Друзья, настал тот час, когда все мальчики меряются... Мощностью компьютера! Но вот сегодня мне бы хотелось вспомнить можно сказчать первый прототип сего чуда. Не многие знают, что именно Чарльз Бэббидж создал первую программируемую вычислительную машину, сделав попытку реализовать многие идеи, которые в XX веке найдут свое применение в вычислительной технике. Но знаете ли Вы ещё и то, что даже сегодняшний, современный компьютер по сути то так и остался усовершенствованной копией той самой Разностной машины Чарльза Бэббиджа? Давайте именно о этой машине и поговорим.
И так, для начала, дабы немного понять о чём речь- предлагаю не большую цитату Википедии :
Несмотря на то, что разностная машина не была построена её изобретателем, для будущего развития вычислительной техники главным явилось другое: в ходе работы у Бэббиджа возникла идея создания универсальнойвычислительной машины, которую он назвал аналитической и которая стала прообразом современного цифрового компьютера. В единую логическую схему Бэббидж увязал арифметическое устройство (названное им «мельницей»), регистры памяти, объединённые в единое целое («склад»), и устройство ввода-вывода, реализованное с помощью перфокарт трёх типов. Перфокарты операций переключали машину между режимами сложения, вычитания, деления и умножения. Перфокарты переменных управляли передачей данных из памяти в арифметическое устройство и обратно. Числовые перфокарты могли быть использованы как для ввода данных в машину, так и для сохранения результатов вычислений, если памяти было недостаточно.
И так, как всегда предлагаю разделить публикацию на несколько частей. Для начала узнаем кто же такой Чарлз Бэббидж, после чего уже познакомимся с его работами, а в четвёртой части мы поговорим непосредственно о его аналитической машине и о том, почему же эти принципы мы используем до сих пор?
Ну и конечно же, кто, как не Википедия Ивановна нам может рассказать лучше о данном человеке.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИСТОРИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
КАФЕДРА ИСТОЧНИКОВЕДЕНИЯ
ЭССЕ НА ТЕМУ:
АНАЛИТИЧЕСКАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ МАШИНА ЧАРЛЬЗА БЭББИДЖА.
ВВЕДЕНИЕ:
Аналитическая машина, спроектированная выдающимся английским математиком и изобретателем Чарльзом Бэббиджем, является значительной вехой в истории развития средств вычислительной техники. При ее проектировании в 1836-1848 годах Бэббидж фактически задал направление всему последующему развитию электронно-вычислительных машин (далее – ЭВМ). Ведь проект создания аналитической машины предусматривал целый ряд механизмов, присущих нынешним 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 своем эссе я попытаюсь рассмотреть причины, сподвигшие Бэббиджа на попытку создания ЭВМ, выявить идеи, повлиявшие на творческий процесс британского изобретателя, объяснить причины, по которым Бэббиджу так и не удалось создать аналитическую машину, несмотря на огромные моральные и физические затраты ученого.
Хотя сам Бэббидж и не увидел плодов своей работы, его несомненное влияние на более чем вековой процесс создания известного нам компьютера доказывают следующие факты: в 1854 году шведским изобретателем Шойцем была-таки построена разностная машина в лишь немного видоизмененном виде, а в 1991 году, к двухсотлетию Бэббиджа, британские ученые по его чертежам воссоздали разностную машину №2, а также 3,5-тонный принтер. Оба устройства превосходно работают и сейчас – в чертежах Бэббиджа найдено всего две ошибки.
1. ЮНОСТЬ ЧАРЛЬЗА БЭББИДЖА
Чарльз Бэббидж появился на свет 26 декабря 1791 года на юго-западе Англии в городке Тотнес графства Девоншир в семье банкира. Отец его, Бенджамин Бэббидж, банкир фирмы «Прэд, Манкворт и Бэббидж», впоследствии оставил сыну довольно большое состояние. Чарльз был весьма слабым, болезненным ребенком, и поэтому родители не спешили отдавать его в школу. С самого детства он индивидуально занимался с учителем алгебры, и неудивительно, что вскоре она стала его любимой наукой. Ко времени поступления в 1811 году в Тринити-колледж Оксфордского университета, восемнадцатилетний Бэббидж превосходил в своих математических познаниях всех своих сверстников. Остались сведения, что вопросы юного Бэббиджа неоднократно ставили в тупик самих преподавателей колледжа.
Несмотря на болезненность, юный Бэббидж был очень разносторонним и общительным молодым человеком. Наиболее близкими его друзьями в колледже стали Джон Гершель, внук великого астронома У. Гершеля, и Джордж Пикок. Друзья однажды даже заключили прелюбопытное соглашение: «оставить этот мир мудрее, чем он был ими найден».
Спустя год после поступления в колледж Бэббидж и его друзья приняли участие в создании Аналитического общества, направленного на реформирование отдельных постулатов математики Ньютона, преподававшейся в университете, и изучение передовых достижений европейской науки. «Аналитическое общество» стало проводить регулярные заседания, на которых его члены выступали с научными докладами, развило бурную издательскую деятельность. Так, Бэббидж, Гершель и Пикок в 1816 году перевели с французского математический трактат профессора Лакруа и дополнили его двумя томами собственных примеров.
Бэббидж был одаренным студентом, но считал, что его друзья – Гершель и Пикок – достигли в математике куда больших успехов, чем он. Не желая по окончании колледжа быть третьим в списке лучших студентов, Чарльз перевелся в колледж святого Петра. Действительно, там он стал первым студентом и в 1814 году получил степень бакалавра. Спустя три года Бэббидж получил ученое звание магистра.
