Машина Бэббиджа

1835—1900-е: первые программируемые машины

Определяющая особенность «универсального компьютера» — это программируемость, что позволяет компьютеру эмулировать любую другую вычисляющую систему всего лишь заменой сохранённой последовательности инструкций.

В 1835 году Чарльз Бэббидж описал свою аналитическую машину. Это был проект компьютера общего назначения, с применением перфокарт в качестве носителя входных данных и программы, а также парового двигателя в качестве источника энергии. Одной из ключевых идей было использование шестерней для выполнения математических функций.

Часть Разностной машины Бэббиджа, собранная после его смерти сыном из частей, найденных в лаборатории

Его первоначальной идеей было использование перфокарт для машины, вычисляющей и печатающей логарифмические таблицы с большой точностью (то есть для специализированной машины). В дальнейшем эти идеи были развиты до машины общего назначения — его «аналитической машины».

Хотя планы были озвучены и проект, по всей видимости, был реален или, по крайней мере, проверяем, при создании машины возникли определённые трудности. Бэббидж был человеком, с которым трудно было работать, он спорил с каждым, кто не отдавал дань уважения его идеям. Все части машины должны были создаваться вручную. Небольшие ошибки в каждой детали, для машины, состоящей из тысяч деталей, могли вылиться в значительные отклонения, поэтому при создании деталей требовалась точность, необычная для того времени. В результате, проект захлебнулся в разногласиях с исполнителем, создающим детали, и завершился с прекращением государственного финансирования.

Ада Лавлейс, дочь лорда Байрона, перевела и дополнила комментариями труд «Sketch of the Analytical Engine». Её имя часто ассоциируют с именем Бэббиджа. Утверждается также, что она является первым программистом, хотя это утверждение и значение её вклада многими оспаривается.

Реконструкция 2-го варианта Разностной машины — раннего, более ограниченного проекта, действует в Лондонском музее науки с 1991 года. Она работает именно так, как было спроектировано Бэббиджем, лишь с небольшими тривиальными изменениями, и это показывает что Бэббидж в теории был прав. Для создания необходимых частей, музей применил машины с компьютерным управлением, придерживаясь допусков, которые мог достичь слесарь того времени. Некоторые полагают, что технология того времени не позволяла создать детали с требуемой точностью, но это предположение оказалось неверным. Неудача Бэббиджа при конструировании машины, в основном, приписывается трудностям, не только политическим и финансовым, но и его желанию создать очень изощрённый и сложный компьютер.

По стопам Бэббиджа, хотя и не зная о его более ранних работах, шёл Percy Ludgate, бухгалтер из Дублина (Ирландия). Он независимо спроектировал программируемый механический компьютер, который он описал в работе, изданной в 1909 году.

Впервые перфокарты появились приблизительно в 1800 году, их использовал Джеквард Лум. Он производил раскрой ткани по образцам, представленным перфокартами. Идея перфокарт нашла также практическое применение в ткацких станках Ж. Жаккара (1804) и вычислительной машине Ч. Бэббиджа (1833). Позже аналогичная технология стала использоваться в механических пианино.

Важной личностью в истории создания вычислительных машин на перфокартах является Г. Холлерит. В 1890 г. он использовал технологию перфокарт для выполнения переписи населения Соединенных Штатов

Идея Холлерита состояла в том, чтобы для каждого человека завести специальную карточку - перфокарту, в которой были бы данные о человеке. Эти данные должны были заноситься в карточку в виде отверстий, чтобы облегчить их обработку

Сведения заносились на перфокарту вручную с помощью пробивного устройства - перфоратора. На лицевой панели перфоратора имелась карта - шаблон признаков с отверстиями, над лицевой панелью по всей карте перемещался специальный рычаг со штифтом на конце. Если чистую перфокарту клали в специальную раму и опускали штифт в отверстие, соответствующее какому-либо признаку, то специальное устройство в раме пробивало идентичный знак в той же позиции. Так как работа на перфораторе совершалась вручную, то быстрота ее выполнения зависела от умения и навыков работающего, всего в час можно было заполнить не более 80 карточек.

Информация, занесенная на перфокарты, обрабатывалась табулятором. Это было массивное устройство, работающее от электрических батарей. Перфокарту загружали в специальный воспринимающий пресс, который считывал информацию и передавал ее на табулятор. Считывание происходило следующим образом: в воспринимающем прессе были специальные контактные иглы, которые проходили через отверстия, пробитые в перфокарте, и замыкали электрическую цепь. Электрический ток проходил по проводам и достигал табулятора, на лицевой панели которого были счетчики. Каждый счетчик соответствовал какому-нибудь определенному признаку. По окончании обработки перфокарт, каждый счетчик показывал, сколько раз в его позиции замыкалась цепь.

