Чем прославился Чарльз Бэббидж? Вклад в информатику. Аналитическая машина Бэббиджа Чарльза: описание, особенности, история и свойства

Сообщение о Чарльзе Бэббидже, известном английском математике, изобретателе первой аналитической вычислительной машины изложено в этой статье. Доклад Вы можете дополнить .

Чарльз Бэббидж краткая биография

Будущий ученый появился на свет 26 декабря 1791 года в пригороде Лондона (в современном городке Саутворк) в семье банкира. Юноша рано проявил интерес к математике, которую унаследовал от отца. Чарльз в октябре 1810 года поступает в колледж Кембриджа – Тринити и занимается изучением химии и математики. Однажды студент решил, что знает больше преподавателей, чем сильно их расстроил. Вместе со своими друзьями они создали клуб «Аналитическое общество», цель которого сделать мир намного мудрее и возродить изучение математики в стране. После колледжа Беббидж думал поступать в церковь, но ему не хватило финансов. Задумывался о горном деле, считая его потенциальным прибыльным предприятием, но вскоре отказался и от этой задумки.

Жизнь и деятельность Чарльза Бэббиджа была полностью посвящена математики. Он серьезно изучал алгебру и в период 1815 – 1820 годов написал много научных статей на тему теорий функции. По политическим взглядам он придерживался либерализма. Когда к власти пришли консерваторы, ученый не смог найти достойной работы. Он несколько раз пытался получить место профессора, но тщетно. Поэтому Чарльз продолжил заниматься своими исследованиями и изобретениями. Ему принадлежит создание офтальмоскопа, фонарика, приборов для измерения давления при движении поезда. Кроме того, он страсть как любил шифрования.

Чарльз Бэббидж основные достижения

Чарльз Бэббидж изобретения которого намного опередили свое время, всю свою жизнь посвятил изобретению машины, которая выполняла бы операции вычисления и выведения на печать математических таблиц без ошибок. В 1822 году математик спроектировал свою первую машину,– небольшое рабочее устройство, способное автоматически вычислять таблицы. Управляла она шестизначными числами и могла выражать любую функцию. Как называлась машина изобретенная Чарльзом Бэббиджем? Это была «Разносная машина №1».

Выступая 14 июня 1822 года перед астрономическим Королевским обществом, ученый предложил создать устройство в натуральную величину. И получил финансовую поддержку. Он хотел построить ее через 2-3 года, но как оказалось, что собрать все детали вместе намного сложнее. Последующие годы он занимался проектированием деталей машины, став одержимым этой идеей. Спустя пару лет, в 1834 году ученый создал элементы современного компьютера. Новое устройство получило название «Аналитическая машина». Если бы его удалось собрать, то это был бы первый компьютер. Инструкции по вычислению вводились бы через перфокарты, потом сохранялись на складе (в памяти) и могли повторно применяться при исчислениях.

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.

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 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.

Английский математик и инженер Чарльз Бэббидж (1791-1871) является одной из самых значительных фигур в предыстории компьютерных вычислений. Его по праву называют отцом вычислительной техники. Построенная им разностная машина № 1 (Difference Engine № 1) была первым успешным автоматическим устройством и остается примером инженерной точности даже в наше время. Хотя идеи Бэббиджа прямо не повлияли на создание современных компьютеров, его Аналитическая машина, задуманная в 1834 г., обладала всеми существенными логическими возможностями сегодняшних универсальных ПК.

Чарльз Бэббидж родился 26 декабря 1791 г. в Уолворте, графство Суррей, Англия. Он был одним из четырех детей в семье банкира Бенджамина Бэббиджа и Элизабет Тип (Elizabeth Teape). В юные годы Чарльз самостоятельно изучал алгебру, в которую был прямо-таки влюблен, а также штудировал труды многих европейских математиков. Посещая Тринити-Колледж в Кембридже в 1810 г., он обнаружил, что опережает в этой области некоторых учителей. Свое образование он завершил в в 1814 г. в Питерхаузе (колледж Святого Петра, Кембридж). В 1816 г. Чарльз Бэббидж был избран членом Королевского общества и занимал должность Лукасовского профессора математики (основана лордом Генри Лукасом в 1663 г.) в Кембриджском университете с 1828 г. по 1839 г.

