Бурный рост использования компьютеров начался
Вычислительная техника является важнейшим компонентом процесса вычислений и обработки данных. Первыми приспособлениями для вычислений были, вероятно, всем известные счётные палочки, которые и сегодня используются в начальных классах многих школ для обучения счёту. Развиваясь, эти приспособления становились более сложными, например, такими как финикийские глиняные фигурки, также предназначаемые для наглядного представления количества считаемых предметов, однако для удобства помещаемые при этом в специальные контейнеры. Такими приспособлениями, похоже, пользовались торговцы и счетоводы того времени.
Постепенно из простейших приспособлений для счёта рождались всё более и более сложные устройства: абак (счёты), логарифмическая линейка, механический арифмометр, электронный компьютер. Несмотря на простоту ранних вычислительных устройств, опытный счетовод может получить результат при помощи простых счёт даже быстрее, чем нерасторопный владелец современного калькулятора. Естественно, сама по себе, производительность и скорость счёта современных вычислительных устройств давно уже превосходят возможности самого выдающегося расчётчика-человека.
Перфокарточная система музыкального автомата
В 1801 году Жозеф Мари Жаккар разработал ткацкий станок, в котором вышиваемый узор определялся перфокартами. Серия карт могла быть заменена, и смена узора не требовала изменений в механике станка. Это было важной вехой в истории программирования. В 1838 году Чарльз Бэббидж перешёл от разработки Разностной машины к проектированию более сложной аналитической машины, принципы программирования которой напрямую восходят к перфокартам Жаккара. В 1890 году Бюро Переписи США использовало перфокарты и механизмы сортировки, разработанные Германом Холлеритом, чтобы обработать поток данных десятилетней переписи, переданный под мандат в соответствии с Конституцией. Компания Холлерита в конечном счёте стала ядром IBM. Эта корпорация развила технологию перфокарт в мощный инструмент для деловой обработки данных и выпустила обширную линию специализированного оборудования для их записи. К 1950 году технология IBM стала вездесущей в промышленности и правительстве. Во многих компьютерных решениях перфокарты использовались до (и после) конца 1970-х.
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. 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.
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.
И вдруг – аналитическая машина, то есть, механическое устройство с идеями автоматического программного управления! Человечество смогло это реализовать спустя более 100 лет благодаря появлению электроники.
О том как устроено IT. Пост 1. Механические вычислительные устройства.
Итак, пилот нашел своего читателя поэтому продолжаем. В этом посте расскажу про различные механический вычислительные устройства.
Самое древнее известное механическое устройство — Антикитерский механизм. Поднятое в 1901 году с древнего судна. Остатки судна и его груз обнаружены греческим водолазом 4 апреля 1900 года недалеко от греческого острова Антикитера. Механизм датируется приблизительно 100 годом до н. э., по другим источникам 150 года до н. э. или 205 года до н. э. Хранится в Национальном археологическом музее в Афинах.
Антикитерский механизм (Фрагмент A — спереди)
Антикитерский механизм (Фрагмент A — сзади)
Механизм содержал не менее 30 бронзовых шестерён в прямоугольном деревянном корпусе, на бронзовых передней и задней панелях которого были размещены циферблаты со стрелками. Две прямоугольные бронзовые защитные пластины прикрывали переднюю и заднюю панель. Ориентировочные размеры в сборе 31,5×17×6 см.
Механизм использовался для расчёта движения небесных тел и позволял узнать дату 42 астрономических событий; для вычисления лунных фаз использовалась дифференциальная передача, изобретение которой исследователи долгое время относили не ранее чем к XVI веку. Впрочем, с уходом античности навыки создания таких устройств были позабыты; потребовалось около полутора тысяч лет, чтобы люди вновь научились создавать похожие по сложности механизмы. С помощью специально разработанной компьютерной программы определено что устройство было сделано в полосе северной широты 33,3-37. Oстров Родос (36,4 с.ш.) и Сиракузы (37,1 с.ш.) часто предлагаются в качестве мест, где изготовлен или применялся антикитерский механизм.
