Когда была создана аналитическая машина

Паровой компьютер или разностная машина Бэббиджа 1840 года

Где-то в 1800-х годах Чарльз Бэббидж изобрел первый компьютер, тогда слово «компьютер» имело иное значение, и он назвал свое изобретение Разностной машиной или Аналитической машиной. Гениальный изобретатель опережал свое время, но, к сожалению, не завершил свое изобретение, и лишь спустя сто лет был изобретен первый настоящий компьютер, но это уже другая история. А сегодняшняя статья об Аналитической Машине Бэббиджа.

Согласно чертежам Бэббиджа машина должна была состоять из следующих частей:


1. Склад — жесткий диск, память; 2. Мельница — процессор; 3. Паровой двигатель — блок питания; 4. Принтер — принтер; 5. Карты операций — программы; 6. Карты переменных — система адресации; 7. Числовые карты — для ввода чисел; 8. Управляющие барабаны — микропрограммы.

Самовычисляющая машина

В этой статье мы попробуем выяснить устройство Аналитической Машины, но для начала следует отметить, что она принадлежала к распространенному с 1740-х годов семейству «автоматических» (само-) механизмов.

И хотя Бэббидж избегал использования этого понятия, в новостях и изданиях ее описывали именно так:

За завтраком я имела удовольствие сидеть рядом с мистером Бэббиджем, известным в наших кругах изобретателем самовычисляющей машины. Взгляд его кажется столь проницательным, будто он видит науку — или любой другой предмет, ставший объектом его внимания, — насквозь.
Эди Седжвик, 1841 г.

Центробежный регулятор — первый из «самодействующих» механизмов индустриальной эпохи. Кстати, именно он является одной из самых узнаваемых частей парового двигателя.


При разгоне двигателя шары отклоняются от оси под воздействием центробежной силы, из-за этого муфта сдвигается и ограничивает приток пара, а машина замедляет ход. Замедление машины опускает шары и этим открывает клапан — открывается приток пара, цикл замкнулся.

Сама же конструкция Разностной машины была схожа с арифмометрами, и, как арифмометры, Машина состояла из длинной череды зубчатых колес, которые складывают числа, а потом выдают сумму.

Где-то в 1834 году Бэббидж усовершенствовал конструкцию, и благодаря возврату суммы обратно в машину стали доступны более сложные вычисления.

Работа Аналитической машины основывалась именно на «пожирании своего хвоста», и работала система благодаря сложной цепи шестерней, которые управлялись перфокартами и барабанами, вычисляя суммы и отправляя результаты на склад, который состоял из ряда зубчатых колес.

Примерно все взаимодействовало так:

  1. Карты операций (А) указывают картам переменных (В), что нужно запросить числа для расчетов;
  2. Числа вводятся с числовых карт (С) или со склада (D) и поочередно поступают на ось ввода (Е);
  3. Ось ввода передает числа на центральные колеса (F);
  4. Карта операции дает команду сложения чисел или умножения или иную, а барабаны (G) поворачиваются до положения, в котором их штифты будут соответствовать операции.
  5. Барабаны активируют рычаги, соединяя шестерни мельницы (H) с центральными колесами. А уже в мельнице определенные устройства отвечают за сложение, умножение и иные действия;
  6. Шестерни выполняют умножение исходных чисел;
  7. Мельница при необходимости может зацикливать действия, передавая команды на разные участки перфокарты;
  8. Результат попадает на ось вывода (I).
  9. Ось вывода передает данные на принтер (D) или отправляет на склад согласно картам переменных;
  10. Карты операций подают команду на подачу звонка (J) и на остановку Машины. Всё!

Память: склад

Любому компьютеру, паровому или электронному, необходима возможность хранения данных. В изобретении Бэббиджа он назывался складом, и, как практически вся машина, он состоял из зубчатых колес, расположенных в высоких столбцах. На каждом из столбцов хранилось только одно число не длиннее пятидесяти цифр, а верхнее колесо определяло положительно число или отрицательно.

Согласно моим оценкам, пройдет немало времени, прежде чем эти ограничения перестанут удовлетворять нуждам науки.
Чарльз Бэббидж

На чертежах Бэббиджа склад состоял из двух параллельных рядов высоких числовых столбцов, и в каждом из них хранилось одно число. Одна из сторон склада сообщалась с мельницей.