Для правильной оценки мотиваций Чарльза Бэббиджа необходимо немного представить «технологическую атмосферу» 20-30-х годов XIX столетия. Это было время беспрецедентных инженерных амбиций. Транспорт, коммуникации, архитектура и производство находились в состоянии лихорадочных изменений. Изобретатели и конструкторы использовали новые материалы и процессы, и, казалось, инновациям не будет конца. Паровые машины неуклонно заменяли тягловую силу животных, металлические пароходы начали конкурировать с парусными судами, сеть железных дорог стремительно расширялась, а телеграф совершил революцию в коммуникациях. Расцвет науки, инженерии и появление новых технологий сулили неограниченные возможности.

В то же время архитекторы, математики, астрономы, штурманы, специалисты ряда других профессий, в общем, все, кому необходимо было выполнять нетривиальные вычисления, использовали для этого напечатанные числовые таблицы, которые вычислялись, копировались, проверялись и набирались для печати вручную. Однако людям свойственно ошибаться, и предчувствие, что необнаруженная в расчетах ошибка приведет к катастрофе, никогда не покидало пользователей этих таблиц. Современник Бэббиджа Дионисиус Ларднер (Dionysius Lardner) написал в 1834 г., что случайная выборка из 40 томов числовых таблиц содержала не менее 3700 подтвержденных ошибок и неизвестное количество неподтвержденных. Это обусловливалось тремя основными причинами: ошибками в вычислениях, при подготовке рукописей и при наборе и печати.

Чарльз Бэббидж был не только экспертом в числовых таблицах, но и большим их поклонником: его собственная коллекция насчитывала около 300 томов и слыла самой представительной в мире. Он весьма критически относился к ошибкам, и его основным мотивом для разработки счетной машины стало желание удалить риск их возникновения при создании математических таблиц.

Довольно активные попытки автоматизировать вычисления предпринимались еще в XVII-XVIII веках. Приведем здесь наиболее известные примеры. Так, в 1623 г. Вильгельм Шиккард (Wilhelm Schickard) построил первый дискретный автоматический калькулятор и таким образом, по существу, открыл компьютерную эру. Его устройство, которое называлось «вычисляющие часы», было способно складывать и вычитать шестизначные числа и сообщало о переполнении звуком колокольчика. Операции выполнялись с помощью колесиков, и полный оборот колесика единиц инкрементировал колесо десятков. Эта концепция впоследствии нашла широкое применение. Шиккард был другом Иоганна Кеплера, и говорят, что тот пользовался изобретением Шиккарда при своих вычислениях. И машина, и ее чертежи пропали во время войны. Она была вновь «переоткрыта» в 1935, чтобы снова затеряться в очередной войне, а затем еще раз в 1956 г., и реконструирована в 1960-м.

Блез Паскаль построил суммирующий аппарат в 1642 г. Хотя его Pascaline была и не столь мощной, как машина Шиккарда, она получила большую известность. Он собрал около 50 штук, но смог продать только дюжину различных модификаций, работающих с восьмизначными числами.

В 1671 г. известный математик Готфрид Лейбниц разработал устройство, которое могло умножать пяти- и двенадцатиразрядные числа и давать шестнадцатиразрядный результат. Оно затерялось на чердаке и было вновь изобретено в 1879 г. Однако наибольшим вкладом Лейбница в вычисления считается введение им двоичной системы счисления, использующейся сегодня во всех компьютерах. Но вернемся к Чарльзу Бэббиджу.

Предание гласит, что в 1821 г. Бэббидж и его друг, астроном Джон Гершель (John Hershel), сын известного астронома сэра Уильяма Гершеля, открывшего планету Уран, проверяли вручную числовые таблицы и находили одну ошибку за другой. Тогда Чарльз в отчаянии воскликнул: «Господи, если бы эти вычисления выполнялись с помощью пара!». Именно после этого он задумал сконструировать механический вычислитель беспрецедентной величины и сложности. Стереотипирование - процесс автоматической штамповки результатов - должно исключить ошибки при тиражировании таблиц. Таковым являлся план, который изобретатель, к сожалению, не смог реализовать при жизни. И причиной тому стали отнюдь не принципиальные ошибки.

Итак, Бэббидж начал работу над своим проектом в 1821 г. В отличие от калькуляторов Шиккарда, Паскаля и Лейбница, разностная машина Бэббиджа предназначалась не для выполнения базовой арифметики, а для вычисления полиномов, имеющих множество приложений, и автоматической печати результатов. Она использовала метод разделенных разностей, хорошо известный тогда. Его преимущество заключается в том, что вычисление значений полиномов (в частном случае) на последовательности равноотстоящих точек не требовало производить операции умножения и деления, а сложение на механических калькуляторах было реализовать намного легче.