Устройства, аналогичные антикитерскому механизму, упоминаются более чем в дюжине литературных произведений, которые написаны с 300 года до н. э. по 500 год н. э.
Первые исследования механизма проводились с 1902 по 1910 и с 1925 по 1930 годы. Уже в ходе первых осмотров прибора стало ясно, что астролябия, как некоторые изначально называли этот сложный прибор, была гораздо более продвинутой, чем любые известные астролябии. Редиадис, Радос и Теофанидис (все — греческие военно-морские офицеры и адмиралы) написали ряд статей на эту тему с 1903 по 1930 годы. Теофанидис сконструировал первую бронзовую модель астрономических часов, которые показывали некоторые из планет. Но более серьёзные результаты были получены с помощью рентгеновских исследований Прайсом в 1951—1978 годах.
В 1623 году Вильгельм Шиккард изобрел «Считающие часы» — первый арифмометр, умевший выполнять четыре арифметических действия. Считающими часами устройство было названо потому, что, как и в настоящих часах, работа механизма была основана на использовании звёздочек и шестерёнок. Это изобретение нашло практическое использование в руках друга Шиккарда, философа и астронома Иоганна Кеплера.
За Считающими часами последовали машины Блеза Паскаля («Паскалина», 1642 г.) и Готфрида Вильгельма Лейбница — арифмометр Лейбница.
Суммирующая машина Паскаля. Француз Блез Паскаль начал создавать суммирующую машину «Паскалину» в 1642 году в возрасте 19 лет, наблюдая за работой своего отца, который был сборщиком налогов и часто выполнял долгие и утомительные расчёты.
Машина Паскаля представляла собой механическое устройство в виде ящичка с многочисленными связанными одна с другой шестерёнками.
Складываемые числа вводились в машину при помощи соответствующего поворота наборных колёсиков. На каждое из этих колёсиков, соответствовавших одному десятичному разряду числа, были нанесены деления от 0 до 9. При вводе числа колесики прокручивались до соответствующей цифры. Совершив полный оборот, избыток над цифрой 9 колёсико переносило на соседний разряд, сдвигая соседнее колесо на 1 позицию. Ответ появлялся в верхней части металлического корпуса.
Несмотря на преимущества автоматических вычислений, использование десятичной машины для финансовых расчётов в рамках действовавшей в то время во Франции денежной системы было затруднительным. Расчёты велись в ливрах, су и денье. В ливре насчитывалось 20 су, в су — 12 денье. Использование десятичной системы в недесятичных финансовых расчётах усложняло и без того нелёгкий процесс вычислений. Тем не менее примерно за 10 лет Паскаль построил около 50 и даже сумел продать около дюжины вариантов своей машины. Несмотря на вызываемый ею всеобщий восторг, машина не принесла богатства своему создателю. Сложность и высокая стоимость машины в сочетании с небольшими вычислительными способностями служили препятствием её широкому распространению. Тем не менее, заложенный в основу «Паскалины» принцип связанных колёс почти на три столетия стал основой для большинства создаваемых вычислительных устройств.
Схему подобного арифмометру механизма нарисовал Леонардо да Винчи. Это устройство датируется 1500 годом и представляет собой 13-разрядную суммирующую машину на десятизубых колёсах. Однако в своё время идеи Леонардо никакого распространения не получили.
Арифмометр Лейбница. Идея создания машины, выполняющей вычисления, появилась у выдающегося немецкого математика и философа Готфрида Вильгельма Лейбница после его знакомства с голландским математиком и астрономом Христианом Гюйгенсом. Огромное количество вычислений, которое приходилось делать астроному, навело Лейбница на мысль о создании механического устройства, которое могло бы облегчить такие расчёты («Поскольку это недостойно таких замечательных людей, подобно рабам, терять время на вычислительную работу, которую можно было бы доверить кому угодно при использовании машины»).
Арифмометр был создан Лейбницем в 1673 году. Сложение чисел выполнялось в десятичной системе счисления при помощи связанных друг с другом колёс, так же как на вычислительной машине Блеза Паскаля. Добавленная в конструкцию движущаяся часть и специальная рукоятка, позволявшая крутить ступенчатое колесо (в последующих вариантах машины — цилиндры), позволяли ускорить повторяющиеся операции сложения, при помощи которых выполнялось деление и перемножение чисел. Необходимое число повторных сложений выполнялось автоматически.