Кроме зубчатых колес числа могли храниться на числовых картах в виде комбинаций отверстий:

На своих схемах Чарльз изображал ряд столбцов уходящим за край листа и не указывал конечное количество чисел, которые могла бы запоминать заключительная версия Машины.

Рейки и карты переменных для передачи данных

Для передачи чисел со склада в Машину Бэббидж использовал опять зубчатые колеса рейки с длинными зубцами. Каждое из числовых колес склада с помощью шестеренок были связаны с рейками и при их помощи значения передавались на специальный столбец колец, находящийся между мельницей и складом, и таким же образом числа передавались обратно на склад.


Колеса склада А подключено к рейке В с помощью шестеренки. Обнуляясь, колесо слада поворачивает ось ввода до позиции переданного числа.


Для передачи числа с дальнего конца склада требовалась зубчатая рейка длинной в несколько метров.

На картах переменных нанесены адреса на складе, с которых производится выборка чисел. Эти же карты могут быть запрограммированы на получение значений с числовых карт.
Каждый адрес нанесен на карты переменных в виде отверстий, и их сочетание переключает определенные рычаги:


При отсутствии отверстия на перфокарте рычаг не задействован, но как только отверстие появлялось, рычаг соединял шестеренку со скобой. И шестеренка, поднимаясь вместе со скобой, соединяла колесо ввода с зубчатой рейкой.

Мельница вычислений

После попадания чисел в мельницу начинается главная часть работы Машины — арифметические действия, выполняемые снова и снова.

Бэббиджем были разработаны отдельные узлы сложения, вычитания, умножения и деления, а также один из любимых его механизмов — перенос с предварением.

В своих публикациях Бэббидж очеловечивал Машину и про «сквозной перенос» писал:

В случае сквозного переноса Машина способна предвидеть и действовать в соответствии с предвидением.
Чарльз Бэббидж

Конечно, до переноса числа необходимо было сложить, и происходило это примерно так:

Колесо А обнуляется и на нем задается первое число. Второе число задается на колесе В, которое в сцепке с колесом А. Обнуление первого колеса прибавляет число, которое там содержалось, к значению на колесе В.

Возьмем для примера:

Вспомним школьную арифметику, а именно сложение в столбик и перенос единиц. Если расположить цифры обоих чисел по столбцам, как это сделано в Машине, и складывать их по разрядам, то в первом случае не будет переноса, во втором будет перенесена единица, а в третьем сумма будет равна 9, но перенесенная ранее единица инициирует перенос.

Когда Разностная машина работает, можно наблюдать волнообразные движения рычажков переноса в задней части Машины. Волны происходят из-за последовательных переносов единиц снизу вверх с проверкой инициации новых переносов.


Эта штука переносит единицу снизу вверх по одной!

Программы

В то время программ не существовало, ну точнее они уже были придуманы, но тогда они назывались картами операций и выглядели примерно так:


Карта операций

Программами занималась Ада Лавлейс, и, как истинные аристократы, они отдавали приказы барабанам и картам переменных не контактируя с рабочими механизмами. Даже простое сложение задействовало множество деталей, и при помощи большого барабана один рычаг мог задавать любое значение для восьмидесяти других рычагов.

Согласно отверстиям на картах барабан поворачивается к рычагам разными секциями, которые содержат определенный шифр и задействуют разные наборы рычагов.

И хотя барабаны напоминают валики шарманок, действуют они иначе. Вместо непрерывного вращения барабан поворачивается до определенной позиции и затем двигается вперед, толкая и активируя набор необходимых рычагов.

Карты операций управляют и барабанами, и картами переменных, и выглядят примерно так:

Перфокарты

Первой системой, построенной на перфокартах, был жаккардов станок, и именно им вдохновлялся Бэббидж.


Карта Жаккара, 1850 г.

Принцип их работы прост и гениален одновременно: удерживающий перфокарты рычаг опускается, прижимая карту к набору подпружиненных горизонтальных штырьков. Если под штырьком отсутствует отверстие, то карта сдвигает штырек и наклоняет стержень с крючком так, что он цепляется за штифт. Затем штифты движутся вверх вместе с зацепившимися за них крючками.

Логика и циклы

Перфокарты и шестеренки — это великолепно, но не они делают Разностную машину компьютером. Из устройства для обсчета десятичной арифметики Машина превращается в компьютер благодаря небольшой детали — условному рычагу.

