Аналитическая машина бэббиджа

Перфакарты Жаккара

Арифметическая машина Лейбница.

Лейбниц начал совершенствование машины Паскаля, но затем сумел создать устройство, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ выполняло не только сложение и вычитание, но и всœе 4 действия арифметики.В корне машины Лейбница лежал изобретённый им особый ступенчатый валик, его так и назвали — валик Лейбница. Это был цилиндр, на боковой поверхности которого было расположено 9 ступеней разной длины. Валик Лейбница позволял вести одной стороной, и широко применялся в конструкции счётных машин вплоть до 20 века. И с некоторыми усовершенствованиями эти машины (арифмометры) использовались до недавнего времени.

******************************************************************

Жаккар — это француз, механик и ткач.Создал Первый образец машины, управляемой вводимой в неё информацией, и в 1802 году он построил машину, которая облегчила процесс производства тканей со сложным узором.Для задания узора на ткани Жаккар использовал ряды отверстий на картах, так называемые перфакарты. В случае если применялось 10 нитей, то в каждом ряду карты предусматривалось до 10 отверстий. Эта карта закреплялась в станке, в устройстве, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ могло обнаруживать отверстие на карте, это устройство с помощью щупов, проверяло каждый ряд отверстий на карте, и эта информация управляла станком. Современные перфакарты имели 52 отверстия.

******************************************************************

Разработки Чарльза Бэббиджа занимаеют особое место среди разработок механического этапа, и его с полным основанием считают родоначальником и идеологом современной вычислительной техники. Он был первым, кто высказал идею об универсальной вычислительной машинœе, способной работать по различным, заложенным в неё программам и также был первым кто попытался реально построить такую машину. Годы жизни (1791-1871) Был банкиром, закончил знаменитый Кэмбриджский университет, его избрали членом королевского общества.В 1820 году Бэббидж начал работу над вычислительной машиной, которая автоматически вычисляла бы математические таблицы. Различные таблицы ( таблицы логарифмов, сложных процентов, астрономические и т.д.) широко использовались в Англии но переписывались как правило вручную и содержали много ошибок. У Бэббиджа было 2 проекта — проект разностной вычислительной машины и проект аналитической машины. Первый проект предназначался для полирования полинониальных функций методом конечной разности. В эту машину информация вводилась на картах, и вычисления выполнялись автоматически с помощью совокупности вращающихся колёс. Для изготовления этой машины Бэббидж использовал принцип Паскаля, тоесть зубчатые колёса на осях со сложным механизмом переноса десятков. Уже в 1822 году Бэббидж самостоятельно конструирует и изготавливает действующую модель своей машины, которая может составлять таблицы с точностью до 8-ого знака. Эта машина содержала 96 зубчатых колёс на 24 осях.

В следующем году он обратился в министерство финансов Англии, получил 1500 фунтов стерлингов (по тем временам огромнейшая сумма). Он работал около 20 лет над своим изобретением, поскольку ему всё равно постоянно не хватало денеᴦ. К 1842 году он израсходовал 17 тысяч из субсидий и своих 6 тысяч, но машина так и не заработала, хотя отдельные узлы её работали отлично. В ходе создания этой машины Бэббидж разработал и опубликовал проект универсальной вычислительной машины, способной вычислять вычисления любых математических задач, для которых известен алгоритм их решения. При современном развитии вычислительной техники возможны вычисления задач без составления алгоритмов.Бэббидж указал что универсальная машина должна состоять из:

1) Арифметическое устройство, выполняющее арифметические действия над вводимыми в него числами.

2) Устройство "памяти" для хранения промежуточных результатов.

3) Устройство управления, в котором хранится программа управления действия машиной.

4) Устройство ввода исходных данных и вывода результатов расчёта.

Современные машины состоят из узлов, которые были предсказаны Бэбиджем ещё в 1842 году!

Второй проект Бэббиджа, основанный на использовании принципов програмного управления, также явился предвестником современных ЭВМ.

Этот проект был предложен в 30-ые годы 19 века, а в 1843 году Адой Лавлейс для машины Бэббиджа была написана первая в мире достаточно сложная программа для вычисления чисел Бернулли. Леди Ада Лавлейс — дочь английского лорда- лорда Байрона. И вот эти достижения считаются выдающимися. В 1985 году сотрудники музея науки в Лондоне решили наконец узнать , а можно ли построить машину Бэббиджа, для этого им понужнобилось несколько (6) лет. В 1991 году она была построена и заработала.

