Английский математик Чарльз Бэббидж ( Charles Babbage , 1791–1871) был человеком увлекающимся. Прекрасно понимая, что главное дело его жизни — аналитическая машина — обессмертит его имя, он, тем не менее, то и дело отвлекался на, казалось бы, не приличествующие его научному авторитету занятия. Бэббидж погружался на дно озера в водолазном колоколе, поднимался с экспедицией на Везувий , участвовал в археологических раскопках, изучал залегание руд, спускаясь в шахты. Почти год он посвятил проблеме безопасности железнодорожного движения, для чего оборудовал вагон-лабораторию всевозможными датчиками, показания которых фиксировались самописцами. Изобрел спидометр. Бэббидж сконструировал поперечно-строгальный и токарно-револьверный станки, предложил новые методы заточки инструмента и литья под давлением…
Но все это за него мог бы сделать кто-нибудь другой. Чего нельзя сказать о произведенной им революции в области вычислительной техники. Тут Бэббидж был воистину велик и уникален.
Отец компьютера
Все началось с разностной машины, которая представляла собой механическое, на зубчатых колесах, устройство, предназначенное для обсчета самых разнообразных математических функций (логарифмических, тригонометрических, навигационных и т.д.) при создания таблиц с дискретным шагом аргумента. Несмотря на то, что машина выполняла четыре арифметических действия, к классу арифмометров отнести ее было нельзя. Потому что разностная машина при этом реализовывала определенный алгоритм, называющийся «методом конечных разностей», который используется при интерполяции функций.
Первый программист ( Истоки программирования )
Над разностной машиной Бэббидж работал с 1812 по 1833 год. В 1822 году была изготовлена предварительная модель, вполне работоспособная. Однако она имела недостаточную точность представления результатов.
И в 1823 году английское правительство начало финансировать грандиозный проект по созданию вычислительного монстра, который позволял бы табулировать функции с точностью до 20 десятичных знаков. Для этого, по расчетам Бэббиджа, необходимо было разместить в объеме 2,4х2,1х0,9 м 25 000 деталей, преимущественно зубчатых колес. Прошло три года, запланированных на сдачу в эксплуатацию разностной машины, потом еще три… В результате Бэббидж, собрав лишь одну седьмую часть конструкции, разругался и с британским правительством, и с механиком Джозефом Клементом (Joseph Clement), который подковывал гигантскую «блоху». Однако главной причиной прекращения работ, несомненно, стало новое увлечение Бэббиджа, обессмертившее его имя.
Следует заметить, что его проект был все же реализован. В 1991 году разностная машина Бэббиджа была построена двумя инженерами-энтузиастами Р. Криком и Б. Холловеем. Она экспонируется в Лондонском научном музее, состоит из четырех тысяч деталей, имеет размеры 2,1х3,4х0,5 м и весит три тонны. Машина приводится в действие поворотом рукоятки.
Следует отметить и то, что Бэббидж не был первым изобретателем разностной машины. Тридцатью годами раньше ее изготовил немецкий военный инженер Иоганн Мюллер ( Johann Mueller , 1746-1830). Правда, его модель сильно уступает модели Бэббиджа по точности вычислений.
С чего началось программирование? Первые программы до появления кода
Ну, а потом Бэббидж занялся, что называется, чистой наукой, более чем на сто лет предвосхитив появление электронных вычислительных машин. Именно он разработал основополагающую структурную схему, по которой до сих пор строятся компьютеры. В 1834 году Бэббидж составил блок-схему цифровой вычислительной машины, которую он назвал аналитической машиной. Она состояла из оперативной памяти на регистрах из зубчатых колес (автор назвал ее «складом»), арифметического устройства, состоящего из сумматора и трех регистров для операндов, («мельница»), устройства управления («управляющий барабан»), и устройства ввода-вывода данных и программы. Затем он начал детально прорабатывать каждое из устройств, доводя блок-схему до уровня эскизных чертежей.
Однако аналитическая машина построена не была, хоть автор и прожил еще 35 лет. Ее созданию препятствовали как объективные причины, так и субъективные. К первым следует отнести несовершенство технологии металлообработки, не позволявшей реализовать столь «прецизионный» проект.
Субъективная причина крылась в характере Бэббиджа: он был максималист, пытавшийся побороть объективную реальность. В запоминающее устройство он пытался запихнуть тысячу 50-разрядных регистров (зачем ему понадобилась такая разрядность – уму непостижимо!), то есть 25 килобайт. Такая емкость памяти была в диковинку даже 60-е годы прошлого века.