2. УЧЕНЫЕ ИНТЕРЕСЫ. НАЧАЛО РАБОТ НАД ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАШИНОЙ.
Новоиспеченный магистр был крайне деятельной натурой, обладавшей широчайшим диапазоном научных интересов. В молодые годы он начал писать словарь и грамматику мирового универсального языка, однако эта работа осталась незавершенной. Примерно в это же время Бэббидж заинтересовался возможностью создания вычислительной машины, исключавшей возможность неточных расчетов и математических ошибок при расчете логарифмических таблиц. Существует две красивые легенды касательно того, как Бэббидж окончательно сформулировал для себя задачу создания машины, способной самостоятельно создавать безошибочные таблицы. Согласно первой версии, изложенной Бэббиджем, однажды Гершель принес ему расчеты, выполненные вычислителями Астрономического общества. Однако у Бэббиджа и Гершеля возникли сомнения относительно качества работы вычислителей. Они принялись за утомительную проверку и обнаружили большое число ошибок. Бэббидж сказал: «Я хотел бы, чтобы эти расчеты выполнялись с помощью источника энергии», на что Гершель ответил: «Это вполне возможно». По словам Бэббиджа, этот разговор породил идею, воплощением которой он занимался всю жизнь.
По второй версии, изложенной Бэббиджем, дело обстояло несколько иначе. Однажды вечером Бэббидж сидел в комнате Аналитического общества и размышлял о сложности расчета логарифмических таблиц. В это время в комнату вошел один из его друзей и спросил: «Ну, Чарльз, о чем ты мечтаешь?» Указывая на таблицу логарифмов, Бэббидж ответил: «Я думаю, что все эти таблицы можно рассчитать на машине». Бэббидж пишет, что «это событие, должно быть, произошло в 1812 или 1813 году».
Делом жизни создание вычислительной машины стало для молодого математика после его переезда для продолжения учебы во Францию. Там Бэббидж встречался с великими Пьером Лапласом и Жаном-Батистом Фурье, но наибольшее впечатление на него произвел барон Гаспар де Прони. Именно в трудах де Прони Бэббидж почерпнул мысль о создании технологии вычислений.
Для того, чтобы понять отрешенность, с которой взялся за создание машины британский изобретатель, приведу следующий факт. В 1828 году Бэббидж был избран профессором математики Люкасовского колледжа Кембриджского университета (спустя много лет он скажет, что это была единственная честь, которой он был удостоен в своей стране). Так вот: за 11 лет профессорской деятельности ученый не прочел в университете ни одной лекции, все время посвящая расчетам машины.
Тем не менее, кафедра все-таки отнимала определенное время, и тогда в 1839 году Бэббидж оставляет профессорскую деятельность. Отныне и до конца его жизнь целиком и полностью будет посвящена созданию вычислительных машин.
3. РАЗНОСТНАЯ МАШИНА БЭББИДЖА.
Дабы лучше понять будущие идеи Бэббиджа, рассмотрим подробнее основные научные вехи в жизни де Прони. Правительство обновленной после пе периода империи Франции решило создать новые логарифмические и тригонометрические таблицы. Эту работу ипоручили барону де Прони, руководившему в ту пору Бюро переписи.
Де Прони перенес идею разделения труда на вычислительный процесс. Он распределил исполнителей по трем уровням квалификации: высшую ступень занимали несколько выдающихся математиков, среди которых были Лежандр и Лазар Никола Карно, - они готовили математическое обеспечение. На втором уровне стояли образованные «технологи», которые организовывали рутинный процесс вычислительных работ. Последними в этой структуре были вычислители - computers (первое использование этого слова): их квалификационный максимум - умение складывать и вычитать (обычно вычислителей набирали из девушек легкого поведения, которые после революции решились сменить профессию).
Заслуга де Прони в том, что он нашел алгоритмический и технологический подходы для сведения сложных вычислений к рутинным операциям, не требующим от большинства исполнителей творческого подхода. В принципе, де Прони создал первую вычислительную машину, где в качестве процессора использовались вычислители. Этот подход 150 лет успешно применялся при проведении сложных и даже очень сложных расчетов - от разработки конструкций кораблей до создания первых атомных бомб.
Распределение вычислительноготруда у де Прони наводит Бэббиджа на мысль о замене человека-вычислителя (который неизбежно ошибается) машиной - которой, как полагал Бэббидж, ошибки неведомы.
Британский ученый с головой бросается в новую для него ипостась математической науки. В 1819 году Бэббидж описал машину, способную рассчитывать и печатать большие математические таблицы, и сконструировал машину для табулирования, состоявшую из валиков и шестеренок, вращаемых с помощью рычага. Машина могла производить некоторые математические вычисления с точностью до восьмого знака после запятой. На ней Бэббидж, в частности, Рассчитал таблицу квадратов. После окончания этой машины Бэббидж был полон творческого энтузиазма, полагая, что основные трудности уже пройдены. Дальнейшие планы изобретателя были весьма оптимистичны.