Однако технологические требования для производства частей машины Бэббиджа выходили за стандарты существующей на тот момент инженерной практики. Сложные формы деталей нуждались в специальных шаблонах и инструментах, к тому же необходимо было изготовить сотни идентичных деталей с довольно высокой точностью. К сожалению, Бэббидж задумал свою машину в то время, когда технология производства находилась в переходном периоде между ручным штучным и массовым изготовлением, и средств для автоматического производства повторяющихся деталей еще не было.

Конечно, Бэббидж тщательно рассмотрел существующие технологию и практику производства, посетив фабрики и мастерские как в Англии, так и на континенте. И сделал неутешительные выводы: точность и сложность требуемых для его машины деталей находятся за пределами возможностей технологии того времени. Согласно проекту полноразмерная разностная машина № 1 должна была состоять приблизительно из 25 тыс. деталей, суммарный вес которых достигал примерно 15 т. В собранном виде ее размеры составляли 2,1×2,5×0,9 м (Д×В×Ш).

Для создания проекта Чарльз Бэббидж нанял опытного инструментальщика и чертежника Джозефа Клемента (Joseph Clement). Законченная часть машины была собрана в 1832 г. и сегодня является одним из наиболее известных экспонатов в предыстории вычислительной техники. Это старейший из сохранившихся автоматических калькуляторов и пример непревзойденной по тем временам точности изготовления.

Надо сказать, что Бэббидж получил от правительства огромный грант - 17 500 фунтов стерлингов. Но работа над машиной остановилась в 1833 г., когда Клемент отказался от дальнейшего участия ввиду неразрешимого спора о компенсации за перемещение его мастерской на расстояние 4 мили к новому жилищу Бэббиджа. Так это устройство никогда и не построили. Около 12 тыс. неиспользованных частей, изготовленных с высокой точностью, позднее расплавили на лом. За средства, потраченные на разработку, можно было купить 22 новых паровоза на фабрике Роберта Стивенсона - чудовищная сумма в 1831 г.

Но Чарльз Бэббидж не сдался. В 1834 г. он задумывает новый, более амбициозный проект - универсальную программируемую вычислительную машину, впоследствии названную аналитической (Analytical Engine). Это был качественный скачок как в отношении логической концепции, так и инженерной конструкции. Данная модель расценивается как одно из замечательнейших интеллектуальных достижений XIX столетия.

Аналитическая машина обладала многими особенностями, присущими современным цифровым компьютерам. Она программировалась с помощью перфокарт - идея была заимствована из ткацкого станка Жаккарда, где они использовались для выработки крупноузорчатых тканей. Машина имела «склад», где хранились числа и промежуточные результаты, и отдельную «фабрику», выполняющую арифметические операции. В нее были «встроены» четыре арифметические функции, и она могла осуществлять прямые операции умножения и деления. Аналитическая машина также выполняла ряд действий, которые в современной терминологии носят названия «условный переход», «цикл», «микропрограммирование», «параллельная обработка», «защелка», «опрос», хотя сам Бэббидж никогда не применял этих терминов. В ней предполагались разные устройства вывода, включающие вывод на печать, перфоратор, плоттер и автоматическое получение стереотипов для изготовления печатных форм.

Логическая структура аналитической машины, по существу, совпадала с таковой для современных компьютеров: отдельные память (склад) и центральный процессор (фабрика), последовательные операции, использующие цикл «выборка-исполнение», и блоки для ввода и вывода данных и инструкций.

Небезынтересно отметить, что в 1833 г. на сцене появляется Ада Лавлейс, дочь английского поэта лорда Байрона, эпатировавшего лондонский истеблишмент до такой степени, что даже Пушкин, тоже не подарок, от него открещивался. «Нет, я не Байрон, я - другой...», - писал он, возможно, с сожаленьем.

Чарльз Бэббидж встретил ее на какой-то вечеринке. Лавлейс, которой исполнилось тогда семнадцать, имела некоторые познания в математике, что считалось весьма необычным для женщин того времени. Она познакомилась с небольшой рабочей секцией машины и сразу же стала приверженцем работы Бэббиджа. В 1843 г. Лавлейс перевела и опубликовала статью итальянского инженера Луиджи Менабреа (Luigi Menabrea) и написала к ней довольно обширное приложение, занимавшее в три раза больший объем, чем сам оригинал. Оно включало описание шагов, которые должна была сделать машина для решения определенной математической задачи, то есть, по сути, представила первое описание программы.