******************************************************************


Чарльз Беббидж считается основателем современной вычислительной техники. В работе Чарльза Бэббиджа прослеживается два направления: разностная и аналитическая вычислительная машины. Аналитическая машина Чарльза Бэббиджа использует принцип программного управления и является предшественницей современных ЭВМ.

Первая небольшая модель аппарата Чарльза Бэббиджа

В 1822 году Чарльз Бэббидж создал первую небольшую модель своего аппарата, получившего название «разностная машина». Механизм разностной машины состоял из валиков и шестерней, вращаемых вручную при помощи специального рычага. Разностная машина могла управлять шестизначными числами и выражать в числах любую функцию, которая имела постоянную вторую разность. Ценность разностной машины Чарльза Бэббиджа в том, что она могла не только производить один раз заданное действие, но и осуществлять целую программу вычислений. Сам Бэббидж достаточно ясно представлял назначение своей машины. Он пропагандировал использование математических методов в различных областях науки и предсказывал при этом широкое применение вычислительных машин.

Первая в мире разностная аналитическая вычислительная машина Чарльза Бэббиджа

Бэббидж обратился к правительству Великобритании с просьбой о финансировании полномасштабной разработки. Правительство Великобритании, заинтересовавшись идеей, выделило деньги на дальнейшее развитие проекта. В 1834 году Бэббидж занялся разработкой еще более сложного агрегата — аналитической машины, способной выполнять определенные действия в соответствии с инструкциями, задаваемыми оператором. Модель аналитической машины фактически можно считать прообразом современного компьютера. Главное отличие аналитической машины от разностной заключается в том, что она программируемая и может выполнять любые заданные ей вычисления.

Первая в мире разностная аналитическая вычислительная машина Чарльза Бэббиджа

Принцип аналитической машины Чарльза Бэббиджа

Аналитическая машина Чарльза Бэббиджа использует принцип программного управления и является предшественницей современных ЭВМ.

Основные части аналитической машины

Аналитическая машина состояла из следующих четырех основных частей:

  • блок хранения исходных, промежуточных данных и результатов вычислений.

    (состоял из набора зубчатых колес, идентифицирующих цифры подобно арифмометру);

  • блок обработки чисел из склада, названный мельницей (в современной терминологии — это арифметическое устройство);
  • блок управления последовательностью вычислений (в современной терминологии — это устройство управления УУ);
  • блок ввода исходных данных и печати результатов (в современной терминологии — это устройство ввода/вывода ).

Аналитическая машина так и не была изготовлена Чарльзом Бэббджем. Кроме хронической нехватки финансовых средств, важнейшая из причин — технологическая. Тогда не умели обрабатывать металл с высокой степенью точности и с высокой производительностью — а для реализации проекта требовались тысячи одних только зубчатых колес.

Большое влияние на посмертную судьбу машины оказал генерал Бэббидж, сын изобретателя.

Выйдя в отставку в 1874 году, он несколько лет посвятил изучению отцовского наследия, а в 1880 году начал работу по восстановлению Difference Engine в «железе». Работа продолжалась с переменным успехом до 1896 г. В конце концов к 1904 году был создан небольшой фрагмент машины, который печатал результаты вычислений. Кроме того, Бэббидж-младший сделал несколько мини-копий Difference Engine и разослал их по всему миру.

В 1991 году, к двухсотлетию со дня рождения 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, изготовленные по технологиям середины XIX века, превосходно работают — в расчётах Бэббиджа было найдено всего две ошибки.

Статья является уникальной собственностью компании «Айтикон-сервис»

01.10.2009

Аналитическая машина Чарльза Бэббиджа

Большой вклад в развитие вычислительной техники был сделан выдающимся английским математиком Чарльзом Бэббиджем (1791 – 1871). Помимо того, что он сконструировал «праматерь» современного компьютера – аналитическую машину (1834), ему принадлежат такие изобретения, как машина для табулирования (1822), малая и большая разностная машины (1822 – 1834), изобретение спидометра, труды по теории функций и многое другое.

Бэббидж было очень разносторонним человеком: его интересовала математика, археология, батискафы, залегание руд, безопасность дорожного движения – во всех этих направлениях учёный оставил свой след. Примечательно, что талант Бэббиджа был известен и в России: с 1832 года он становится иностранным член-корреспондентом Императорской академии наук в Санкт-Петербурге.