В 1822 г. Бэббидж обратился к президенту Королевского общества Дэви с письмом, в котором предлагал построить разностную машину значительно больших размеров, чем предыдущая, для расчета, в первую очередь, астрономических и навигационных таблиц Работу над постройкой разностной машины Чарльз Бэббидж начал в 1823 году, сразу после того, как получил правительственную стипендию для продолжения работ над созданием вычислительных машин. Разностная машина должна была производить вычисления с точностью до двадцатого знака после запятой. Постройка механизма отняла у Бэббиджа десять лет, ее конструкция становилась все более сложной, громоздкой и дорогой. Именно из-за финансовой несостоятельности проекта работу над созданием разностной машины пришлось прекратить, так и не достигнув осязаемого результата. Правда, разностная машина все-таки будет построена, но лишь спустя без малого 200 лет (см. введение)…
Ценность разностной машины Чарльза Бэббиджа в том, что он впервые предложил машину, которая в отличие от всех предыдущих могла не только производить один раз заданное действие, но и осуществлять целую программу вычислений. Наряду с табулированием полиномов по методу конечных разностей на машине можно было рассчитывать значения функций, не имеющих постоянных разностей, с помощью искусно подобранных эмпирических формул.
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
4. АНАЛИТИЧЕСКАЯ МАШИНА БЭББИДЖА
На момент прекращения работ над созданием разностной машины деятельный мозг Бэббиджа был занят решением уже другой, более тяжелой задачи. Бэббидж пожелал создать новый прибор – Аналитическую машину (AnalyticalEngine). Ее главным отличием от разностной машины должно было стать то обстоятельство, что она была программируемой и могла выполнять любые заданные ей вычисления.
От арифмометра новая машина отличалась наличием регистров. В них сохранялся промежуточный результат вычисления, и с их же помощью выполнялись действия, предписанные программой. Вычислительные возможности, открывшиеся после изобретения регистров, поразили самого Бэббиджа. На этот счет сохранилась следующая реплика изобретателя: «Шесть месяцев я составлял проект машины, более совершенной, чем первая. Я сам совершенно поражен той вычислительной мощностью, которой она будет обладать. Еще год назад я не смог бы в такое поверить!»
Архитектура Аналитической машины Чарльза Бэббиджа уже практически соответствует современным ЭВМ. В ней присутствуют все три классических составляющих компьютера:
Controlbarrel - управляющий барабан (управляющее устройство - УУ), -store - хранилище (теперь мы называем это памятью - ЗУ) -mill - мельница (арифметическое устройство - АУ).
Регистровая память машины Бэббиджа была способна хранить как минимум сто десятичных чисел по 40 знаков, теоретически же могла быть расширена до тысячи 50-разрядных (для сравнения укажем, что запоминающее устройство одной из первых ЭВМ «Эниак» в 1945 г. сохраняло всего 20 десятиразрядных чисел). Арифметическое устройство имело, как мы бы сейчас сказали, аппаратную поддержку всех четырех действий арифметики. Машина производила сложение за 3 секунды, умножение и деление - за 2 минуты. Эта «мельница» состояла из трех основных регистров: два для операндов, а третий для результатов действий, относящихся к умножению. Имелись также таблица для хранения промежуточных результатов и счетчик числа итераций. Основная программа заносилась на барабан (Управляющее устройство), в дополнение к ней могли использоваться перфокарты, предложенные Жозефом Мари Жаккаром еще в 1801 г. для быстрого перехода с узора на узор в ткацких станках.
Большую помощь в разработке машины Бэббиджу оказала Ада Лавлейс (урожденная Байрон). Лавлейс была дочкой знаменитого английского поэта лорда Байрона, но так его никогда и не увидела, так как незадолго до ее рождения он уехал в Грецию, где и погиб в составе отряда повстанцев. Лавлейс бывала в гостях у Бэббиджа со своей подругой Мэри Соммервилл. Бэббидж всегда относился к ним приветливо и подолгу объяснял назначение всех устройств машины. А вскоре он обнаружил незаурядные математические способности Ады Лавлейс. Именно она впоследствии создаст первые в мире теоретические основы программирования, напишет первый учебник по программированию, и войдет в историю как «первая программистка».
Именно Лавлейс принадлежит идея использования для подачи на вход машины двух потоков перфокарт, которые были названы операционными картами и 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, AnalyticalEngine, по замыслу автора, должна была содержать устройство печати и устройство вывода результатов на перфокарты для последующего использования. Так что Бэббидж стал пионером идеи ввода-вывода.
Бэббидж предлагал также создать механизм для перфорирования цифровых результатов на бланке или металлических пластинках. Для хранения информации в памяти ученый собирался использовать не только перфокарты, но и металлические диски, которые будут поворачиваться на оси. Металлические пластинки и металлические диски могут теперь рассматриваться нами как далекие прототипы магнитных карт и магнитных дисков.
Только в одном отношении аналитическая машина не была автоматической. Функции, записанные таблично, должны были быть заранее отперфорированы. Предвосхищая будущее вычислительных машин, Бэббидж писал: «Кажется наиболее вероятным, что она рассчитывает гораздо быстрее по соответствующим формулам, чем пользуясь своими же собственными таблицами». И действительно, в современных вычислительных машинах существует обширная библиотека стандартных подпрограмм, с помощью которой рассчитываются функции различной степени сложности. Интересно, что термин «библиотека» для данного применения также был впервые употреблен Чарльзом Бэббиджем!