Читайте также  Сколько лошадей в ваз 2114

Этот рычаг автоматически опускается, если результат вычислений требует дальнейших действий со стороны программы. И если на определенной позиции барабана стоит штифт, а затем рычаг опускается — запускается новый цикл вычислений.

Таким образом, условный рычаг замыкает цикл, и Машина «поедает собственный хвост»: перфокарты управляют барабанами, барабаны Машиной, Машина барабанами, а барабаны перфокартами.

На этом я закончу сегодняшнюю статью. Если у вас есть какие-то дополнения, то я буду рад обсуждениям в комментариях.

Всем хорошего дня и точных вычислений!

Литература:
«Невероятные приключения Лавлейс и Бэббиджа. Почти правдивая история первого компьютера»
Автор: Сидни Падуа
Издательство: Манн, Иванов и Фербер, 2017 г.
ISBN: 978-5-00100-943-6

ЭВМ: ЧТО? ГДЕ? КОГДА? | Аналитическая вычислительная машина Бэббиджа

Английский учёный и изобретатель Чарльз Бэббидж потратил очень много времени и сил на свою Разностную машину, призванную заменить людей-вычислителей, выполнявших однообразные математические расчёты. Сложности в жизни плюс отсутствие финансирования не позволили ему закончить его детище, машину доводил до ума другой учёный швед Пер Георг Шойц.

Однако, несмотря на неудачу он не бросил размышления о создании вычислительной машины, и в итоге пришёл к идее создания более мощной и универсальной машины. Новая аналитическая машина, по задумкам Бэббиджа, должна была не просто решать математические задачи одного определённого типа, а выполнять разнообразные вычислительные операции и расчёты в соответствии с инструкциями и командами оператора. Бэббидж замышлял «машину универсального характера», что на самом деле не что иное, кроме как первый универсальный программируемый компьютер.

Архитектура современного компьютера довольно схожа с архитектурой Аналитической машины. В своей машине Бэббидж предусмотрел следующие части: склад (store), фабрика (или мельница, mill), управляющий элемент (control) и периферию: устройства ввода-вывода информации.

Функция «склада» заключалась в хранении значений переменных, с которыми производятся операции, а также результатов операций. В современной терминологии это именуется памятью.

Память машины вмещала до ста 40-разрядных чисел. Данные числа должны были храниться в памяти, пока до них не дойдет очередь в арифметическом устройстве.

Функцией «мельницы» (арифметико-логическое устройство, часть современного процессора) было произведение операций над переменными, а также хранение в регистрах значений переменных, с которыми в данный момент осуществляется операция.

Управляющий элемент, соответственно, осуществлял управление последовательностью операций, помещение переменных в склад, а также извлечение их из него, плюс ко всему выводом результатов. Инструкции, команды, вводились в Аналитическую машину с помощью перфокарт. Перфокарты были двух видов: карты переменных и операционные карты. Из операционных карт можно было составить библиотеку функций.

У Бэббиджа были обширные замыслы. Предполагалось, что Аналитическая машина будет оборудована устройством печати и устройством вывода результатов на перфокарты для последующего использования. Для создания компьютера в современном понимании необходимо было лишь придумать схему с хранимой программой, что было сделано 100 лет спустя, после Второй Мировой войны, американскими учёными Экертом, Мокли и Фон Нейманом. Бэббидж один разрабатывал конструкцию аналитической машины. Он часто посещал промышленные выставки, где были представлены различные новинки науки и техники. Именно там состоялось его знакомство с Адой Августой Лавлейс, которая стала его очень близким другом, помощником и единственным единомышленником.

Ада Байрон, единственный законный ребенок поэта лорда Байрона, графиня отдала все свои незаурядные математические и литературные способности осуществлению проекта Бэббиджа. «Можно с полным основанием сказать, Аналитическая машина точно так же плетет алгебраические узоры, как ткацкий станок Жаккарда воспроизводит цветы и листья», — писала графиня Лавлейс, будучи одной из немногих, кто понимал принципы работы машины и каковы потенциальные области ее применения. В то время как сам Бэббидж и вовсе отмечал, что графиня «по-видимому, понимает её лучше меня, а уж объясняет её устройство во много-много раз лучше».