В 50-е годы ХХ века появились компьютеры и потеснили перфорационные комплексы. Появилась возможность записывать данные на магнитную ленту (с помощью перфолент или тех же перфокарт), сортировать их и проводить накопление информации в требуемом разрезе. 20% перфокарт переписи населения США 1950г. были обработаны с использованием первого коммерческого компьютера UNIVAC I (остальные 80% - обычными табуляторами).

Перфокарты по-прежнему служили для ввода информации в ЭВМ. На них записывали и хранили программы на Фортране и других языках. Они использовались как внешняя память.

По данным Британского музея науки и технологий производство табуляторов было свернуто примерно в 1965 г. Однако устройства переноса информации на перфокарты и ввода их в компьютер прожили еще два десятка лет.

Так что же такое перфокарта?

Перфокарта - это небольшие, картонные легкие бланки с размерами по ГОСТу 187,4х82,5 мм. Информация располагается по строкам и колонкам. Перфокарта может содержать до 80 колонок информации, в каждой колонке располагается один символ. Обычно на перфокарте колонки с 1 по 26 содержат буквенные символы от A до Z соответственно, а колонки с 36 до 45 содержат десятичные цифровые символы от 0 до 9. Также были дополнительные символы +, -, ., ,, (,), *, /, $, = и пробел. Каждый символ представляется единственной свойственной только ему конфигурацией отверстий в колонке перфокарты. Пробел представляется колонкой без отверстий.

Сначала считыватели перфокарт были механическими - восемь контактов ощупывали восемь дорожек, пролетающей мимо перфокарты, а потом пошли фотосчитыватели, и процесс стал бесконтактным. На одной перфокарте помещалась одна строка программы. Соответственно, в среднем, весь текст программы представлял собой довольно внушительную по толщине колоду перфокарт, которые обкладывались сверху и снизу пластмассовыми или картонными полосками, чтобы перфокарты не мялись. Чтобы внести изменения в программу, нужно было выбить на перфокартах команду и новую строчку программы. Поэтому в те времена была совсем другая философия программирования. Программистам нужно было десятки раз прогнать в уме всю программу, выискивая всевозможные ошибки

2 Перфолента

Перфорационная лента, перфорированная лента, перфолента, носитель информации в виде бумажной, целлулоидной или полиэтилентерефталатной (лавсановой) ленты, на которую информация наносится пробивкой отверстий (перфораций). Преимущественное распространение получили перфоленты из плотной бумаги, шириной 17,5; 20,5; 22,5 и 25,4 мм и толщиной около 0,1 мм. Ширина и толщина перфоленты, форма отверстий и их расположение обычно определяются материалом, из которого изготовлена лента, и конструкцией перфоратора. П. л. имеют от 5 до 8 информационных дорожек и одну (обычно посередине) транспортную с непрерывной, более мелкой перфорацией. Число дорожек соответствует числу элементов кода (двоичных разрядов), одновременно записываемых или считываемых с ленты.

Информация наносится на перфоленту механическими или электромеханическими перфораторами со скоростью до 300 строк в сек; воспроизведение (считывание) информации осуществляется электромеханическими трансмиттерами или с помощью фотоэлементов со скоростью до 3000 строк в сек. Перфоленты служат для длительного хранения и многократного воспроизведения информации. Перфоленты уступают по прочности перфорационным картам, но устройства, работающие с ними., обычно проще и дешевле устройств на перфокартах и обладают большим быстродействием. В отличие от магнитных лент, информация, записанная на перфоленту, доступна для чтения без специальных устройств, однако перфолента. может быть использована только для однократной записи, исправление нанесённых на ней. данных затруднено, склейка ленты существенно ухудшает её механические свойства. Перфоленты используют в ЭВМ для ввода и вывода информации, в быстродействующих телеграфных аппаратах, пишущих автоматах, технологических устройствах и агрегатах с программным управлением.

Менее распространены перфоленты из обычной киноплёнки (предварительно зачернённой); они применялись главным образом в устройствах ввода данных некоторых ЭВМ. С 60-х гг. за рубежом и в СССР стали применять П. л. на полиэтилентерефталатной основе, прочность которых значительно выше бумажных.

Основные недостатки перфокарт и перфолент — ограниченная информационная плотность записи (до 102 бит на 1 см2) и малая механическая прочность.

Так почти 350 лет тому назад появились предшественники современных микрокалькуляторов. Вся эта группа средств обработки информации, включающая в себя и суммирующие «часы» Шиккарда, и машину Паскаля, и широко распространенные в конце XIX и начале XX веков арифмометры Томаса и Орднера, и нынешние микрокалькуляторы, отличается тем, что человек непосредственно участвует в вычислительном процессе на всех его этапах. В частности, человек не только определяет последовательность выполняемых действий, но и осуществляет собственно вычисления.