5. ПРИЧИНЫ НЕУДАЧИ БЭББИДЖА
И все же, несмотря на целый ряд блестящих догадок и новаторских изобретений, опередивших свое время на целый век, Чарльзу Бэббиджу так и не удалось закончить Аналитическую машину. Основной причиной неудачи является главное достоинство машины: Бэббидж действительно слишком превзошел свое время (не случайно в конце жизни он скажет: «я готов отдать последние годы своей жизни за то, чтобы прожить три дня через 150 лет, и чтобы мне подробно объяснили принцип работы будущих машин»). Как видим, Бэббидж уже не сомневался в будущем развитии вычислительной техники. Дело в том, что одна из двух главных причин незаконченности работы – невозможность в то время обрабатывать металл с высокой степенью точности (в то время как для реализации проекта Аналитической машины только зубчатых колес потребовалось бы несколько тысяч!) И в наши дни технологи бы сильно призадумались над возможностью постройки подобной машины, а в те времена самому Бэббиджу нередко приходилось изобретать технологии производства деталей, отвлекаясь от общего направления проекта.
Второй проблемой являлась финансовая. Если поначалу различные научные общества с энтузиазмом поддерживали Бэббиджа, то совсем скоро они охладели к затратному проекту с размытыми целями. В 1851 году Бэббидж с горечью заявлял, что все, связанное с машиной, он сделал за собственные деньги. Известно, что ученый в целях добычи материальных средств написал роман, пытался избраться в Парламент Британской империи, даже одно время играл в лотерею!
Судьба Бэббиджа – это трагическая судьба ученого, так и не увидевшего плодов своего труда. До самого своего конца он заявлял, что ненавидит жизнь, людей и Английское правительство. Когда он 14 декабря 1871 года почувствовал себя плохо, он сказал лишь одно: «Долгожданное время приходит!». Он умер в этот же день, вечером, на руках у собственного сына, не дожив до восьмидесятилетия всего нескольких дней. На похоронах человека, предвосхитившего развитие вычислительной техники на сотни лет вперед, присутствовало всего лишь несколько близких друзей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Великий английский ученый Чарльз Бэббидж попытался на механической основе создать машину, принадлежащую электронному периоду. Соответственно, это его начинание просто не могло завершиться успехом. Тем не менее, это же несоответствие подчеркивает гениальность Бэббиджа: задолго до возникновения электронных вычислительных машин он разработал принципы построения машин, основные их узлы, установил возможности вычислительных машин и предсказал пути их дальнейшего развития.
При изучении творчества Бэббиджа поражает даже простое перечисление проблем, которые он поставил и пытался разрешить, одни более успешно, другие менее, в аналитической машине: 1) разработка основного состава блоков; 2) планирование большого объема памяти; 3) разделение арифметического и запоминающего устройства; 4) применение изменяемой программы вычислений; 5) передача управления с помощью условного перехода; 6) работа с адресами и кодами команд; 7) контроль считыванием; 8) наличие библиотеки подпрограмм; 9) применение перфокарт, печатание данных ввода и вывода и некоторые другие. Подавляющее большинство из идей Бэббиджа были реализованы спустя сто с лишним лет.
Каждое новое открытие в современной науке заставляет по-новому смотреть на достижения прошлых веков. Если в конце прошлого и начале нашего века имя Бэббиджа было почти забыто, а его работы не были оценены и поняты, то с развитием ЭВМ интерес к его работам и личности возрос.
Бэббидж предстает перед нами как гениальный ученый, во многом предвосхитивший развитие вычислительной техники, ставшей важнейшим проявлением современной научно-технической революции.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Дорофеева А. В. Чарльз Бэббидж и его аналитическая машина: Разраб. проекта вычисл. машины с про-гр. упр. англ. математиком в середине 40-х годов XIX в. //Новые методы и средства обучения - В огл. авт.: Дорофеева В. В. - М. - 1993. - С. 65-69.
2. Дорофеева А. В. Чарльз Бэббидж и его аналитическая машина: [О жизни и деятельности англ. математика, 1791-1871] // Математика в шк. - 1995. – №2. - С. 78-80.
3. И.А. Апокин, Л.Е.Майстров, И.С. Эдлин «Чарльз Бэббидж».
4. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия – 2004. Статьи «Чарльз Бэббидж» и «Ада Лавлейс».
5. Интернет-сайт: http:/joinbiz.ru. Статья: «Чарльз Бэббидж. Человек, опередивший свою эпоху».
6. Интернет-сайт: http:/eakolesnikov.ru. Статья «Краткая история перфокарт».
Одно время его считали гением, потом чуть не посадили в долговую яму.
Да и вправду потраченные суммы были фантастичны для начала 19 века.
А обещанная машина так и не заработала. А он мечтал уже о следующей.
Попутно он изобрел тахометр. Он поднимался с экспедицией на Везувий,
погружался на дно озера в водолазном колоколе, участвовал в археологических
раскопках, изучал залегание руд, спускаясь в шахты.
Почти год он занимался безопасностью железнодорожного движения и сделал
очень много специального оборудования. В том числе создал спидометр.
Кроме того он разработал немало оборудования для обработки металла.
Чарльз Бэббидж родился 26 декабря 1791 года в Лондоне. Его отец, Бенджамин Бэббидж, был банкиром. Мать звали Элизабет Бэббидж. Ее девичья фамилия Тип (Teape). В детстве у Чарльза было очень слабое здоровья. В 8 лет, его отправили в частную школу в Альфингтоне на воспитание священнику. На тот момент его отец уже был достаточно обеспечен, чтобы позволить обучение Чарльза в частной школе. Бенджамин Бэббидж попросил священника не давать Чарльзу сильных учебных нагрузок из-за слабого здоровья.