Копия арифмометра Лейбница в Немецком музее.
Были построены два прототипа, до сегодняшнего дня только один сохранился в Национальной библиотеке Нижней Саксонии в Ганновере, Германия. Несколько поздних копий находятся в музеях Германии, например, один в Немецком музее в Мюнхене.
Несмотря на недостатки арифмометра Лейбница, он дал изобретателям арифмометров новые возможности. Привод, изобретённый Лейбницем — шагающий цилиндр или колесо Лейбница — использовался во многих вычислительных машинах на протяжении 300 лет, до 1970-х годов.
Лейбниц также описал двоичную систему счисления — один из ключевых принципов построения всех современных компьютеров. Однако, вплоть до 1940-х многие последующие разработки были основаны на более сложной в реализации десятичной системе.
В 1820 году Шарль Ксавье Тома де Кольмар создал первое серийно выпускавшееся механическое счётное устройство — арифмометр Томаса, который мог складывать, вычитать, умножать и делить. В основном, он был основан на работе Лейбница.
В 1845 году Израиль Штаффель представил счётную машину, которая кроме четырёх арифметических действий могла извлекать квадратные корни. Арифмометры, считающие десятичные числа, использовались до 1970-х.
Вычислительная машина Штаффеля. Ни один экземпляр машины не сохранился до XXI века. Её конструкция известна только по историческим источникам, в основном, это статьи для прессы, отчёты и решения жюри c выставок, на которых демонстрировалась машина.
Создатель машины, Израиль Авраам Штаффель, был жителем Варшавы, по профессии — часовщик. Штаффель вырос в бедной еврейской семье и не имел доступа к научным публикациям, рассказывающих о последних изобретениях Западной Европы. Выучил польский язык, что позволило ему читать научно-технические публикации по механике, издаваемые в Царстве Польском. Неизвестно, было ли ему известно о счётных машинах других варшавских изобретателей, Авраама Штерна или Хаима Слонимского, и поэтому невозможно достоверно утверждать, как те повлияли на сконструированное им устройство. Штаффель не был знаком с конструкцией арифмометра де Кольмара или других счётных машин, созданных в Западной Европе. В связи с этим следует предположить, что построенная им машина была его собственным изобретением, мало похожей на разработанные ранее вычислительные устройства. Штаффель начал строить машину в 1835 году и закончил работы через 10 лет. Впервые он продемонстрировал машину публике в 1845 году. Позже Штаффель представил ещё несколько моделей машины, содержащих различные усовершенствования. В 1845 году на промышленной выставке в Варшаве Израиль Авраам Штаффель был награждён серебряной медалью. В комитет, присуждающий медаль. В описании машины отмечалось значительное снижение времени, необходимого на выполнение вычислений по сравнению с ручными расчётами на бумаге.
В том же 1845 году Штаффель ознакомил с машиной министра народного просвещения, президента Петербургской академии наук Уварова, когда тот был в Варшаве, Уваров обещал ему содействие. После получения Штаффелем серебряной медали на выставке наместник Царства Польского Паскевич, князь Варшавский, выдал ему 150 рублей на поездку в Санкт-Петербург для представления машины в академии наук.В 1846 году Уваров поручил академии исследовать машину. По результатам исследования она получила широкое признание среди членов академии. В 1851 году машина вместе с некоторыми другими устройствами Штаффеля была представлена на Всемирной выставке в Лондоне. Машина Штаффеля получила серебряную медаль и была признана лучшей из вычислительных машин, участвовавших в выставке.
Механизм машины был основан на колесе Лейбница.
В 1804 году Жозеф Мари Жаккар разработал ткацкий станок, в котором вышиваемый узор определялся перфокартами. Серия карт могла быть заменена, и смена узора не требовала изменений в механике станка. Это было важной вехой в истории программирования.