В 1840 году Бэббидж по приглашению итальянских математиков отправляется в Турин, где читал лекции о своей машине. Луиджи Менабреа, преподаватель туринской артиллерийской академии, создал и опубликовал конспект лекций на французском языке. Спустя время Ада Лавлейс сама перевела эти лекции на английский язык, причём дополнила их комментариями, которые по объёму превосходили исходный текст. В комментариях Ада сделала описание цифровой вычислительной машины и инструкции по программированию к ней. По факту, это были первые в мире программы. Именно поэтому Аду Лавлейс абсолютно по делу называют первым программистом.

Графиня Лавлейс воодушевляла Бэббиджа, глубоко интересуясь его работой и заражая своим энтузиазмом. Но, к большому сожалению, даже её литературного дара и обаяния оказалось недостаточно, чтобы решить главную проблему на пути создания Аналитической машины. Если Разностная машина имела сомнительные шансы на успех, то Аналитическая машина и вовсе выглядела нереалистичной. Ее просто невозможно было построить и запустить в работу. В своем окончательном виде машина должна была быть не меньше железнодорожного локомотива. Внутренняя конструкция Аналитической машины представляла собой беспорядочное нагромождение стальных, медных и деревянных деталей, часовых механизмов. Всё это приводилось в действие паровым двигателем. Если вдруг какая малейшая нестабильность какой-нибудь крошечной детали приводила бы к стократно усиленным нарушениям в других частях, и тогда вся машина пришла бы в бешенство.

Увы, аналитическая машина так и не была закончена. В 1851 году Бэббидж писал: «Все разработки, связанные с Аналитической машиной, выполнены за мой счёт. Я провёл целый ряд экспериментов и дошёл до черты, за которой моих возможностей не хватает. В связи с этим я вынужден отказаться от дальнейшей работы». Бэббидж подробно описал конструкцию аналитической машины и принципы её работы, но даже этого не хватило до конечного результата, она так и не была построена при его жизни. Причин этому было много, но основными стали полное отсутствие финансирования проекта по созданию аналитической машины, а также низкий уровень технологий того времени в принципе. На этот раз Бэббидж не стал просить помощи у правительства, понимая, что после неудачи с Разностной машиной ему всё равно откажут.

В 1864 году Чарльз Бэббидж написал: «Пройдёт, вероятно, полстолетия, прежде чем люди убедятся, что без тех средств, которые я оставляю после себя, нельзя будет обойтись». В своём предположении он ошибся на 30 лет. Спустя только 80 лет после данного высказывания была сконструирована машина МАРК-I, которую назвали «осуществлённой мечтой Бэббиджа». Архитектура Марка была очень схожа с архитектурой аналитической машины. Говард Эйкен действительно очень серьёзно изучал публикации Бэббиджа и Ады Лавлейс перед созданием своей машины, причём его машина идеологически незначительно ушла вперёд по сравнению с недостроенной аналитической машиной. Производительность МАРК-I оказалась всего в десять раз выше, чем расчётная скорость работы аналитической машины.

Лишь после смерти Чарльза Бэббиджа его сын, Генри Бэббидж, продолжил начатое отцом дело. В 1888 году Генри сумел построить по чертежам отца центральный узел аналитической машины. В 1906 году Генри совместно с фирмой Монро построил действующую модель аналитической машины, включающую арифметическое устройство и устройство для печатания результатов. В итоге машина Бэббиджа оказалась работоспособной, жаль только Чарльз не дожил до этих дней.

ЭВМ: ЧТО? ГДЕ? КОГДА? | Аналитическая вычислительная машина Бэббиджа

Аналитическая машина Бэббиджа Чарльза: описание, особенности, история и свойства

Чарльз Бэббидж (1791–1871) – пионер создания вычислительной техники, который разработал 2 класса вычислительных машин – разностные и аналитические. Первый из них свое название получил благодаря математическому принципу, на котором основан — методу конечных разностей. Его красота заключается в исключительном использовании арифметического сложения без необходимости прибегать к умножению и делению, которые сложно реализовать механически.

Больше чем калькулятор

Разностная машина Бэббиджа представляет собой счетное устройство. Она оперирует числами единственным способом, на который способна, постоянно складывая их в соответствии с методом конечных разностей. Ее нельзя использовать для общих арифметических расчетов. Аналитическая же машина Бэббиджа гораздо больше, чем просто калькулятор. Она знаменует переход от механизированной арифметики к полномасштабным вычислениям общего назначения. На разных этапах эволюции идей Бэббиджа насчитывалось по меньшей мере 3 проекта. Поэтому на его аналитические машины лучше ссылаться во множественном числе.