Если Бэббидж разработал компьютерное «железо», то появлению «софта» для него потомки обязаны графине Аде Лавлейс ( Ada Lovelace , 1815–1852), дочери лорда Байрона. Это была также чисто теоретическая работа. Лавлейс, случайно попав на «представление» Бэббиджа, стала поклонницей его таланта. А вскоре и сподвижницей. Именно она, чьим именем назван один из современных алгоритмических языков высокого уровня, разработала принципы программирования, актуальные, как и классическая блок-схема ЭВМ, и по сей день.
За железным занавесом
Вполне понятно, что в середине XIX века, когда ни о какой электронике и речи не было, совместный проект Бэббиджа и Лавлейс не мог быть реализован. Казалось бы, с появлением более подходящей, чем прецизионная зубчато-колесная механика, элементной базы потомки осуществят гениальные замыслы Бэббиджа-Лавлейс. Однако немецкий инженер Конрад Цузе ( Konrad Zuse , 1910–1995) начал в одиночку создавать в 1936 году программируемую вычислительную машину, не будучи знакомым с трудами английских первопроходцев. Но ее структура на удивление совпала со структурой аналитической машины Бэббиджа.
В 1938 году работа была закончена. Получилась чисто механическая машина, получившая название Z1. Она имела крохотную память на подвижных металлических рейках, запатентованную изобретателем, и «колесный» процессор, позволявший производить четыре арифметических действия и возводить числа в квадрат.
Программа (управляющие команды) шаг за шагом вводилась в устройство управления с клавиатуры. Результат индицировался на панели из лампочек от карманного фонаря. Z1 была ненадежна и неудобна в работе. Но это была первая в мире программируемая вычислительная машина. (Правда, с существенным недостатком по сравнению с разработкой Ады Лавлейс — в ней не было команды условного перехода). Цузе, продемонстрировав свое детище специалистам из Исследовательского института аэродинамики (Aerodynamische Versuchsanstalt), убедил их в перспективности избранного им направления, и ему была предложена штатная должность и финансирование разработки последующих моделей.
Через год Цузе «выдал на-гора» Z2. В ней была использована та же самая память. Однако арифметическое устройство было сделано на электромагнитных реле. Цузе также первым в мире применил данную элементную базу, которая как нельзя лучше удовлетворяет требованиям Булевой алгебры, поскольку реле имеет два устойчивых состояния — «единичку» и «нолик».
Для ввода программы вместо клавиатуры был применен считыватель со своеобразной перфоленты — в ее качестве применялась засвеченная отперфорированная кинопленка. За счет малой памяти Z2 также, как и Z1, была прелюдией к созданию «взрослой» машины. Однако шла война, и Цузе на год забрали в армию.
Вернувшись в лабораторию, он построил в 1941 году Z3, которая начала применяться для обсчетов конструкции ракет и военных самолетов. Z3 была полностью релейной машиной — 1600 реле ушло на память для хранения 64-х 22-битных слов и 600 – на процессор. Огромная заслуга Цузе заключается в том, что он первым использовал двоичное представление чисел с плавающей запятой.
Источник: www.vokrugsveta.ru
Чарльз Бэббидж и его машины
Американским издательством Viking Press выпущена примечательная книга под названием “Разностная машина. Чарльз Бэббидж и создание первого компьютера” (“The Difference Engine: Charles Babbage and the Quest to Build the First Computer” by Doron Swade, Viking Press, 2001).
Автор этой книги Дорон Суэйд, сотрудник Лондонского музея науки, дает портрет одного из оригинальнейших ученых Англии, который к середине XIX века спроектировал полноценный компьютер общего назначения, работавший на основе паровой машины. Но, к сожалению, этот аппарат не получил реального воплощения по причине неблагоприятно сложившихся исторических обстоятельств.
Еще примерно треть книги Суэйда посвящена тому, как в конце века двадцатого работники Музея науки все-таки построили по чертежам Бэббиджа одну из задуманных им машин и, продемонстрировав ее полную работоспособность, убедительно доказали, что эпоха компьютеров легко могла начаться на столетие раньше, не распорядись судьба иначе.