Перфокарточная система музыкального автомата
В 1832 году Семен Корсаков применил перфорированные карты в конструкции разработанных им «интеллектуальных машин», механических устройств для информационного поиска, являющихся прообразами современных баз данных и, в какой-то степени, — экспертных систем. С. Н. Корсаков является пионером русской кибернетики. Основное стремление С. Н. Корсакова — усиление возможностей разума посредством разработки научных методов и специальных устройств. В первой половине XIX века он изобрел и сконструировал ряд действующих механических устройств, функционирующих на основе перфорированных таблиц и предназначенных для задач информационного поиска и классификации.
Гомеоскоп прямолинейный с неподвижными частями. Он представляет собой наиболее простое из всех устройств Корсакова. Пользуясь им, можно найти среди большого числа записей, отображённых в гомеоскопической перфорированной таблице, ту, которая содержит все признаки другой заданной записи.
Гомеоскопы прямолинейные
Гомеоскоп прямолинейный с подвижными частями. Он может указывать то же самое, что и гомеоскоп прямолинейный с неподвижными частями, и в дополнение к этому он находит и отделяет из заданной записи все те признаки, которые соответствуют (или не соответствуют) аналогичным признакам других записей в таблице.
Плоский гомеоскоп. Плоский гомеоскоп аналогично указывает соответствия, имеющиеся у сравниваемых между собой записей, число признаков которых может достигать многих тысяч. С. Н. Корсаков утверждает, что число признаков можно довести до одного миллиона, используя, так называемые, градуированные стержни. В целом плоский гомеоскоп позиционируется Корсаковым как устройство для обработки больших массивов данных.
Идеоскоп представляет наиболее «хитроумное» из всех пяти устройств, предложенных С. Н. Корсаковым. Идеоскоп одновременно позволяет выполнить исчисление следующих значений:
множество вообще возможных признаков, но отсутствующих в заданной и сравниваемой записях
множество признаков заданной записи, но которых нет в сравниваемой записи из идеоскопической таблицы
множество общих признаков для заданной и сравниваемой записей
множество общих наиболее важных признаков
множество наиболее важных признаков сравниваемой записи из таблицы, но которые отсутствуют в заданной записи
множество признаков сравниваемой записи из таблицы, которые отсутствуют в заданной записи.
Простой компаратор. Компаратор определяет те же операции с множествами, что и идеоскоп. Преимущество компаратора заключается в том, что признаки сравниваемых идей можно задать непосредственно (динамически) перед началом сравнения, не требуется заранее подготавливать и использовать перфорированные таблицы. Ограничение состоит в том, что за один раз возможно сравнение только двух идей.
В целом, изобретенные С. Н. Корсаковым машины позволяют быстро находить, сравнивать и классифицировать множества информационных записей (идей) по набору многочисленных признаков (деталей). C. Н. Корсаков позиционирует свои машины как усиливающие человеческий разум для одновременного охвата большого количества объектов и их сравнения по множеству признаков. Для реализации своих машин С. Н. Корсаков по существу впервые применил перфорированные карты в информатике. В работах С. Н. Корсакова содержится целый ряд новых для того времени идей, как то: многокритериальный поиск с учетом относительной степени важности различных критериев, способ обработки больших массивов данных, предтеча современных экспертных систем, и даже попытка определить понятие алгоритма.
С. Н. Корсаков предпринял два шага к продвижению своих изобретений. В 1832 г. им была издана брошюра «Начертание нового способа исследования при помощи машин, сравнивающих идеи». По традиции того времени, брошюра была написана на французском языке. В том же году С. Н. Корсаков предпринимает попытку представить свои изобретения на суд Императорской Академии наук в Санкт-Петербурге. Однако С. Н. Корсакову не повезло. Изобретения его не были в должной мере оценены современниками и не получили официальной поддержки. Заключение комиссии содержало ироническое замечание: «Г-н Корсаков потратил слишком много разума на то, чтобы научить других обходиться без разума».
В 1838 году Чарльз Бэббидж перешёл от разработки Разностной машины к проектированию более сложной аналитической машины, принципы программирования которой напрямую восходят к перфокартам Жаккара.
Разностная машина Чарльза Бэббиджа. Предназначен 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.