После школы в Альфингтоне Чарльз был отправлен в академию в Энфилде, где по существу и началось его настоящее обучение. Именно там Бэббидж начал проявлять интерес к математике, чему поспособствовала большая библиотека в академии.
После обучения в академии, Бэббидж обучался у двух репетиторов. Первый был священником, жившим возле Кембриджа. По словам Чарльза, священник не дал бы ему тех знаний, который он мог получить, обучаясь у более опытного репетитора. После священника у Бэббиджа был репетитор из Оксфорда. Он смог дать Бэббиджу основные классические знания, достаточные для поступления в колледж.
В 1810 году Бэббидж поступил в Тринити-колледж в Кембридже. Однако, основам математики он обучался самостоятельно по книжкам. Он тщательно изучал труды Ньютона, Лейбница, Лагранжа, Лакруа, Эйлера и других математиков академий Санкт-Петербурга, Берлина и Парижа. Бэббидж очень быстро обогнал своих преподавателей по знаниям и был сильно разочарован уровнем преподавания математики в Кембридже. Более того он заметил, что Британия вцелом заметно отстала от континентальных стран по уровню математической подготовки.
В связи с этим, он решил создать общество, целью которого являлось внесение современной европейской математики в Кембриджский университет. В 1812 году Чарльз Бэббидж, его друзья, Джон Гершель (John Herschel) и Джордж Пикок (George Peacock) и еще несколько молодых математиков основали «Аналитическое общество». Они стали проводить собрания. Обсуждать различные вопросы, связанные с математикой. Начали публиковать свои труды. Например, в 1816 году они опубликовали переведенный ими на английский язык «Трактат по дифференциальному и интегральному исчислению» французского математика Лакруа, а в 1820 году опубликовали два тома примеров, дополняющих этот трактат. Аналитическое общество своей активностью инициировало реформу математического образования вначале в Кембридже, а затем и в других университетах Британии.
В 1812 году Бэббидж перешел в колледж Св. Петра (Peterhouse). А в 1814 году он получил степень бакалавра. В том же году Чарльз Бэббидж женился на Джорджии Витмур (Georgiana Whitmore), и в 1815 году они переехали из Кембриджа в Лондон. За тринадцать лет брака у них было восемь детей, но пятеро из них умерли в детстве. В 1816 году он стал членом Королевского Общества Лондона. К тому времени он написал несколько больших научных статей в разных математических дисциплинах. В 1820 году он стал членом Королевского Общества Эдинбурга и Королевского Астрономического Общества. В 1827 году он похоронил отца, жену и двоих детей. В 1827 году он стал профессором математических наук в Кембридже, и занимал этот пост в течении 12 лет. После того, как он покинул этот пост, он большую часть своего времени посвятил делу его жизни – разработке вычислительных машин.
Часть разностной машины Чарльза Бэббиджа, собранная после смерти учёного его сыном из деталей, найденных в лаборатории отца.
Малая разностная машина
Впервые Бэббидж задумался о создании механизма, который позволил бы производить автоматически сложные вычисления с большой точностью в 1812 году. На эти мысли его натолкнуло изучение логарифмических таблиц, при пересчёте которых были выявлены многочисленные ошибки в вычислениях, обусловленные человеческим фактором. Ещё тогда он начал осмысливать возможность проведения сложных математических расчётов при помощи механических аппаратов.
Однако, Бэббидж не сразу начал заниматься развитием идеи построения вычислительного механизма. Лишь в 1819 году, когда он заинтересовался астрономией, он более точно определил свои идеи и сформулировал принципы вычисления таблиц разностным методом при помощи машины, которую он впоследствии назвал разностной. Эта машина должна была производить комплекс вычислений, используя только операцию сложения. В 1819 году Чарльз Бэббидж приступил к созданию малой разностной машины, а в 1822 году он закончил её строительство и выступил перед Королевским Астрономическим обществом с докладом о применении машинного механизма для вычисления астрономических и математических таблиц. Он продемонстрировал работу машины на примере вычисления членов последовательности. Работа разностной машины была основана на методе конечных разностей. Малая машина была полностью механической и состояла из множества шестерёнок и рычагов. В ней использовалась десятичная система счисления. Она оперировала 18 разрядными числами с точностью до восьмого знака после запятой и обеспечивала скорость вычислений 12 членов последовательности в 1 минуту. Малая разностная машина могла считать значения многочленов 7-ой степени.
За создание разностной машины Бэббидж был награждён первой золотой медалью Астрономического общества. Однако, малая разностная машина была экспериментальной, так как имела небольшую память и не могла быть использована для больших вычислений.
Работающая копия разностной машины в лондонском Музее науки
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»
(англ. Difference Engine No. 2
).
Основываясь на работах и советах Бэббиджа, шведский издатель, изобретатель и переводчик Георг Шутц (швед. Georg Scheutz ) начиная с 1854 года сумел построить несколько разностных машин и даже сумел продать одну из них канцелярии английского правительства в 1859 году. В 1855 году разностная машина Шутца получила золотую медаль Всемирной выставки в Париже. Спустя некоторое время другой изобретатель, Мартин Виберг (швед. Martin Wiberg ), улучшил конструкцию машины Шутца и использовал её для расчёта и публикации печатных логарифмических таблиц.