Удобство и инженерная эффективность

Вычислительные машины Бэббиджа являются десятеричными устройствами в том смысле, что они используют 10 цифр от 0 до 9, и цифровыми потому, что оперируют только с целыми числами. Значения представлены шестернями, а каждому разряду отведено свое колесо. Если оно останавливается в промежуточном положении между целыми значениями, то результат считается неопределенным, а работа машины блокируется, чтобы показать нарушение целостности расчетов. Это является своеобразной формой обнаружения ошибок.

Читайте также  Почему не срабатывает стартер

Бэббидж также рассматривал использование систем счисления, отличных от десятеричной, в т. ч. двоичной и с основанием 3, 4, 5, 12, 16 и 100. Он остановился на десятеричной по причине ее привычности и инженерной эффективности, поскольку благодаря ей значительно уменьшается количество движущихся частей.

Разностная машина №1

В 1821 г. Бэббидж начал разработки с механизма, предназначенного для расчета и табуляции полиномиальных функций. Автор описывает его как устройство для автоматического вычисления последовательности значений с автоматической печатью результатов в виде таблицы. Интегральной частью конструкции является принтер, механически связанный с расчетной секцией. Разностная машина №1 представляет собой первую полноценную конструкцию для автоматического выполнения расчетов.

Время от времени Бэббидж менял функциональные возможности устройства. Дизайн 1830 г. изображает машину, рассчитанную на 16 цифр и 6 порядков разности. Модель состояла из 25 тыс. частей, разделенных поровну между вычислительной секцией и принтером. Если бы устройство было построено, то весило бы, по оценкам, 4 т и имело бы высоту 2,4 м. Работа по созданию разностной машины Бэббиджа была остановлена в 1832 г., после спора с инженером Джозефом Клементом. Государственное финансирование окончательно прекратилось в 1842 г.

Аналитическая машина

Когда работа над разностным аппаратом застопорилась, в 1834 году Бэббидж задумал более амбициозное устройство, которое позже получило название аналитического универсального программируемого вычислительного механизма. Структурные свойства машины Бэббиджа во многом соответствуют основным блокам современного цифрового компьютера. Программирование производится с помощью перфокарт. Эта идея была заимствована у жаккардового ткацкого станка, где они служат для создания сложных текстильных узоров.

Логическая структура аналитической машины Бэббиджа в основном соответствует доминирующему дизайну компьютеров электронной эры, который подразумевает наличие памяти («магазина»), отделенной от центрального процессора («мельницы»), последовательное выполнение операций и средства для ввода и вывода данных и инструкций. Поэтому звание пионера вычислительной техники автор разработки получил вполне заслуженно.

Память и центральный процессор

У машины Бэббиджа есть «магазин», где хранятся числа и промежуточные результаты, а также отдельная «мельница», где выполнялась арифметическая обработка. Она имела набор из 4 арифметических функций и могла выполнять прямое умножение и деление. Кроме того, устройство было способно производить операции, которые теперь получили названия условного разветвления, цикла (итерации), микропрограммирования, параллельной обработки, фиксации, формирования импульсов и т. п. Сам автор такую терминологию не использовал.

ЦПУ аналитической машины Чарльза Бэббиджа, которое он называл «мельницей», обеспечивает:

  • хранение чисел, операции над которыми производятся немедленно, в регистрах;
  • имеет аппаратные средства для произведения с ними основных арифметических операций;
  • передачу ориентированных на пользователя внешних инструкций в детальное внутреннее управление;
  • систему синхронизации (такт) для выполнения инструкций в тщательно подобранной последовательности.

Механизм управления аналитической машины выполняет операции автоматически и состоит из двух частей: нижнего уровня, контролируемого массивными барабанами, называемыми бочками, и высокого уровня, использующего перфокарты, разработанными Жаккардом для ткацких станков, широко применявшихся в начале 1800-х годов.

Устройства вывода

Результат вычислений выводится различными способами, включая печать, перфокарты, построение графиков и автоматическое производство стереотипов – лотков из мягкого материала, на которых производится оттиск результата, способных служить формой для отливки пластин для печати.

Новая конструкция

Новаторскую работу над аналитической машиной Бэббидж в основном завершил к 1840 г. и начал разрабатывать новое устройство. В период с 1847 по 1849 год он закончил разработку разностной машины №2, представлявшей собой улучшенную версию оригинала. Эта модификация была рассчитана на операции с 31-разрядными числами и могла привести в табличную форму любой полином 7-го порядка. Дизайн был изящно простым и требовал лишь третью часть от количества деталей первоначальной модели, обеспечивая равную с ней вычислительную мощность.