Когда Чарльз Бэббидж занимался созданием разностной машины, он ставил своей целью оптимизировать процесс вычисления различных астрономических, навигационных и математических таблиц. Одна машина могла бы заменить огромный штат людей и, соответственно, сэкономила бы затраты на оплату труда, а также избавила бы вычисления от ошибок (неизбежных при человеческом факторе). Согласно чертежам Бэббиджа, большая разностная машина должна была состоять из 25 тысяч деталей, весить почти 14 тонн и быть высотой 2,5 метра. В ней предусматривалось устройство для вывода результатов, а память была рассчитана на тысячу 50-разрядных чисел. К сожалению, в результате проблем с государственным финансированием разностная машина так и не построена.

Получив очередной отказ, Бэббидж не стал унывать и в 1834-м году задумался о создании программируемой вычислительной машины, которую он сам назвал «аналитической». Учёный полагал, что построение новой машины (сконструированной из относительно простых компонентов) потребует меньше времени и средств, чем доработка разностной машины. К тому же, по его задумке, аналитическая машина должна была решать больший круг задач. В итоге, создание такой машины стало для Бэббиджа делом его жизни, которое принесло учёному посмертную славу. Она состояла: из «склада» для хранения чисел (аналога памяти в современных компьютерах); устройства под названием «мельница» (аналога современного процессора) для производства арифметико-логических действий над числами; устройства управления над операциями машины (в определенной последовательности) и устройства ввода и вывода данных. Для вывода результатов из аналитической машины предполагалось три различных способа: печать одной или двух копий, изготовление стереотипного отпечатка, пробивка на перфокартах. Перфокарты были двух видов: операционные карты и карты переменных. Из операционных карт можно было составить библиотеку функций.

В процессе работы Бэббидж сделал более двухсот чертежей различных узлов машины и около 30-ти вариантов её общей компоновки. При этом, он использовал более четырёх тысяч «механических обозначений». Аналитическая машина Бэббиджа по своему строению, во многом, напоминает современный компьютер. Не хватало лишь схемы с хранимой программой, которую придумали только сто лет спустя.

Чарльз Бэббидж создавал аналитическую машину в одиночку и на свои средства. Единственным его единомышленником и близким другом, «болевшим» за идею аналитической машины, была Августа Ада Лавлейс (дочь поэта Джорджа Байрона, математик). Ей принадлежит подробное описание вычислительной машины и создание к ней инструкций по программированию. Таким образом, именно Аду Лавлейс, по справедливости, можно назвать первым программистом в мире.

Поскольку объем затрат превышал возможности учёного, техническое воплощение его замысла шло очень медленно, и при жизни Бэббиджа машина так и не была до конца построена. Только после смерти изобретателя его сын, Генри Бэббидж, сумел осуществить отцовскую мечту. В 1888-м году Генри построил по чертежам отца центральный узел аналитической машины, а в 1906-м году сумел сделать полноценную действующую модель аналитической машины (при участии фирмы Монро).

Машина Бэббиджа

То, что сейчас будет сказано, вероятно, многим покажется неправдоподобным. Но как это ни удивительно, факт остается фактом: универсальная автоматическая машина, в структуру которой уже входили почти все основные части современных ЭВМ, была изобретена еще в тридцатых годах XIX века. И сейчас мы можем лишь поражаться, что такая гигантская работа, — а это был, без преувеличений, переворот в вычислительной технике — могла быть совершена практически одним человеком.

Имя этого человека, которому суждено было открыть новую и, пожалуй, наиболее яркую страницу в истории вычислительной техники — Чарльз Бэббидж. За свою долгую жизнь (1792-1871) кембриджский профессор математики сделал немало открытий и изобретений, значительно опередивших его время. Круг интересов Бэббиджа был чрезвычайно широк, и все же главным делом его жизни, по словам самого ученого, были вычислительные машины, над созданием которых он работал около 50 лет.

В 1822 г. Бэббидж приступил к осуществлению проекта так называемой разностной машины, предназначенной для расчета навигационных и астрономических таблиц. Машину эту строили десять лет, но так и не закончили. Финансовые трудности усугублялись тем, что изобретатель постоянно пересматривал конструкцию и вносил в нее бесчисленные усовершенствования.

Разностная машина Бэббиджа — это, конечно, шаг вперед по сравнению с простыми суммирующими устройствами, но и она обладала ограниченными возможностями. Пользуясь современной терминологией, можно сказать, что она представляла собой устройство с фиксированной программой действий. Чтобы перейти от вычисления одной функции к другой, необходимо вмешательство человека: он должен ввести в регистры машины новые исходные данные. Эту операцию Бэббидж пытался автоматизировать, но к тому времени у него возникла идея создания другой, более совершенной машины.