Лавлейс предположила, что машина способна выйти за границы чисел и манипулировать символами по определенным правилам. Она увидела, что числа могут быть представлены другими сущностями - например, буквами алфавита, и вместо манипулирования только цифрами вычислительные машины расширят свои возможности.

Эта запись, как показал XX век, оказалась пророческой, и появления программ Бэббидж не предвидел, несмотря на прозорливость.

В процессе работы над аналитической машиной он понял, как можно упростить разностную машину, и в период между 1847 г. и 1849 г. приступил к созданию ее второго варианта - Difference Engine № 2. Проект был более элегантный, поскольку вобрал в себя многие наработки от аналитической машины и требовал в три раза меньше деталей, чем предыдущий, при этом сохраняя все его возможности. С 8 тыс. деталей машина весила бы 5 т.

Бэббидж не предпринимал никаких попыток построить разностную машину № 2. Нужно сказать, что кроме нескольких частично завершенных механических сборок и тестовых моделей небольших работающих секций, ни одна из машин изобретателя не была построена в течение его жизни.

Чтобы доказать тезис, что только ограниченные возможности технологий викторианской эпохи стали основной причиной того, что Бэббидж не смог построить свои машины, Музей науки в Лондоне начал в 1985 г. создавать разностную машину № 2 по его оригинальным чертежам и из материалов, которые наиболее соответствовали бы тому периоду. Для производства повторяющихся деталей использовалась современная техника, точность же постарались оставить на уровне времен Бэббиджа. Вычислительная секция устройства, законченная в 1991 г., состоит из 4 тыс. движущихся деталей (исключая печатающий механизм) и весит 2,6 т. Ее длина достигает 3,4 м, высота - 2,1 м, а ширина - 5,5 м. В 2000-2002 гг. Музей добавил печатающее устройство, которое по размерам оказалось почти таким же, как и калькулятор, и весило 2,5 т, а также аппаратуру для стереотипирования. Таким образом, в целом проект занял 17 лет.

Дубликат машины и принтера, или «второй оригинал», закончили в апреле нынешнего года для частного благотворителя проекта Натана Мирвольда (Nathan Myhrvold), в прошлом вице-президента Microsoft. Мирвольд любезно согласился немного подождать с доставкой машины в его резиденцию и «одолжил» этот уникальный экспонат Музею истории компьютера в Маунтейн-Вью, Калифорния, где он будет выставлен вплоть до мая 2009 г. Можно сказать, что постиндустриальный век отдал должное человеку, который заложил его основы еще 160 лет назад.

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.

Удобство и инженерная эффективность

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.

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 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 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.

История знает немало людей, которые родились явно раньше, чем следовало. И, соответственно, опередили своё время. В смысле, вышли за пределы уровня научно-технического развития своей эпохи. В девятнадцатом веке одним из таких талантов был Чарльз Бэббидж, английский учёный, математик, изобретатель... компьютера. Да, именно вычислительной машины , пусть и механической.

Как всё начиналось

Чарльз Бэббидж (Charles Babbage) родился 26 декабря 1791-го года в Лондоне. Аккурат в то время, когда человечество едва созрело для покорения электричества и начало конструировать первые источники тока.

Сын успешного банкира, Чарльз учился сначала в частной школе, а затем в Энфилдской академии и в Кэмбридже. Об автоматизации вычислений юноша задумался ещё в 1812-м. Однако строить механизм взялся лишь через семь лет, предварительно изучив счётное устройство Блеза Паскаля («Паскалину») и механический калькулятор Готфрида Лейбница.

Три года упорного труда - и в 1822-м изумлённое Королевское Астрономическое сообщество слушает доклад молодого конструктора о новом аппарате, получившем название «разностный механизм» (Difference Engine).

Почему такое странное наименование? На самом деле в нём нет ничего странного, ведь использовался так называемый метод конечных разностей.

В общем, валики с шестерёнками пришли в движение, немножко покрутились - через несколько минут был готов результат. И астрономы, и математики возрадовались: больше не нужно тратить долгие часы на расчёты, корпеть над бумажками в свете свечей и потом искать ошибки, допущенные из-за усталости.