Разностный калькулятор Шутца
Аналитическая машина Бэббиджа:
Несмотря на то что разностная машина
не была построена её изобретателем, для будущего развития вычислительной техники главным явилось другое: в ходе работы у Бэббиджа возникла идея создания универсальной вычислительной машины, которую он назвал аналитической
и которая стала прообразом современного цифрового компьютера. В единую логическую схему Бэббидж увязал арифметическое устройство (названное им «мельницей»), регистры памяти, объединённые в единое целое («склад»), и устройство ввода/вывода, реализованное с помощью перфокарт трёх типов. Перфокарты операций переключали машину между режимами сложения, вычитания, деления и умножения. Перфокарты переменных управляли передачей данных из памяти в арифметическое устройство и обратно. Числовые перфокарты могли быть использованы как для ввода данных в машину, так и для сохранения результатов вычислений, если памяти было недостаточно.
В целом Беббиджа подвела недостаточная точность металлообработки того времени и конечно недостаток финансирования
В дальнейшем на протяжении почти столетия ничего похожего на Аналитическую машину не появилось, однако идея использования перфокарт для обработки данных была опробирована довольно скоро. Спустя 20 лет после смерти Бэббиджа американский изобретатель Герман Холлерит создал электромеханическую счетную машину – табулятор, в которой перфокарты использовались для обработки результатов переписи населения, проводившейся в США в 1890 г.
Принтер! для машины Бэббиджа:
Последние годы жизни Бэббидж посвятил философии и политической экономии.
Чарльз Бэббидж умер в возрасте 79 лет 18 октября 1871 года.
Машина различий Бэббиджа:
PS.
Многое из того, что известно об этой машине, дошло до нас благодаря научным трудам одаренного математика-любителя Огасты Ады Байрон (графини Лавлейс), дочери поэта лорда Байрона. В 1843 г. она перевела статью об Аналитической машине, написанную одним итальянским математиком, снабдив ее собственными подробными комментариями, которые касались потенциальных возможностей машины.
В период 1989 по 1991 год к двухсотлетию со дня рождения Чарльза Бэббиджа на основе его оригинальных работ в лондонском Музее науки была собрана работающая копия разностной машины № 2
. В 2000 году в том же музее заработал принтер, также придуманный Бэббиджем для своей машины. После устранения обнаруженных в старых чертежах небольших конструкционных неточностей, обе конструкции заработали безупречно. Эти эксперименты подвели черту под долгими дебатами о принципиальной работоспособности конструкций Чарльза Бэббиджа (некоторые исследователи полагают, что Бэббидж умышленно вносил неточности в свои чертежи, пытаясь таким образом защитить свои творения от несанкционированного копирования).
Источники:
1.
Биография Чарльза Бэббиджа
2.
Чарльз Бэббидж — изобретатель и… политэконом
3.
Нас переехали колеса Бэббиджа
4.
http://www.sciencemuseum.org.uk/onlinestuff/stories/babbage.aspx
Из всех изобретателей прошлых веков, которые внесли свой вклад в развитие вычислительной техники, к созданию компьютера в сегодняшнем его понимании, ближе всех подошел английский математик и изобретатель Чарльз Бэббидж.
Он родился в графстве Девоншир в 1792 году в богатой семье банкира. С детства славился остротой ума и выделялся своими чудачествами. В 1827 году стал заведующим кафедрой математики Кембриджского университета, и занимал этот пост 13 лет, не прочитав ни одной лекции.
Чарльз Бэббидж также участвовал в основании Королевского астрономического общества, был автором работ на различные темы – от технологии производства до политики.
Чем только не занимался этот эксцентричный гений. Он создал такие приборы как тахометр и спидометр, придумал множество полезных приспособлений, например, предохранительную решетку для железнодорожного локомотива, которая отбрасывала с пути случайные предметы. Также занимался расчетами смертности населения и реформой почтовой службы.
Главной страстью Бэббиджа была постоянная борьба за математическую точность. Он боролся с ошибками в таблицах логарифмов, которыми тогда пользовались математики, астрономы и штурманы. Однажды его возмутили строки поэта А. Теннисона – «Каждый миг какой-то человек умирает, каждый миг рождается другой», и математик поправил их – «Каждый миг один человек умирает, каждый миг рождается один и одна шестнадцатая другого».
Важнейшее достижение Бэббиджа – разработка принципов, которые легли в основу современного компьютера. Несколько десятилетий жизни, тысячи фунтов стерлингов субсидий правительства и собственных сбережений были потрачены на попытки создания вычислительной машины.
В 1822 г. в своей научной статье Чарльз Бэббидж описал машину, которая способна рассчитывать и воспроизводить большие математические таблицы. Он анонсировал ее как «Разностную машину», и уже построил пробную модель. Модель состояла из валиков и шестеренок, которые вращались вручную при помощи рычага. Получив поддержку Королевского общества, он обратился к правительству за финансированием на создание машины.
Бэббидж предполагал, что машина будет способна выполнять утомительную работу многократно повторяющихся математических расчетов. Через год на реализацию проекта было выделено 1500 фунтов стерлингов. Следующие десять лет он посвятил работе над своим изобретением, но его Разностная машина в процессе работы и модификации становилась все сложнее. В то же время Бэббиджа стали преследовать личные проблемы, болезни и недостаток финансов.
Сумма правительственных субсидий возросла до 17000 фунтов стерлингов, было потрачено 6000 личных сбережений, а работа все еще не была закончена. Через несколько лет, разочаровавшись в проекте, правительство приостановило выделение средств на ее создание.
