Кто составлял программы вычислений на машине бэббиджа 1815 1852

История ПК
(часть 1)

Герман Холлерит работал в бюро по переписи населения США, которая производится каждые 10 лет. Обрабатывая вручную огромное количество материалов, он стал искать способы ускорить обработку данных.
Так 29 февраля 1888 года появился статистический табулятор.

В основе устройства табулятора Холлерит использовал принципы идеи аналитической машины Бэббиджа с перфокартами. Фактически через 17 лет после смерти Бэббиджа идея создания электрической вычислительной машины нашла продолжение.

Идею использования перфокарт в работе табуляторов подсказал Холлериту чиновник бюро переписи Джон Шоу Биллингс. Он же был сподвижником Холлерита в работе над проектированием системы табуляторов.

Созданная Холлеритом счетная машина позволила завершить подсчеты результатов переписи населения, которая проводилась в США в 1890 году, за 3 месяца. (вместо 7 лет в 1880).
Изобретатель был удостоен нескольких премий и звания профессора Колумбийского университета.

С 1924 года фирма Холлерита, после ее продажи в 1911 году холдингу CTR, стала называться IBM (International Business Machines Corporation).
Имя Холлерита сегодня можно увидеть в музее славы IBM.

В 1834 году Бэббидж начал проектировать аналитическую машину. Он разрабатывал конструкцию своей машины в одиночку. Бэббидж придумал все основные части в своей «Аналитической машине», которая стала прародителем ЭВМ. В его машину, как и современный компьютер, входили: накопитель для хранения чисел, арифметическое устройство, механизм, управляющий последовательностью операций, устройства ввода и вывода данных.

Управление вычислениями в машине Бэббиджа осуществлялось программой с перфокарт. Первую в мире программу для этой машины составила Ада Лавлейс, которая стала первым программистом.

Только после смерти Чарлза 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 Бэббидж этого уже не увидел.

В 1864 году Чарлз Бэббидж написал:

«Пройдёт, вероятно, полстолетия, прежде чем люди убедятся, что без тех средств, которые я оставляю после себя, нельзя будет обойтись».

Источник

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

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:

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.

Источник

Аналитическая машина Бэббиджа. Часть вторая — трагическая судьба вычислительной техники XIX века

Первую часть статьи вы можете найти по этой ссылке.

Идея разностной машины посетила Чарльза Бэббиджа то ли 1812, то ли 1813 году. Более точную дату история от нас скрывает. Что же должна была делать задуманная машина?

Для того что бы понять это — придётся вспомнить немного математики.

Как мы помним из предыдущей статьи, машина была задумана для табулирования, то есть вычисления математических таблиц.

Немного теории

Предположим, необходимо табулировать функцию N=n^4 (n=1,2. ).
Рассмотрим нижеприведённую таблицу:

Первый столбец — это аргумент функции, второй — это значение функции для данного аргумента. Третий столбец — это разность последующих значений функции и предыдущих. То есть строка №1 = 16 – 1, строка №2 = 81-16 и так далее. Проделаем то же самое несколько раз (столбцы «Разность №2», «Разность №3»). Нетрудно заметить, что четвёртые разницы у нас полностью совпали. И это неспроста — если функция является многочленом n-ой степени, то в таблице с постоянным шагом (в нашем примере шаг равен единице) её n-е разности постоянны. Эта маленькая хитрость даёт нам одно преимущество — чтобы найти последующие значение функции, необходимо сложить все разности до четвёртой с текущим значением функции.

Например, 9^4 = 4096+1695+590+156+24 = 6561 (кто не верит, может воспользоваться калькулятором).