Большая разностная машина

«Ух ты!» - дружно воскликнуло вышеупомянутое Королевское Астрономическое сообщество. - «Вот это да! Держите золотую медаль!» Чарльз Бэббидж ответил примерно так: «Хочу построить такую же штуковину, но большую. Эта - всего лишь малая. Но требуется финансирование...» Сообщество успокоило: «Деньги нужны? Дадим! Как же не дать, прогресс ведь!» И работа закипела.

Первый в мире механический компьютер планировался огромным, высотой с одноэтажный дом. Он должен был содержать 25 тысяч элементов и весить полтора десятка тонн. С оперативной памятью в тысячу ячеек вместимостью пятьдесят разрядов каждая.

Впрочем, строительство «большой разностной машины» затянулось на долгие годы. То здоровье подводило, то в личной жизни трагедии сыпались одна за одной. Ну а основная причина, конечно, заключалась в уровне технического развития той эпохи. В первой половине девятнадцатого века было не так уж легко изготовить тысячи деталей.

Видя такое дело, в 1842-м власть имущие махнули на проект рукой и прекратили финансирование.

Аналитическая машина

Мистер Бэббидж так просто не сдался и решил сделать другой компьютер - «аналитическую машину.» Причём, с архитектурой, похожей на принципиальные блок-схемы современных компьютеров. С оперативной памятью и кэшем (он назвал это store, «склад»), с процессором («мельницей», mill), контроллерами (control) и даже устройствами ввода-вывода . В общем, описал всё то, что через сто лет предоставил миру Фон Нейман, которому посчастливилось родиться вовремя.

Первые в истории человечества компьютерные программы создала дочь поэта Джорджа Байрона, Ада Августа Лавлейс, с которой сдружился мистер Бэббидж. Это были инструкции по осуществлению вычислений на аналитической машине. Она же ввела понятие «цикл».

Однако в 1851-м у мистера Бэббиджа банально закончились деньги. Работу завершил его сын, Генри Бэббидж, и то лишь в 1906-м, когда был запущен действующий экземпляр. Сам изобретатель до этого счастливого дня не дожил, умер 18 октября 1871-го года.

Другие изобретения

В общем-то, как бы ни складывались обстоятельства, одарённость всегда приносит хоть какие-нибудь плоды, даже если главную мечту всей жизни увидеть своими глазами не удаётся. Неполный, но довольно наглядный список полезных вещей, созданных Чарльзом Бэббиджем, можно оформить примерно так:

1. «малая разностная машина», механический калькулятор , предшественник арифмометров;
2. спидометр (изобрёл, когда работал над повышением безопасности железнодорожного транспорта);
3. поперечно-строгальный станок;
4. револьверный токарный станок;
5. сейсмограф;
6. офтальмоскоп для использования врачами-окулистами.

Последователи

В 1854-м швед Георг Шутц (Georg Scheutz) доработал калькулятор Бэббиджа и тоже получил золотую медаль за свою модификацию. Но не в Англии, а на выставке в Париже. И, по иронии судьбы, в 1859-м продал один экземпляр английским чиновникам из канцелярии правительства, отказавшимся помогать соотечественнику.

Другой швед, Мартин Виберг (Martin Wiberg), посмотрел на вариант Шутца и продолжил модернизацию в сторону более удобной работы с логарифмами.

Ну а там уже и до электромеханических вариантов было недалеко. Таковой создал в 1890-м американец Герман Холлерит. Его шкафы с железками внутри, умеющие считать, назывались табуляторами. Тогда же возникла идея применения перфокарты. Так зародилась фирма IBM.

Заключение

Можно ли считать Чарльза Бэббиджа изобретателем компьютера? Да, можно. Причём, даже по самым дотошным современным меркам. Во-первых, в 1822-м учёный предъявил действующий прототип. Во-вторых, самостоятельно разработал проект более мощного вычислительного устройства , которое по его чертежам было построено в начале двадцатого века.

Польза от других изобретений, «побочных мелочей» вроде станков и приборов, пожалуй, никаких сомнений не вызывает. Ну а воссозданную в 1991-м изначальную «разностную машину» выставили в лондонском Музее науки, чтобы каждый желающий мог увидеть материальное свидетельство одарённости по-настоящему талантливого человека.

Предыдущие публикации:

Главная » Упражнения » Чем прославился Чарльз Бэббидж? Вклад в информатику. Аналитическая машина Бэббиджа Чарльза: описание, особенности, история и свойства