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.
Разностная машина Чарльза Беббиджа
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.
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.
История IT #2: Ада Лавлейс и Чарльз Беббидж / Аналитическая машина / Разностная машина
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.
Источник: fb.ru
2.1.4. Аналитическая машина Беббиджа
Предшествующие счетные машины автоматизировали только отдельные вычислительные операции, новые же задачи все в большей степени требовали автоматизации последовательности вычислений, т.е. создания устройства, которое осуществляло бы процесс вычислений без участия человека. Идея полностью автоматической вычислительной машины с программным управлением принадлежит профессору Кембриджского университета, английскому ученому, инженеру и изобретателю Чарльзу Бэббиджу. Изобретение это настолько опередило свое время, что не было реализовано при жизни его автора. Полное осуществление идеи Бэббиджа получили только в XX в. при создании ЭВМ.
Идея создать вычислительную машину (автомат) для расчета таблиц возникла у Бэббиджа в 1812 г. С 1820 г. он начал работать и через два года изготовил действующую модель машины, которая позволяла вычислить с точностью до восьми знаков значения полиномов второй степени с помощью метода разностей. Эту машину Бэббидж назвал разностной. В отличие от счетных устройств Паскаля и Лейбница в разностной машине не требовалось вмешательства человека при переходе к расчету следующего значения функции, однако это было, по современной терминологии, специализированное вычислительное устройство с фиксированной программой. Хотя ее создание было шагом вперед в развитии вычислительной техники, но не это определяло значение трудов Бэббиджа, который по праву считается основоположником принципа программного управления.
Не завершив проекта новой усовершенствованной разностной машины, в 1834 г. Бэббидж изобрел универсальную вычислительную машину с программным управлением, которую назвал аналитической, способную выполнять вычислительные алгоритмы любой сложности. Аналитическая машина Бэббиджа по проекту включала четыре основные части.
Первая часть — блок для хранения исходных чисел и промежуточных результатов. Он состоял из набора колес, где каждая цифра обозначалась, как и в арифмометрах, углом поворота колеса. Эти колеса собирались в регистры для хранения многоразрядных десятичных чисел. Бэббидж называл такое устройство «складом» (в современной терминологии это память). Ученый считал, что запоминающее устройство должно иметь емкость в 1000 чисел по 50 десятичных знаков, чтобы был некоторый запас в точности и емкости.
Вторая часть — блок, в котором осуществлялись необходимые операции над числами, взятыми из «склада». Бэббидж называл его «мельницей», сейчас же подобное устройство называют арифметическим. Время на производство арифметических операций оценивалось Бэббиджем следующим образом: сложение или вычитание — 1 секунда; умножение (двух пятидесятиразрядных чисел) — 1 минута; деление (сторазрядное число на пятидесятиразрядное) — 1 минута.
Третью часть составлял блок, управляющий последовательностью операций, выполняемых над числами (в нашей терминологии устройство управления).
И четвертая часть — блок для ввода исходных данных и печати результатов, т. е. устройство ввода-вывода.
Для устройства управления Бэббидж предложил применять механизм, аналогичный механизму ткацкого станка Жаккара. Идея заключалась в том, чтобы заставить два жаккаровских механизма с цепочкой карт в каждом управлять действиями машины.
Один механизм с картами операций должен был соединяться с «мельницей» и управлять выполнением арифметических операций, заданных пробитыми отверстиями в соответствующих картах . Второй механизм предназначался для управления переносом чисел из «склада» в «мельницу» и обратно. Таким образом, с помощью карт Жаккара — прообраза современных перфокарт— Бэббидж предполагал осуществлять автоматическое управление процессом механических вычислений. Ученый сделал более 200 чертежей различных узлов машины, около 30 вариантов ее общей компоновки, изготовил за свой счет некоторые устройства, но так и не смог закончить работу. Не было завершено создание машины и сыном Бэббиджа, много работавшим над воплощением идеи отца.
Чтобы аналитическая машина могла выполнять нужные вычисления, надо было иметь составленную для нее программу. Такую программу впервые разработала дочь великого поэта Байрона леди Лавлейс, доказавшей тем самым универсальные возможности вычислительной машины Бэббиджа и ставшей первой программисткой.
Источник: studfile.net
Хочу все знать
Каким бы багажом знаний вы не обладали, всегда найдется что-то любопытное, о чем бы вы хотели узнать.