Бэббидж предполагал вычислять функции с постоянными шестыми разностями. Для этого машина должна была иметь семь регистров — по регистру для каждой разности и один для результата, и результат должен был получаться в результате семи сложений. Весьма затратный по времени вариант, и Бэббидж придумал способ как его оптимизировать. Он предложил записывать разности нечетного порядка из предыдущей строки, тогда вычислить следующее значение функции можно в два приёма, вычисляя сначала параллельно нечётные разницы, а затем уже чётные и значение функции.
Например, рассчитываем для N=8 на первом этапе R2 = 1105 + 590 = 1695, R4 = 132 + 24 = 156, на втором этапе R1 = 2401 + 1695 = 4096, R3 = 434 + 156 = 590. (Если вы запутались, советую заполнить электронную таблицу и выделить попарно соответствующие ячейки, разглядывая их сумму). Уже в 19 веке люди старались оптимизировать вычисления — и в наши дни стоит брать с них пример!

(Механизм передачи десятков в машине Паскаля, источник — Вокруг Света)

Каждый регистр представлял собой набор из восемнадцати десятичных счетных колёс, аналогичных колёсам машины Паскаля. Вычисление происходило в два этапа — первый этапа сложение без учёта переноса, второй этап — сложение с переносом от младшего разряда к старшему (последовательный перенос). Такая схема переноса требует последовательного сложения всех разрядов с учётом переноса, который мог возникнуть на предыдущей ячейке. Это наиболее простая, но самая неэффективная схема переноса, и Бэббиджа она не устроила. В дальнейшем, работая над аналитической машиной, он разработал схему сквозного переноса.

Для табулирования логарифмической, тригонометрической и прочих функций, таблицу предполагалось разбивать на участки, каждый из которых приближался своим многочленом. Переходя от одного участка к другому, оператор должен был вручную изменить значения разностей. Машина была снабжена звонком, который звонил после выполнения определённого числа шагов. Также разностная машина была снабжена печатающим механизмом, который запечатлевал результат на медной пластине. Такую пластину можно было использовать для неограниченного числа оттисков, при этом исключалась возможность внесения ошибки наборщиком.

Стоит заметить, что идея разностной машины была высказана ещё 1786 году Иоганном Гельфрейхом Мюллером, но он даже не приступал к её постройке, и по всей вероятности Бэббидж ни чего не знал об этой идеи.

Начало работ

К воплощению машины в металле и дереве, Бэббидж приступил в 1820 году. В 1822 году он заканчивает создание малой разностной машины. Она была способна вычислять функции с постоянными вторыми разностями с точностью до восьмого знака.

(Счётные колёса разностной машины Бэббиджа. Источник wikipedia)

Бэббидж начинает всячески популяризировать идею вычисления таблиц с помощью машин. В 1823-м году он получает финансирование от правительства в размере 1500 фунтов и начинает работу над машиной, которая смогла бы табулировать функции с постоянными шестыми разностями с точностью до двадцатого знака. Однако к 1828-му году выделенные средства полностью исчезают, также как и средства, выделенные из собственных доходов. В дальнейшем финансирование и постройка машины продолжаются с переменным успехом, однако к началу 1833 года удаётся закончить и испытать часть машины, которая может табулировать с точностью до пятого знака многочлены с постоянными вторыми разностями.

1833 год был также знаковым, так как в этом году было законченно строительство специального пожарозащищённого здания для машины, как сейчас бы сказали — датацентра. Переезд в новое здание вызвал паузу в создании машины. С одной стороны это создало новые проблемы — главный инженер, работавший над созданием машины, потребовал оплатить простой рабочих. Требование было отклонено, и он немедленно уволил всех рабочих и забрал все инструменты и оборудование, созданные во время работы над машиной, что вполне соответствовало английским законам того времени.

Однако вынужденная пауза привела к тому, что Бэббиджу пришла идея создания машины, которая могла бы вычислять не только таблицы, но и решала бы всё то многообразие задач, с которым сталкиваются инженеры и математики. В 1834-м году Бэббидж разрабатывает основные принципы новой машины, которую он называет аналитической. Однако о ней мы поговорим в следующей части статьи.

Как же обстоят дальнейшие дела с разностной машиной? 1834 год выходит статья доктора Дионисия Ларднера «Вычислительная машина Бэббиджа», в которой весьма подробно описывается принцип и устройство машины. Эта статья побудила двух шведов — Георга и Эдварда Шютца (отца и сына) к созданию своей собственной машины.