В ходе промышленной революции появились и стали широко использоваться бумажные ленты и карты с отверстиями – перфоленты и перфокарты, которые являются разновидностью долговременных носителей информации. С помощью определенных комбинаций отверстий на перфолентах и перфокартах задавался конкретный план работы различных устройств. Примером такого рода устройств является автоматический ткацкий станок, изобретенный во Франции в 1804-1808 годах Жозефом Жаккардом. Работой этого станка управляла перфокарта с заранее нанесенными на нее отверстиями. Наличие или отсутствие отверстия в перфокарте заставляло подниматься или опускаться нить при одном ходе челнока. Станок Жаккарда был первым массовым промышленным устройством, автоматически (то есть без прямого вмешательства человека) работающим по заданному плану. План выполнения действий является особого рода информацией, использование которой позволяет достичь заданной цели.

Таким образом, в частном случае производства роль человека свелась к составлению плана выполнения нужных действий, а сами действия уже выполнялись без участия человека – автоматически. Естественным образом должна была возникнуть мысль о том, что машине можно поручить не только выполнение действий по изготовлению тканей. По-видимому, можно попытаться поручить ей и выполнение некоторых вычислений, которые, как уже было отмечено ранее, представляли собой наиболее важную в то время разновидность действий по обработке информации. Такая мысль возникла у английского математика Чарльза Бэббиджа в начале XIX века. В 1822 году он опубликовал статью с описанием так называемой «разностной» машины, предназначенной для вычисления и печати таблиц математических функций. Затем Бэббидж начал работать над проектом реализации машины, которую впоследствии стали называть «аналитической». Первый эскиз этой машины появился в 1834 году. Однако, несмотря на несколько десятилетий работы и затраченные усилия, Бэббиджу не удалось реализовать свою идею, в основном из-за несовершенства материальной и технической базы того периода. Проект машины Бэббиджа, опередивший свое время, содержал все основные компоненты вычислительных машин, появившихся почти 100 лет спустя. Основная его идея не была забыта, она сыграла важную роль в дальнейшем развитии средств обработки информации. Эта идея полностью исключала участие человека в вычислительном процессе, сводя его роль к подготовке необходимых числовых данных и, как и в случае с ткацким станком Жаккарда, составлению программы, то есть плана выполнения вычислений, зафиксированного в некоторой специальной форме. Собственно процесс обработки информации должен был выполняться автоматически по заданной программе. Несмотря на то, что аналитическая машина Бэббиджа имелась только в виде проекта, для нее была составлена первая в мире программа.

В 1822 году англичанин Чарльз Бэббидж построил вычислительное устройство, названное им Разностной Машиной (Difference Engine). Работа машины основывалась на известном в математике методе конечных разностей. Этот метод позволяет вычислять значения многочленов, употребляя только операцию сложения и не выполняя при этом умножение и деление, которые значительно труднее поддаются автоматизации. Однако Difference Engine имела ограниченные возможности и развития не получила. Но всё же для того времени это был существенный прорыв в данной ветви техники.

Бэббидж не остановился на сделанном и пошёл дальше. С тридцатых годов он стал думать над созданием программируемой машины – он назвал её Аналитической машиной (Analytical Engine). Он не смог довести работы до конца по той причине, что Analytical Engine оказалась слишком сложна для техники того времени. Но идеи, которые он озвучил, – это были действительно революционные идеи! Он придумал практически современный компьютер, но не в электронном, а в механическом исполнении.

Из чего состояла его машина? По замыслу Бэббиджа, Analytical Engine имела следующие функциональные узлы:
1. «Склад» для хранения чисел (память);
2. «Мельница», арифметическое устройство (процессор);
3. Устройство, управляющее последовательностью операций в машине (Бэббидж никак его не назвал, сейчас используется термин «устройство управления»);
4. Устройства ввода и вывода данных.

На вход машины должны были поступать два потока перфокарт, которые Бэббидж назвал operation card (операционными картами) и variable card (картами переменных): первые управляли процессом обработки данных, которые были записаны на вторых. Информация заносилась на перфокарты путем пробивки отверстий. Из операционных карт можно было составить библиотеку функций. Помимо этого, Analytical Engine, по замыслу автора, должна была содержать устройство печати и устройство вывода результатов на перфокарты для последующего использования. Можно смело сказать, что Бэббидж первым использовал перфокарты для ввода-вывода информации в машину. Правда, до него в начале века перфокарты предложил использовать Жозеф Мари Жаккар для быстрого перехода с узора на узор в ткацких станках.

Бэббидж не закончил своей машины. Во-первых, у него не хватило денег, ведь все узлы он изготавливал за свой счёт. Во-вторых, а это более важно, в то время техника не позволяла делать детали с нужной точностью, а для Analytical Engine было необходимо огромное количество зубчатых колёс.

Аналитическая машина Бэббиджа

Рассматривая возможности разностной машины, сле­дует отметить, что  Бэббидж

впервые предложил машину, которая, в отличие от всех предшествующих, могла не

только производить один раз заданное действие, но и осу­ществлять целую