z jej pomysłu i podążyły jej śladem, wielu producentów sprzedaje dziś własne komputery, które jednak są wciąż budowane według tej samej koncepcji firmy IBM. Ponieważ na rynku pojawiało się coraz więcej produktów, zaczęto pisać programy dla tego typu komputerów. Producenci sprzętu odpowiedzieli na to kolejną falą unowocześnionych komputerów typu IBM - PC. Proces ten rozwijał się na zasadzie lawiny: komputery, nowe komponenty i oprogramowanie są obecnie tworzone przez setki najróżniejszych producentów. Tym sposobem PC stał się najbardziej rozpowszechnionym typem komputera na wiecie.
Niemal w tym samym czasie, którym narodził się PC, firma Apple zaczęła budować swój własny typ komputera osobistego, dzieło Steve Woźniaka i Steve Jobsa. System Apple nie był jednak zgodny z IBM - PC ani pod względem sprzętu, ani oprogramowania. Swój sukces zawdzięczał on faktowi, iż po raz pierwszy wykorzystano tam graficzny sposób komunikowania się z użytkownikiem bazujący na obrazkach i oknach - na rok przed rozpowszechnieniem się Windows firmy Microsoft.
Komputery Apple od samego początku były systemami kompletnymi. Oznaczało to, że w ich przypadku nie było już konieczne kupowanie dodatkowych komponentów, aby na przykład osiągnąć dźwięk odpowiedniej jakości. W przeciwieństwie do ówczesnych komputerów PC - tów, komputery Apple były znacznie prostsze w obsłudze. Mac, jak chętnie nazywa się komputer firmy Apple, szybko stał się ulubionym narzędziem ludzi z kręgów twórczych. Używali go przede wszystkim architekci, muzycy i projektanci, którym najczęściej potrzebny był właśnie wydajny i łatwy w obsłudze komputer. Tak więc Mac wciąż pozostaje główną alternatywą dla komputerów typu IBM - PC, a fakt, iż w porównaniu z PC -tem jest mniej dostępny na rynku, wynika głównie stąd, że firma Apple nie udostępniła nikomu praw do kopii swojego projektu.
Większość producentów skorzystała co prawda z koncepcji peceta firmy IBM, niemniej niektórzy wyłamali się i podążyli własną drogą tworząc komputery osobiste niezgodne ze standardem. Stąd też oprogramowanie stworzone dla typowego komputera PC z reguły nie może być na nich uruchamiane.
W zupełnym oderwaniu od standardu IBM - a powstały rozwiązania, które przewyższają pierwowzór czy to pod względem ceny, czy przydatności do gier, czy też obróbki dźwięku czy też grafiki. Niejeden z tego typu systemów był i wciąż jeszcze jest wspaniałym narzędziem, jednakże przeznaczonym wyłącznie dla specjalistów skupiających się na wykonywaniu określonej grupy zadań.