Бэббидж хотел отказаться от своих планов, но в 1833 году его осенила идея создания еще более сложной и мощной установки – Аналитической машины Бэббиджа. Она-то и стала прототипом современного компьютера, так как должна была не только решать однотипные математические задачи, но и выполнять более сложные вычислительные операции, заданные оператором.
Аналитическая машина должна была быть оснащена «мельницей» и «складом», которые состояли из механических рычажков и шестеренок – то, что мы сегодня называем арифметическим устройством и памятью. Склад вмещал до 100 сорокаразрядных чисел, которые там хранились и ждали своей очереди в арифметическом устройстве. Все проведенные операции должны были либо храниться в памяти, либо распечатываться. Команды вводились в машину с помощью перфокарт.
Графиня Лавлейс – единственный законный ребенок известного поэта лорда Байрона, незаурядный математик и литератор, ярая поклонница идей Бэббиджа, сравнивала Аналитическую машину с ткацким станком Жаккарда , которая плетет алгебраические узоры так же, как станок цветы и листья. Она одна из немногих понимала принцип работы машины и представляла ее революционную сущность.
Графиня лучше самого Беббиджа могла формулировать его идеи, воодушевляла математика и заражала своим энтузиазмом. Но всех совместных усилий не хватило для того, чтобы довести до конца создание Аналитической машины.
Внешне механизм должен был получиться размером с железнодорожный локомотив, внутренние конструкции представляли собой нагромождение деталей из стали, меди и дерева, часовых механизмов, которые приводились в действие с помощью парового двигателя.
Она так и не была построена. До наших дней сохранились чертежи и рисунки, небольшая часть арифметического и печатного устройств, которые создал уже сын Чарльза Бэббиджа.
Как ни странно, но первое изобретение Бэббиджа – Разностная машина была, все же, воплощена в жизнь шведским издателем, изобретателем и переводчиком Пером Георгом Шойцом. Он, воспользовавшись работами Бэббиджа, построил свой вариант машины. Бэббидж, испытал смешанные чувства, наблюдая за успешными испытаниями Разностной машины Шойца. По иронии судьбы, британское правительство, которое остановило финансирование машины Бэббиджа, заказало для своей канцелярии одну из таких машин.
Алан Тьюринг считал аналитическую машину Бэббиджа таким же компьютером, как и современные, только реализованную с помощью механических устройств: «Часто предают значение тому обстоятельству, что современные цифровые машины являются электронными устройствами. Но поскольку машина Бэббиджа не была электрическим аппаратом и поскольку в известном смысле все цифровые машины эквивалентны, становится ясно, что использование электричества в этом случае не может иметь теоретического значения».
Современная копия разностной машины Бэббиджа экспонируется в Лондонском музее науки. Этот экспонат весит 3 тонны, его размеры – 2,1х3,4х0,5 м. Копия была построена инженерами Р. Криком и Б. Холловеем. На машине можно распечатать сувенир – решение уравнения.
Демонстрация работы машины на странице www.youtube.com/embed/qctHEGKr9Zs :
Небольшое видео о работе Бэббиджа на странице www.youtube.com/watch?v=QVxbNZWLP60 :
(Для начала советую прочесть и части статьи.)
Разностная машина Чарльза Бэббиджа впервые позволила автоматизировать процесс вычислений и производить его в некоторой степени без вмешательства человека. Как было сказано в предыдущей части, для вычисления функций типа логарифма, тригонометрических функций и прочих, их необходимо было разбить на участки, каждый из которых представлялся своим многочленом, и только потом можно было произвести расчёт значений функции для данного участка. Переходя от одного многочлена к другому, оператор машины должен был вручную ввести все исходные значения регистров. К тому же машина позволяла производить только операцию сложения, что было не много даже по меркам 19го века.
Раздумывая над этой проблемой, Бэббидж пришёл к выводу, что можно построить такую машину, которая бы сама меняла значения исходных регистров в зависимости от значения результата. То есть сама бы могла управлять процессом вычислений. В дальнейшем, развивая эту идею, Бэббидж пришёл к мысли не просто сделать машину, которая бы табулировала функцию полностью автоматически, а создать машину которая бы позволяла решать весь класс вычислительных задач. Для этого алгоритм такой машины должен быть не жёстко зашит в её конструкцию, а задаваться извне, а сама машины должна уметь выполнять все арифметические операции, а также управлять ходом выполнения вычислений. Новую вычислительную машину Бэббидж назвал Аналитической.
Основными частями Аналитической машины являлись:
1.«склад» - устройство для хранения чисел, то есть память в современной терминологии;
2.«мельница» - устройства для выполнения арифметических действий (Арифметическое устройство);
3.устройство, управляющее операциями машины;
4.устройства ввода и вывода;
(Элемент «мельницы». Рисунок Генри Бэббиджа. )
В такой архитектуре не сложно узреть прообраз современного компьютера с его памятью, процессором (мельница + устройство управления) и устройствами ввода вывода.
«Шину обмена» данными между АЛУ и памятью представлял собой набор зубчатых реек. Объём памяти должен был составлять тысячу чисел по 50 десятичных знаков. Для числа из 50-ти десятичных разрядов со знаком необходимо 168 бит, то есть объём ОЗУ был чуть больше двадцати килобайт. Для сравнения советую посмотреть объём ОЗУ первых компьютеров.