Home » Открытия изобретения рекорды » Вычислительные машины Бэббиджа
Вычислительные машины Бэббиджа
2015/04/03
Вклад в появление самой первой сложной вычислительной машины внесли многие разработчики, работающие в разных странах. Однако, родоначальником всетаки принято называть именно Чарльза Бэббиджа. Вычислительные машины Бэббиджа считаются, пожалуй, одними из грандиозных интеллектуальных достижений XIX века.
Сконструированные выдающимся английским математиком и изобретателем Чарльзом Бэббиджем, вычислительные машины положили начало развитию индустрии вычислительной техники.
Идея, родившаяся в девятнадцатом веке стала реальностью в веке двадцатом.
В этом выпуске представлен краткий обзор изобретения, сделавшего переворот не только в науке, но и в нашей повседневной жизни.
Основоположник вычислительной техники
Английский математик и изобретатель Чарльз Бэббидж по праву считается основоположником вычислительной техники.
Свой вклад также внесли:
- Конрад Цузе – разработчик первого электромеханического программируемого аппарата.
- Джон Атанасов – разработал электронный непрограммируемый компьютер.
- Алан Тьюринг – создал универсальную техническую схему.
- Джон Мокли – сконструировал первую ЭВМ.
- Джон фон Нейман – описал архитектуру (устройство хранение информации), которая стала базовой для всех современных компьютеров.
Однако, родоначальником принято называть именно Чарльза Бэббиджа, который увлекался вычислительными науками с молодого возраста. На основании многолетних трудов он изобрел механизм, способный выполнять сложения разностным методом. Его разработка состояла из множества громоздких шестеренок.
За свою жизнь он спроектировал не мало важных и полезных изобретений, таких как спидометр, динамометр, офтальмоскоп, сейсмограф, придумал единый почтовый тариф и многое другое.
Но главным достижением Чарльза Бэббиджа, благодаря которому он вошел в историю как человек, сконструировавший первый полноценный компьютер, является разработка двух классов вычислительных машин – разностных и аналитических.
Разностная машина Бэббиджа
Разностные получили свое название благодаря математическому принципу, на котором основан – методу конечных разностей.
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.
Проект аналитической машины, выдающегося английского математика и изобретателя, представляет собой не просто калькулятор, а значительную веху в истории индустрии вычислительной техники.
Аналитическая машина Бэббиджа
Когда работа над разностным аппаратом застопорилась, в 1834 году Бэббидж задумал более амбициозное устройство, которое позже получило название аналитического универсального программируемого вычислительного механизма.
Аналитическая машина Бэббиджа ознаменовала переход от механизированной арифметики к полномасштабным вычислениям общего назначения.
При ее проектировании в 1836-1848 годах Бэббидж фактически задал направление всему последующему развитию электронно-вычислительных машин (ЭВМ).
Во-первых, предполагалось наличие тех же пяти устройств (арифметическое, устройства памяти, управления, ввода и вывода). Во-вторых, в число операций, помимо четырех арифметических, была включена операция условного перехода и операции с кодами команд. Кроме того, следует выделить, что все программы вычислений в аналитической машине Бэббиджа записывались на перфокартах пробивками.
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. Структурные свойства аналитической машины Бэббиджа во многом соответствуют основным блокам современного цифрового компьютера.
Однако, при жизни Бэббиджа ни один из его проектов не был реализован полностью, кроме нескольких частично созданных механических сборок и тестовых моделей небольших рабочих секций.
Первая в мире программа и первый программист
Бэббидж за свою жизнь написал немало книг и статей, но подробного изложения принципов работы разностной и аналитической машины, так и не дал, считая создание машин более важным занятием, нежели их описание.
Подробное описание разностной машины было дано Дионисием Ларднером, а аналитическая машина была описана в статье итальянского ученого Луиджи Фредериго Менабреа. Благодаря именно этой статье на свет появилась первая в мире программа и первый программист. Чести носить это звание удостоилась Ада Августа Лавлейс, дочь известного поэта Байрона.
Работая над переводом статьи Менабреа, Ада, дополнила её своими комментариями, примерами практического использования машин, а также составила «программу» вычисления чисел Бернулли. Имя Ады было увековечено в названии одного из языков программирования — АДА (ADA).
В заключении хочется отметить, что отношение современников к пионеру создания вычислительной техники было не однозначным. Кто-то считал его чудаком, а кто-то гением. И это понятно, ведь он попытался заглянуть в будущее и на механической основе создать машину принадлежащую веку электроники.
Источник: www.inqui.ru