И вот в 1833 г., приостановив работы над разностной машиной, Бэббидж начал осуществлять проект универсальной автоматической машины для любых вычислений. Это устройство, обеспечивающее автоматическое выполнение заданной программы вычислений, он назвал аналитической машиной.

Аналитическая машина, которую сам изобретатель, а затем его сын, строили с перерывами в течение 70 лет, так и не была построена. Изобретение это настолько опередило свое время, что идеи, заложенные в нем, удалось реализовать лишь в середине XX века в современных ЭВМ. Но какое удовлетворение испытал бы этот замечательный ученый, узнав, что структура вновь изобретенных почти через столетие универсальных вычислительных машин, по существу, повторяет структуру его аналитической машины.

Аналитическая машина Бэббиджа представляла собой единый комплекс специализированных блоков. По проекту она включала следующие устройства. Первое — устройство для хранения исходных данных и промежуточных результатов. Бэббидж назвал его «складом»; в современных вычислительных машинах устройство такого типа называется памятью или запоминающим устройством.

Для хранения чисел Бэббидж предложил использовать набор десятичных счетных колес. Каждое из колес могло останавливаться в одном из десяти положений и таким образом запоминать один десятичный знак. Колеса собирались в регистры для хранения многоразрядных десятичных чисел.

По замыслу автора запоминающее устройство должно было иметь емкость в 1000 чисел по 50 десятичных знаков «для того, чтобы иметь некоторый запас по отношению к наибольшему числу, которое может потребоваться». Для сравнения скажем, что запоминающее устройство одной из первых ЭВМ имело объем 250 десятиразрядных чисел.

Для создания памяти, где хранилась информация, Бэббидж использовал не только колесные регистры, но и большие металлические диски с отверстиями. В памяти на дисках хранились таблицы значений специальных функций, которые использовались в процессе вычислений.

Второе устройство машины — устройство, в котором осуществлялись необходимые операции над числами, взятыми из «склада». Бэббидж назвал его «фабрикой», а сейчас подобное устройство называется арифметическим. Время на производство арифметических операций оценивалось автором: сложение и вычитание — 1с; умножение 50-разрядных чисел — 1 мин; деление 100-разрядного числа на 50-разрядное — 1 мин.

И наконец, третье устройство машины — устройство, управляющее последовательностью операций, выполняемых над числами. Бэббидж назвал его «конторой»; сейчас оно — устройство управления.

Управление вычислительным процессом должно было осуществляться с помощью перфокарт — набором картонных карточек с разным расположением пробитых (перфорированных) отверстий. Карты проходили под щупами, а они, в свою очередь, попадая в отверстия, приводили в движение механизмы, с помощью которых числа передавались со «склада» на «фабрику». Результат машина отправляла обратно на «склад». С помощью перфокарт предполагалось также осуществлять операции ввода числовой информации и вывода полученных результатов. По сути дела, этим решалась проблема создания автоматической вычислительной машины с программным управлением.

В 1843 г. Адой Лавлейс для машины Бэббиджа была написана первая в мире достаточно сложная программа вычисления чисел Бернулли. Однако ее основная заслуга состоит не только в создании программы, но и в полном и доступном описании машины, а также анализе ее возможностей для решения различных вычислительных задач. Наряду с этим, Лавлейс проводила широкую популяризацию идей Бэббиджа, сама проектировала некоторые узлы машины и исследовала вопросы применения двоичной системы счисления, а также высказывает ряд идей, получивших широкое применение только в наше время.

Проект аналитической машины не был реализован, но получил весьма широкую известность и заслужил высокую оценку целого ряда ученых, в первую очередь, математиков. Механические устройства оказались попросту непригодными для осуществления такого грандиозного для того времени плана. Разве могла механика с ее трущимися шестернями и неповоротливыми рычагами воплотить красивейшие схемы, которые спустя десятилетия оказались под силу лишь электронным элементам?

на начало

Для редактирования данного текста дважды кликните по нему.

 Несмотря на неудачу с разностной машиной, Бэббидж в 1834 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.

Для создания компьютера в современном понимании оставалось лишь придумать схему с хранимой программой, что было сделано 100 лет спустя Эккертом, Мочли и Фон Нейманом.

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 (дочерью Джорджа Байрона), 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 Чарльза 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, но Чарльз не дожил до этих дней.

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. 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 Айкен 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.

УЧЕНИКАМ

Добавить комментарий

Закрыть меню