В разностной и аналитической машинах Чарльза Бэббиджа использовалась одна и та же конструкция устройства вывода, которое не только делало распечатку на бумаге, но и автоматически создавало стереотипы и самостоятельно производило форматирование согласно заданному оператором макету страницы. При этом предусматривалась возможность настройки высоты строки, числа столбцов, ширины полей, обеспечивались автоматическое сворачивание строк или столбцов и расстановка пустых строк для удобства чтения.

Наследие

Помимо нескольких частично созданных механических сборок и тестовых моделей небольших рабочих секций, ни одна из конструкций не была реализована полностью в течение жизни Бэббиджа. Основная собранная в 1832 г. модель была 1/7 частью разностной машины №1, которая состояла примерно из 2 тыс. деталей. Она безупречно работает по сей день и является первым успешным автоматическим вычислительным устройством, которое реализует математические расчеты в механизме. Бэббидж умер, когда собиралась небольшая экспериментальная часть аналитической машины. Многие детали конструкции сохранились, как и полный архив чертежей и записок.

Проекты огромных механических вычислительных машин Бэббиджа считаются одним из потрясающих интеллектуальных достижений XIX века. Только в последние десятилетия его работа была детально изучена, и степень важности того, что он совершил, становится все более очевидной.

Компьютерная грамотность с Надеждой

Заполняем пробелы – расширяем горизонты!

Аналитическая машина Бэббиджа как прообраз первого компьютера

Как я уже писала в статье «Разностная машина Бэббиджа», она не была построена своим создателем. Однако в ходе работы у Бэббиджа возникла идея создания универсального вычислительного автомата, который должен был работать по программе без вмешательства человека.

Такую машину он назвал аналитической. Более 100 лет спустя эта идея была положена в основу создания электронно-вычислительных машин.

Бэббидж является первым автором идеи создания вычислительной машины, которая в наши дни называется компьютером. (Фото из Википедии)

Программы на перфокартах позволят автоматизировать работу

В 1834 году Чарльз Бэббидж описал свою аналитическую машину (Analytical Engine). Это был проект компьютера общего назначения с применением перфокарт, а также парового двигателя в качестве источника энергии.

Перфокарты – так назывались картонные карточки с пробитыми в них отверстиями, использовавшиеся для программного управления аналитической машиной Бэббиджа. Перфокарты представляли из себя куски перфорированного картона.

Впервые перфокарты были применены в 1804 г. французом Жаккаром для механического ткацкого станка, управляемого последовательностями таких карт. В соответствии с положениями отверстий на карте челнок совершал определенные движения, придавая ткани соответствующую структуру.

Кстати, в начале 1980-х свои программы все пользователи-программисты того времени набивали именно на перфокарты.

Перфокарты были необходимы для автоматизации работы аналитической машины, которая достигается за счет работы по заранее составленной человеком программе. Именно Чарльз Бэббидж является родоначальником идеи механической машины с программным управлением.

Действительно, без автоматического программного управления вычислительным процессом каждую последующую операцию машине должен «подсказывать» человек, нажимая на соответствующие кнопки. А осмысленно человек в самом лучшем случае может делать это 1-2 раза в секунду из-за инерционности своей нервной системы.

Следовательно, сколь бы быстро не работали блоки машины, она, выполняя каждую операцию по указанию человека, будет работать медленно – в темпе работы своего хозяина. А что, если заранее ввести в машину программу решения задачи и тем самым«научить» ее решать самостоятельно ту или иную задачу? Вот тогда можно добиться, чтобы машина считала «без оглядки на человека», со свойственной ей, машине, скоростью.

О проекте аналитической машины Бэббиджа

По проекту 1834 г., разработанному Бэббиджем на бумаге, аналитическая машина включала 4 блока:

1. регистры памяти (по терминологии Бэббиджа store — хранилище, склад) – это аналог современного запоминающегося устройства (ЗУ) для хранения исходных данных и результатов;

2. арифметический блок (по терминологии Бэббиджа mill — мельница) – это аналог современного устройства для вычислений;

3. барабан, управляющий операциями машины (control barrel) — прообраз современного устройства управления (УУ);

4. перфокарты – прототип ввода/вывода информации.