Трагический финал

Очередная проблема ждёт нашего героя — 1842-му году правительство отказывается от финансирования постройки разностной машины, т.к. будущие затраты на много превосходят изначально предполагавшийся бюджет.

В сороковых годах Бэббидж безуспешно пытается получить финансирование на достройку машины, которую он к тому времени заметно усовершенствовал, работая над идеями аналитической машины.

В тоже время шведы успешно продолжают работу над своей версией разностной машины, и к 1854 году успешно заканчивают её создание. Демонстрация машины состоялась на всемирной выставке в Париже 1855 году, и Бэббидж всячески приветствовал эту демонстрацию. Его сын Генри подготовил плакаты, поясняющие работу машины.

При жизни Бэббидж так и не смог довести своё детище до конца. Готовая часть машина была отправлена в музей Королевского колледжа, а 1862-м году она неудачно выставлялась на международной выставке в Лондоне, где ей отвели маленькую проходную комнату, откуда она вновь возвращается в музей. На этот раз это был научный музей в Южном Кенсингтоне, так как музей Королевского колледжа отказывался принять машину.

(Рабочая разностная машина в музее компьютерной истории в Маунтейн Вью, Калифорния. Источник wikipedia)

Как не парадоксально, но, не смотря на отказ Бэббиджу, в 1858-м году правительство заказывает у английского инженера создание копии шведской разностной машины. Эта копия впоследствии широко использовалась для вычисления таблиц смертности, по которым страховые компании делали свои начисления.

Работая над разностной машиной, Бэббидж пришёл к идее универсальной машины, которая смогла бы решать целый круг математических и инженерных задач. Его идея оказалась настолько оригинальной и опережающей своё время, что её реализация в задуманном виде воплотилась намного позже жизни её автора. Об этой машине, а также о первой программистке, в честь которой был назван язык Ада, и пойдёт речь в следующей части статьи.

Источник

Аналитическая машина Чарльза Бэббиджа и первый программист леди Лавлейс

Михаил Кошкин: Чарльз Бэббидж родился в 1791 году. Он проявил математические способности в период учебы в кембриджском колледже Святой Троицы, куда поступил в 1810 году. Продолжил своё образование он во Франции, где познакомился с великими математиками Пьером Лапласом и Жаном Батистом Фурье. Но чистая математика его не привлекла. Сильнейшее влияние на молодого математика оказал барон Гаспар де Прони, вычислитель при французском правительстве с 1790 по 1800 годы. Успехи де Прони натолкнули Бэббиджа на мысль о построении технологии автоматических вычислений.

Послереволюционное правительство Франции решило существенно улучшить логарифмические и тригонометрические таблицы. Эту работу и поручили барону де Прони, руководившему Бюро переписи.

Он удачно перенес идею разделения труда на вычислительный процесс. Де Прони распределил исполнителей по трем уровням: высшую ступень занимали выдающиеся математики, среди них были Адриен Лежандр и Лазар Карно. Они готовили математическое обеспечение. На втором уровне стояли образованные «технологи», которые организовывали рутинный процесс вычислительных работ. Последними в этой структуре были вычислители computers. От них требовалось только аккуратно складывать и вычитать. На первых порах компьютерами работали в прошлом девушки сомнительного поведения, которым французская революция помогла и настоятельно посоветовала сменить профессию. С этого момента начинается блестящая карьера слова «компьютер».

Именно распределение вычислительного труда у де Прони наводит Бэббиджа на мысль заменить ошибающегося человека-вычислителя, как он надеялся, безошибочной «машиной».

Новая машина отличалась от арифмометра наличием регистров. В них сохранялся промежуточный результат вычисления, и с помощью тех же регистров выполнялись действия, предписанные «программой». Возможности изобретенных регистров поразили самого автора: «Шесть месяцев я составлял проект машины, более совершенной, чем первая. Я сам поражен той вычислительной мощностью, которой она будет обладать, еще год назад я не смог бы в это поверить».