Чарльз Бэббидж (1791-1871) проявил свой талант математика и изобретателя весьма широко. Перечисление всех новаций, предложенных ученым, получится довольно длинным, однако в качестве примеров можно упомянуть, что именного Бэббиджу принадлежат такие идеи, как установка в поездах “черных ящиков” для регистрации обстоятельств аварии, переход к использованию энергии морских приливов после исчерпания угольных ресурсов страны, а также изучение погодных условий прошлых лет по виду годичных колец на срезе дерева.
Помимо серьезных занятий математикой, сопровождавшихся рядом заметных теоретических работ и руководством кафедрой в Кембридже, ученый всю жизнь страстно увлекался разного рода ключами-замками, шифрами и механическими куклами.
Во многом благодаря именно этой страсти, можно сказать, Бэббидж и вошел в историю как конструктор первого полноценного компьютера. Разного рода механические счетные машины были созданы еще в 17-18 веках, но эти устройства были весьма примитивны и ненадежны. А Бэббидж, как один из сооснователей Королевского астрономического общества, ощущал острую потребность в создании мощного механического вычислителя, способного автоматически выполнять длинные, крайне утомительные, но очень важные астрономические калькуляции.
Математические таблицы использовались в самых разнообразных областях, но при навигации в открытом море многочисленные ошибки в таблицах, рассчитанных вручную, бывало, стоили людям жизни. Основных источников ошибок было три: человеческие ошибки в вычислениях; ошибки переписчиков при подготовке таблиц к печати; ошибки наборщиков.
Будучи еще весьма молодым человеком, в начале 1820-х годов Чарльз Бэббидж написал специальную работу, в которой показал, что полная автоматизация процесса создания математических таблиц гарантированно обеспечит точность данных, поскольку исключит все три этапа порождения ошибок. Фактически, вся остальная жизнь ученого была связана с воплощением этой заманчивой идеи в жизнь.
Первое вычислительное устройство, разработанное Бэббиджем, получило название “Разностная машина”, поскольку в калькуляциях опиралось на хорошо разработанный в вычислительной математике метод конечных разностей. Благодаря этому методу все сложно реализуемые в механике операции умножения и деления сводились к цепочкам простых сложений известных разностей чисел.
Хотя работоспособный прототип, подтверждающий концепцию, был построен весьма быстро, что обеспечило финансирование работ правительством, сооружение полноценной машины оказалось делом весьма непростым, поскольку требовалось огромное количество идентичных деталей, а индустрия в те времена лишь только-только начинала переходить от ремесленного производства к массовому. Так что попутно Бэббиджу пришлось самому изобретать и машины для штамповки деталей.
К 1834 году, когда “Разностная машина №1” еще не была достроена, ученый уже задумал принципиально новое устройство — “Аналитическую машину”, явившуюся, по сути дела, прообразом современных компьютеров. К 1840 году Бэббидж практически полностью завершил разработку “Аналитической машины”, и тогда же понял, что практически ее воплотить сразу не удастся из-за технологических проблем.
А потому он начал проектировать “Разностную машину №2” — как бы промежуточную ступень между первым вычислителем, ориентированным на выполнение строго определенной задачи, и второй машиной, способной автоматически вычислять практически любые алгебраические функции.
Мощь общего вклада Бэббиджа в компьютерную науку заключается, прежде всего, в полноте сформулированных им идей. Ученым была спроектирована система, работа которой программировалась через ввод последовательности перфокарт. Система была способна выполнять разнообразные типы вычислений и была гибкой настолько, насколько это могли обеспечить инструкции, подаваемые на вход. Иными словами, гибкость “аналитической машины” обеспечивалась благодаря «программному обеспечению».
Разработав чрезвычайно развитую конструкцию принтера, Бэббидж стал пионером идеи компьютерного ввода/вывода, поскольку его принтер и пачки перфокарт обеспечивали полностью автоматический ввод и вывод информации при работе вычислительного устройства.
Были сделаны и дальнейшие шаги, предвосхитившие конструкцию современных компьютеров. “Аналитическая машина” Бэббиджа могла хранить промежуточные результаты вычислений (набивая их на перфокарты), чтобы обработать их впоследствии, или использовать один и тот же промежуточный массив данных для нескольких разных калькуляций в зависимости от получаемых в процессе вычислений результатов.
Наряду с разделением “процессора” и “памяти”, в «Аналитической машине» были реализованы возможности условных переходов, разветвляющих алгоритм вычислений, и организации циклов для многократного повторения одной и той же подпрограммы.