Такая схема Вам ничего не напоминает? Ведь это уже практически архитектура электронно-вычислительных машин (ЭВМ). Остается лишь придумать схему совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Это было сделано 100 лет спустя коллективом ученых во главе с американским математиком Джоном фон Нейманом.

Вернемся в 1834 год. Еще не изобретены фотография и электричество, нет телефона и радио. По морям плавают исключительно парусные судна, а на суше лошадь – друг человека.

Читайте также  Как снять рулевую рейку

И вдруг – аналитическая машина, то есть, механическое устройство с идеями автоматического программного управления! Человечество смогло это реализовать спустя более 100 лет благодаря появлению электроники.

В чем отличие аналитической машины от арифмометра

К 1834 г. арифмометр уже был изобретен. Аналитическая машина отличалась от него наличием регистров, что позволяло ей работать по программе, предварительно составленной человеком. В регистрах сохранялся промежуточный результат вычисления, и с их же помощью выполнялись действия, предписанные «программой».

Изобретение регистров предоставляло такие вычислительные возможности, которые поразили Бэббиджа по сравнению с его первой разностной машиной: «Шесть месяцев я составлял проект машины, более совершенной, чем первая. Я сам поражен той вычислительной мощностью, которой она будет обладать; еще год назад я не смог бы в это поверить».

Как уже отмечалось, в единую логическую схему Бэббидж увязал арифметическое устройство («мельница»), регистры памяти, объединенные в единое целое («склад»), и третье устройство, которому автор не дал названия. Оно было реализовано с помощью перфокарт трёх типов:

  1. операционные карты (англ. operation card) служили для переключения машины между режимами сложения, вычитания, деления и умножения;
  2. карты переменных (англ. variable card) управляли передачей информации со «склада» на «мельницу» и обратно;
  3. числовые перфокарты могли быть использованы для ввода данных в машину, а также для сохранения промежуточных результатов вычислений, если место на «складе» было ограничено.

Кроме того, из операционных карт можно было составить библиотеку функций. По замыслу автора аналитическая машина должна была содержать устройство печати и устройство вывода результатов на перфокарты для последующего использования. Таким образом, именно Бэббидж стал автором идеи ввода-вывода данных в машину.

Аналитическая машина не была построена

Изобретатель писал в 1851 г.: «Все разработки, связанные с Analytical Engine, выполнены за мой счет. Я провел целый ряд экспериментов и дошел до черты, за которой моих возможностей не хватает. В связи с этим я вынужден отказаться от дальнейшей работы».

Бэббидж сделал более 200 чертежей ее различных узлов и около 30 вариантов общей компоновки машины. Очевидно, что изобретатель намного опередил свое время. Не случайно в конце жизни он скажет: «Я готов отдать последние годы своей жизни за то, чтобы прожить три дня через 150 лет, и чтобы мне подробно объяснили принцип работы будущих машин».

Статья закончилась, но можно еще прочитать:

Машина Бэббиджа

Ра́зностная маши́на Чарльза Бэббиджа (альт. перевод Машина различий) — механический аппарат, изобретённый английским математиком Чарльзом Бэббиджем, предназначенный для автоматизации вычислений путём аппроксимации функций многочленами и вычисления конечных разностей. Возможность приближённого представления в многочленах логарифмов и тригонометрических функций позволяет рассматривать эту машину как довольно универсальный вычислительный прибор.

Содержание

История создания

Чарльз Бэббидж, находясь во Франции, познакомился с работами Гаспара де Прони, занимавшего должность руководителя бюро переписи при французском правительстве с 1790 по 1800 гг. Прони, которому было поручено выверить и улучшить логарифмические тригонометрические таблицы для подготовки к введению метрической системы, предложил распределить работу по трём уровням. На верхнем уровне группа крупных математиков занималась выводом математических выражений, пригодных для численных расчётов. Вторая группа вычисляла значения функций для аргументов, отстоящих друг от друга на пять или десять интервалов. Подсчитанные значения входили в таблицу в качестве опорных. После этого формулы отправляли третьей, наиболее многочисленной группе, члены которой проводили рутинные расчёты и именовались «вычислителями». От них требовалось только аккуратно складывать и вычитать в последовательности, определенной формулами, полученными от второй группы. Работы де Прони (так и не законченные ввиду революционного времени) навели Бэббиджа на мысль о возможности создания машины, способной заменить третью группу — вычислителей. В 1822 году Бэббидж опубликовал статью с описанием такой машины, а вскоре приступил к её практическому созданию. Как математику, Бэббиджу был известен метод аппроксимации функций многочленами и вычислением конечных разностей. С целью автоматизации этого процесса он начал проектировать машину, которая так и называлась — разностная. Эта машина должна была уметь вычислять значения многочленов до шестой степени с точностью до 18-го знака.