На вход машины должны были поступать два потока перфокарт, которые Бэббидж назвал operation card (управляющими картами) и variable card (картами переменных). Управляющие перфокарты руководили процессом обработки данных, записанных на перфокартах переменных. Информация записывалась на перфокартах путем пробивки отверстий. Из операционных перфокарт можно было составить библиотеку функций. Помимо этого, Analytical Engine, по замыслу Бэббиджа, должна была содержать устройство печати и устройство вывода результатов на перфокарты для последующего использования. Так что Бэббидж стал пионером идеи ввода-вывода.

Analytical Engine так реализована и не была. Бэббидж писал в 1851 году: «Все разработки, связанные с Analytical Engine, выполнены за мой счет. Я провел целый ряд экспериментов и дошел до черты, за которой моих возможностей не хватает. В связи с этим я вынужден отказаться от дальнейшей работы».

В 1864 году Бэббидж написал: «Пройдет, вероятно, полстолетия, прежде чем люди убедятся, что без тех средств, которые я оставляю после себя, нельзя будет обойтись». Он ошибся на 30 лет: в начале сороковых годов XX века Говард Айкен построил машину Mark I, о которой он говорил, как об «осуществленной мечте Бэббиджа».

Большое влияние на посмертную судьбу машин оказал генерал Бэббидж, сын изобретателя. Выйдя в отставку в 1874 году, он изучал труды отца, а с 1880 года 16 лет восстанавливал в «железе» первую дифференциальную машину. Им был создан небольшой её фрагмент, который печатал результаты вычислений. Кроме того, сын Бэббиджа сделал несколько миникопий Difference Engine и разослал их по всему миру.

Августа Ада Байрон Кинг родилась 10 декабря 1815 года и умерла в возрасте 37 лет. Она не помнила отца, а имя его в доме матери было под запретом.

Девочка не обманула ожиданий матери. Тринадцати лет от роду она чертила летательные аппараты. Впрочем, есть свидетельства, что Ада тайком сочиняла стихи. В тринадцать лет Ада написала матери: «Если ты не можешь дать мне поэзию, не дашь ли ты мне тогда поэтичную науку?»

Когда Аде исполнилось семнадцать, девушку представили королю и королеве. В июле 1835 года она вышла замуж за Уильяма, 8-го лорда Кинга 29 лет, ставшего первым графом Лавлейсом. Сэр Уильям был спокойным, уравновешенным и приветливым человеком. Он с одобрением относился к научным занятиям жены и помогал ей как мог.

В 1840 году Бэббидж посетил Турин, его пригласили прочесть лекции о своей машине. В отличие от Англии, лекции имели шумный успех. По-видимому, они читались по-французски, поскольку один из слушателей, Луиджи Менабреа, преподававший в Туринской артиллерийской академии, составил и издал конспект на французском языке «Элементы аналитической машины Чарльза Бэббиджа».

Ада Лавлейс перевела очерк Менабреа на английский язык и добавила «Примечания переводчика». «Примечания» вызвали настоящий восторг Бэббиджа.

В очерке Менабреа пишет: «Сам процесс вычисления осуществляется с помощью алгебраических формул, записанных на перфорированных картах, аналогичных тем, что используются в ткацких станках Жаккара. Вся умственная работа сводится к написанию формул, пригодных для вычислений, производимых машиной, и неких простых указаний, в какой последовательности эти вычисления должны производиться».

Хотя Бэббидж написал свыше 70 книг и статей, а также составил большое число неопубликованных описаний вычислительной машины, полного и доступного описания и, главное, анализа возможностей машины для решения различных задач он так и не сделал. Бэббидж говорил, что слишком занят разработкой машины, чтобы уделять время её описанию. Работа Лавлейс не только восполняла этот пробел, но и содержала глубокий анализ особенностей аналитической машины.

Восемь примечаний Ады Лавлейс, посвящены, в основном, трём взаимосвязанным вопросам: особенностям работы устройства; его теоретическим возможностям и программированию решения конкретных задач на аналитической машине.