Как было сказано в предыдущей части, работая над аналитической машиной, Бэббидж придумал оригинальную схему предварительного переноса. Стоит сказать, что перед этим он продумал более двадцати вариантов исполнения схемы последовательного переноса, прежде чем понял, что для кардинального ускорения процесса необходим совершенной иной принцип.
Как и в разностной машине, регистры, хранящие числа, представляли собой зубчатые колёса. Знак числа задавался отдельным зубчатым колесом. Если данное колесо отображало чётное число, то это интерпретировалось как положительный знак, иначе как отрицательный.
Операции умножения и деления предполагалось реализовать как последовательные сложения или вычитания.
Расчётное время выполнения операций должно было составлять одну секунду для сложения и вычитания и одну минуту для умножения и деления, что не так уж и плохо для 19го века.
Для ввода данных в память и управлением работой машины, Бэббидж задумал использовать перфокарты. На тот момент они уже существовали не один десяток лет, и были изобретены Жаккаром Жозефом-Мари для управления узором автоматизированного ткацкого станка.
Аналитическая машина использовала два механизма с перфокартами - один механизм задавал операции, которые должна была выполнять мельница, второй же управлял переносом данных между «мельницей» и «складом».
(Ткацкий станок с картами Жаккара. )
Во время прибывания Бэббиджа в Италии к нему обратился метематик, профессор Мосотти. «Он заметил, что теперь вполне готов поверить в способность механизма овладеть арифметическими и даже алгебраическими соотношениями в любой нужной степени. Но он добавил что не может понять, как машина может сделать выбор, который часто необходим при аналитическом исследовании (то есть в процессе вычислений), когда представляются два или более путей, особенно в том случае, когда правильный путь, как это часто бывает, неизвестен до тех пор, пока не проделаны предшествующие вычисления». На этот случай в Аналитической машине была предусмотрена возможность организации условного выполнения и циклов. Для этого механизм переноса последнего разряда управлял движением перфокарт и мог заставить этот механизм повторить действие либо пропустить его.
Устройства вывода позволяли выводить на печать в результат вычислений машины в одной или двух копиях, воспроизводить в виде стереотипного отпечатка или пробивать результат на перфокартах.
Работая над аналитической машиной, Бэббидж сделал более 200 чертежей её различных узлов и около 30 вариантов компоновки машины. Однако размер замысла, и сложный характер изобретателя отсрочили рождение его изобретений на добрую сотню лет. Если взглянуть на разностную машину, которая по замыслу Бэббиджа должна был табулировать до 20-го знака функции с постоянными седьмыми разностями, то близкая по возможностям машина появилась в 1934-м году - она табулировала функции с постоянными разностями седьмого порядка и с точностью до 13 знаков. Что же говорить об исполинских возможностях задуманной аналитической машины…
(Часть печатающего механизма машины. )
После смерти Чарльза Бэббиджа, его сын, Генри, занялся аналитической машиной, решив сосредоточиться на двух узлах - «мельнице» и печатающем устройстве. В 1888-м году были готовы данные узла машины, которые смогли вычислить и напечатать произведение на числа натурального ряда с 29 знаками. При вычислении 32-го члена машина выдала неверный результат из-за сбоя в механизме переноса. Всю оставшуюся жизнь Генри продолжал работу над аналитической машиной отца, а также занимался популяризацией идей вычислительных машин.
Не смотря на то, что Бэббидж за свою жизнь написал немало книг и статей, он так и не создал подробного изложения принципов работы разностной и аналитической машины, так как считал создание машин более важным занятием, нежели их описание. Подробное описание разностной машины было дано Дионисием Ларднером, а аналитическая машина была описана в статье Луиджи Фредериго Менабреа. Именно эта статья и привела к тому, что на свет появилась первая в мире программа и первый программист. Честь носить такое звание имеет Ада Августа Лавлейс, дочь поэта Байрона. Чарльз Бэббидж был знаком с семьёй юной талантливой девушки и всячески поощрял её тягу к науке. Однажды Ада заинтересовалась вычислительными машинами Бэббиджа и взялась за перевод статьи Менабреа. Работая над переводом, 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). Подробнее углубляться в биографию Ады я не буду, т.к. данная тема уже была на хабре.
Судьба Чарльза Бэббиджа была не менее сложная, чем судьба его вычислительных машин. Отношение современников к этому учёному со временем менялось от гения до чудака и даже до изобретателя, повредившегося рассудком на почве вычислительных машин. За свою жизнь он создал большое количество разнообразных изобретений, таких как спидометр, динамометр, придумал единый почтовый тариф и прочее. Президент Королевского общества лорд Росс писал что «Бэббидж только своими изобретениями в области машиностроения вполне возместил те средства, которые правительство вложило в строительство его разностной машины».
Идея, родившаяся в девятнадцатом веке и ставшая реальностью в веке двадцатом, сделала переворот не только в науке, но и в нашей повседневной жизни. Жизнь Бэббиджа, история создания его вычислительных машин является ярчайшим примером того на сколько дальновидным и упорным может быть гений, и на сколько тернистым и долгим бывает путь созидания.
PS: Всем кому интересны механические вычислительные машины, их история создания, описание конструкции и принципов работы и зарождение их электронных собратьев рекомендую найти и прочитать книгу «От абака до компьютера» за авторством Р. С. Гутера и Ю. Л. Полунова 1981 года издания.