Не имея под рукой реального вычислителя, в своих теоретических рассуждениях Бэббидж продвинулся настолько, что сумел глубоко заинтересовать и привлечь к программированию своей гипотетической машины дочь Джорджа Байрона – Августину Аду Кинг, графиню Лавлейс, – обладавшую бесспорным математическим дарованием и вошедшую в историю как “первый программист”.
К сожалению, Чарльзу Бэббиджу не довелось увидеть реального воплощения большинства из своих революционных идей. Работу ученого всегда сопровождали несколько очень серьезных проблем.
Его крайне живой ум совершенно не был способен удержаться на месте и дождаться завершения очередного этапа. Едва предоставив мастерам чертежи изготовляемого узла, Бэббидж тут же начинал вносить в него поправки и добавления, непрерывно отыскивая пути для упрощения и улучшения работы устройства. Во многом именно из-за этой особенности практически все начинания Бэббиджа так и не были доведены до конца при его жизни.
Другая проблема — весьма ершистый и конфликтный характер. Вынужденный постоянно выбивать под проект деньги в правительстве, Бэббидж тут же мог выдавать такого рода фразы:
“Меня дважды спрашивали [члены парламента]: “А скажите, мистер Бэббидж, если заложить в машину неверные числа, на выходе она все равно выдаст правильный ответ?»… Я не в состоянии постичь, какую же кашу надо иметь в голове, чтобы она порождала подобного рода вопросы”…
Понятно, что при такой натуре и склонности к резким суждениям ученый постоянно имел трения не только со сменявшими друг друга правительствами, но и с духовными властями, недолюбливавшими вольнодумца, и с мастерами, изготовлявшими узлы его машин.
Однако, вплоть до начала 1990-х годов общепринятое мнение было таково, что идеи Чарльза Бэббиджа слишком опережали технические возможности его времени, а потому спроектированные вычислители в принципе невозможно было построить в ту эпоху.
И лишь в 1991 году, к двухсотлетию ученого сотрудники лондонского Музея науки воссоздали по его чертежам 2,6-тонную “Разностную машину №2”, а в 2000 году — еще и 3,5-тонный принтер Бэббиджа.
Оба устройства, созданные по технологиям середины XIX века, превосходно работают и наглядно демонстрируют, что история компьютеров вполне могла начаться сотней лет раньше.
Источник: kiwibyrd.org
Первый программист написавший программу для машины бэббиджа
§ 4.16. Машина Бэббиджа
Следующий важный этап развития вычислительной техники приходится на XIX век. В 1830 году английский математик, профессор Кембриджского университета Чарльз Бэббидж разработал проект первой программируемой вычислительной машины.
Машина, придуманная Чарльзом Бэббиджем, была похожа на настоящую фабрику по производству вычислений. На любой фабрике есть склад, где хранятся сырье и готовая продукция. Есть цех, где эта продукция производится. Есть контора, которая управляет производством. Машина Бэббиджа имела подобную конструкцию.
Набор специальных колес — «склад» чисел. Здесь запоминаются исходные данные и результаты вычисления. Механизм из шестеренок, рычагов и пружин — «цех». Тут производятся вычисления.
Есть и «контора», которая управляет всем вычислительным процессом с помощью заранее подготовляемых вычислителем картонных лент с отверстиями — перфокарт 1 . Машина считает сама — работает по программе. Результаты вычислений она пробивает на металлических пластинках. С таких пластинок их можно печатать.
Несмотря на то, что машина Бэббиджа представляла собой важный шаг вперед в технике вычислений, полностью реализована она не была. После 25 лет труда и огромных издержек изобретатель был вынужден отказаться от ее завершения.
В 1985 году в Музее науки в Лондоне решили выяснить, возможно ли построить эту машину вообще. Началась напряженная работа. И в год 200-летия со дня рождения знаменитого англичанина (1991) машина была построена и произвела серьезные вычисления. Этот успех доказал, что неудачи изобретателя были вызваны упущениями в реализации замысла, а не ошибками в самом проекте.
Идею использования перфокарт Бэббидж позаимствовал у французского изобретателя Жозефа Жаккара, который в 1801-1804 годах применил карточки с пробитыми отверстиями для контроля ткацких операций. Карточки с разным расположением отверстий давали различные узоры при переплетении тканей.
Босова Л. Л. Информатика: Учебник для 6 класса / Л. Л. Босова. — 3-е изд., испр. и доп. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. — 208 с.: ил.
Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки
Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.
Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь — Образовательный форум.
Источник: edufuture.biz