Примечание D интересно для истории программирования. Здесь приведена программа решения на машине системы двух линейных уравнений с двумя неизвестными. Лавлейс впервые применяет термин «рабочая переменная».

В примечании F содержится интересное замечание о возможностях аналитической машины получать решение такой задачи, которую из-за объема невозможно решить вручную.

В заключительном примечании G дана программа вычисления чисел Бернулли, в которой Лавлейс демонстрирует возможности программирования на аналитической машине.

Дочь Байрона так увлеклась проблемой, что предложила Бэббиджу, давать консультации всем людям, заинтересованным в использовании вычислительных машин, чтобы Бэббидж не отвлекался от построения аналитической машины. Но в 1842 году правительство Великобритании отказало Бэббиджу в финансовой поддержке.

Леди Лавлейс была страстным игроком, азартным и увлекающимся. Она играла вместе со своим мужем графом Лавлейсом, верным спутником ее жизни, и своим другом и учителем Чарльзом Бэббиджем.

Беспроигрышная система ставок себя не оправдала. И Бэббидж, и муж Уильям Лавлейс, проиграв внушительную сумму, сравнительно скоро отказались от участия в игре и от усовершенствования системы. Но Ада, при помощи некоего Джона Кросса, упорно продолжала играть. Она израсходовала почти все принадлежащие ей средства и к 1848 году изрядно задолжала. Её матери пришлось погасить эти долги, а заодно и выкупить компрометирующие письма у Джона Кросса.

В начале пятидесятых годов появлялись первые признаки болезни, унесшей жизнь Ады Лавлейс. В ноябре 1850 года она пишет Бэббиджу: «Здоровье моё настолько плохо, что я хочу принять Ваше предложение и показаться по приезде в Лондон Вашим медицинским друзьям». Несмотря на принимаемые меры, болезнь прогрессировала и сопровождалась тяжёлыми мучениями. 27 ноября 1852 года Ада Лавлейс скончалась в возрасте 37 лет, как и ее отец Джордж Гордон Байрон.

В своих «Примечаниях» леди Лавлейс написала и о проблеме искусственного интеллекта. Написала тогда, когда вообще не с кем было эту проблему обсуждать. Она размышляла над вопросами, которые возникнут лишь через столетие.

В своей знаменитой статье «Может ли машина мыслить?» английский математик и логик Алан Тьюринг цитирует леди Лавлейс: «Аналитическая машина не претендует на то, чтобы создавать что-то действительно новое. Машина может выполнить только то, что мы умеем ей предписать». Тьюринг не соглашается. Он пишет: «Мнение о том, что машины не могут чем-либо удивить человека, основывается, как я полагаю, на одном заблуждении, которому в особенности подвержены математики и философы. Я имею в виду предположение о том, что коль скоро какой-то факт стал достоянием разума, тотчас же достоянием разума становятся все следствия из этого факта. Во многих случаях это предположение может быть весьма полезно, но слишком часто забывают, что оно ложно. Естественным следствием из него является взгляд, что якобы нет ничего особенного в умении выводить следствия из имеющихся данных, руководствуясь общими принципами». Далее Тьюринг пробует логически построить модель самообучающейся машины: «Важная особенность обучающейся машины состоит в том, что ее учитель в значительной мере не осведомлен о многом из того, что происходит внутри нее, хотя он все же в состоянии в известных пределах предсказывать поведение своей ученицы. Сказанное особенно применимо к дальнейшему воспитанию машины, прошедшей уже хорошую подготовку и вышедшей из начальной стадии «машины-ребенка»».

Но аргумент леди Лавлейс тем не менее не был окончательно поколеблен ни Тьюрингом, ни другими современными исследователями. Та острота и жесткость, с которой она поставила проблему нового знания, оказалась очень полезной не столько для программирования, сколько для методологии науки двадцатого века.

Все ссылки в тексте программ ведут на страницы лиц и организаций, не связанных с радио «Свобода»; редакция не несет ответственности за содержание этих страниц.

Источник