Первая идея разностной машины была выдвинута немецким инженером Иоганном Мюллером в книге, изданной в 1788 году. Беббидж был знаком со статьёй Мюллера в переводе Джона Гершеля, но поскольку дата перевода неизвестна — было ли это до постройки Беббиджем машины или уже после, то остаётся неизвестным, находился ли Беббидж под влиянием работ Мюллера.
В 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 вернулся к первоначальной разработке. Улучшенный проект, над которым он работал между 1847 и 1849 годами, носил название «Разностная машина № 2».
Копия разностной машины в лондонском Музее науки
Несмотря на неудачу с разностной машиной, Бэббидж в 1833 году задумался о создании программируемой вычислительной машины, которую он назвал аналитической (прообраз современного компьютера). В отличие от разностной машины, аналитическая машина позволяла решать более широкий ряд задач. Именно эта машина стала делом его жизни и принесла посмертную славу. Он предполагал, что построение новой машины потребует меньше времени и средств, чем доработка разностной машины, так как она должна была состоять из более простых механических элементов. С 1834 года Бэббидж начал проектировать аналитическую машину.
Архитектура современного компьютера во многом схожа с архитектурой аналитической машины. В аналитической машине Бэббидж предусмотрел следующие части: склад (store), фабрика или мельница (mill), управляющий элемент (control) и устройства ввода-вывода информации.Склад предназначался для хранения как значений переменных, с которыми производятся операции, так и результатов операций. В современной терминологии это называется памятью. Мельница (арифметико-логическое устройство, часть современного процессора) должна была производить операции над переменными, а также хранить в регистрах значение переменных, с которыми в данный момент осуществляет операцию. Третье устройство, которому Бэббидж не дал названия, осуществляло управление последовательностью операций, помещением переменных в склад и извлечением их из склада, а также выводом результатов. Оно считывало последовательность операций и переменные с перфокарт. Перфокарты были двух видов: операционные карты и карты переменных. Из операционных карт можно было составить библиотеку функций. Кроме того, по замыслу Бэббиджа, Аналитическая машина должна была содержать устройство печати и устройство вывода результатов на перфокарты для последующего использования.
Бэббидж разрабатывал конструкцию аналитической машины в одиночку. 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. В 1840 году Бэббидж ездил по приглашению итальянских математиков в Турин, где читал лекции о своей машине. Луиджи Менабреа, преподаватель туринской артиллерийской академии, создал и опубликовал конспект лекций на французском языке. Позже Ада Лавлейс перевела эти лекции на английский язык, дополнив их комментариями по объёму превосходящими исходный текст. В комментариях Ада сделала описание ЦВМ и инструкции по программированию к ней. Это были первые в мире программы. Именно поэтому Аду Лавлейс справедливо называют первым программистом. Однако, аналитическая машина так и не была закончена. Вот, что писал Бэббидж в 1851 году: «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». Несмотря на то, что Бэббидж подробно описал конструкцию аналитической машины и принципы её работы, она так и не была построена при его жизни. Причин этому было много, но основными стали полное отсутствие финансирования проекта по созданию аналитической машины и низкий уровень технологий того времени. Бэббидж не стал в этот раз просить помощи у правительства, так как понимал, что после неудачи с разностной машиной ему всё равно откажут.
Только после смерти Чарлза Бэббиджа его сын, Генри Бэббидж, продолжил начатое отцом дело. В 1888 году Генри сумел построить по чертежам отца центральный узел аналитической машины. А в 1906 году Генри совместно с фирмой Монро построил действующую модель аналитической машины, включающую арифметическое устройство и устройство для печатания результатов. Машина Бэббиджа оказалась работоспособной.
В 1864 году Чарлз 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. Только через 80 лет после этого высказывания была построена машина МАРК-I, которую назвали «осуществлённой мечтой Бэббиджа». Архитектура МАРК-I была очень схожа с архитектурой аналитической машины. Говард Эйкен на самом деле 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.
В 1948 году появился Curta — небольшой арифмометр, который можно было держать в одной руке. В 1950-х — 1960-х годах на западном рынке появилось несколько марок подобных устройств.