В том же 1822 году Бэббиджем была построена модель разностной машины, состоящая из валиков и шестерней, вращаемых вручную при помощи специального рычага. Заручившись поддержкой Королевского общества, посчитавшего его работу «в высшей степени достойной общественной поддержки», Бэббидж обратился к правительству Великобритании с просьбой о финансировании полномасштабной разработки. В 1823 году правительство Великобритании предоставило ему субсидию в размере 1500 фунтов стерлингов (общая сумма правительственных субсидий, полученных Бэббиджем на реализацию проекта, составила в конечном счёте 17 000 фунтов стерлингов).

Разрабатывая машину, Бэббидж и не представлял всех трудностей, связанных с её реализацией, и не только не уложился в обещанные три года, но и спустя девять лет вынужден был приостановить свою работу. Однако часть машины все же начала функционировать и производила вычисления даже с большей точностью, чем ожидалось.

Конструкция разностной машины основывалась на использовании десятичной системы счисления. Механизм приводился в действие специальными рукоятками. Когда финансирование создания разностной машины прекратилось, Бэббидж занялся проектированием гораздо более общей Аналитической машины, но затем всё-таки снова вернулся к первоначальной разработке. Улучшенный проект, над которым он работал между 1847 и 1849 годами, носил название Разностная машина номер 2 (англ. Difference Engine No. 2 ).

Основываясь на работах и советах Бэббиджа, шведский издатель, изобретатель и переводчик Пер Георг Шойц (швед. Georg Scheutz ) начиная с 1854 года сумел построить несколько разностных машин и даже сумел продать одну из них канцелярии английского правительства в 1859 году. В 1855 году Разностная машина Шойца получила золотую медаль Всемирной выставки в Париже. Спустя некоторое время другой изобретатель Мартин Виберг (швед. Martin Wiberg ) улучшил конструкцию машины Шойца и использовал её для расчёта и публикации печатных логарифмических таблиц.

В период 1989 по 1991 год к двухсотлетию со дня рождения Чарльза Бэббиджа на основе его оригинальных работ в лондонском Музее Науки была собрана работающая копия разностной машины номер 2. В 2000 году в том же музее заработал принтер, также придуманный Бэббиджем для своей машины. После устранения обнаруженных в старых чертежах небольших конструкционных неточностей, обе конструкции заработали безупречно. Эти эксперименты подвели черту под долгими дебатами о принципиальной работоспособности конструкций Чарльза Бэббиджа (некоторые исследователи полагают, что Бэббидж умышленно вносил неточности в свои чертежи, пытаясь таким образом защитить свои творения от несанкционированного копирования).

Аналитическая машина

Несмотря на то, что разностная машина не была построена её изобретателем, для будущего развития вычислительной техники главным явилось другое: в ходе работы у Бэббиджа возникла идея создания универсальной вычислительной машины, которую он назвал аналитической и которая стала прообразом современного компьютера. В единую логическую схему Бэббидж увязал арифметическое устройство (названное им «мельницей»), регистры памяти, объединенные в единое целое («склад»), и устройство ввода/вывода, реализованное с помощью перфокарт трёх типов. Перфокарты операций переключали машину между режимами сложения, вычитания, деления и умножения. Перфокарты переменных управляли передачей информации со «склада» на «мельницу» и обратно. Числовые перфокарты могли быть использованы как для ввода данных в машину, так и для сохранения результатов вычислений, если место на «складе» было ограничено.

Влияние на культуру

В 1990 году Майклом Флинном был написан фантастический роман «В стране слепых» (англ. In the Country of the Blind ), в котором рассказывается о некой тайной организации, с помощью усовершенствованных аналитических машин Чарльза Бэббиджа математически рассчитывавшую возможное развитие событий и таким образом получившую возможность влиять на ход истории.

В 1992 году Брюсом Стерлингом и Уильямом Гибсоном написан фантастический роман в стилистике стимпанка «Машина различий» (англ. The Difference Engine ), где также описывается разностная машина.