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».

Александр Костинский Мы живем в эпоху триумфа компьютерной техники. Но кто первым предложил архитектуру современного компьютера? Кто был первым программистом? Одни историки науки предлагают считать родоначальником вычислительной техники знаменитого физика, математика, философа Блеза Паскаля, который разработал проект "Паскалины" - первой механической вычислительной машины. Но большинство исследователей все-таки полагают создателем первой программируемой вычислительной машины Чарльза Бэббиджа (Charles Babbage), а первым программистом называют почитательницу и соратницу Бэббиджа леди Аду Августу Лавлейс - английскую графиню, единственную дочь великого английского поэта лорда Джорджа Байрона. Сегодня мы расскажем о первых шагах современной вычислительной математики, подробно остановившись на этих двух замечательных фигурах. Автор передачи - Михаил Кошкин при участии Владимира Губайловского, текст читают Александр Костинский и Владимир Губайловский.

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".

Выдающаяся заслуга Гаспара де Прони в том, что он свел сложные математические вычисления к рутинным операциям, не требующим от подавляющего большинства исполнителей творческого подхода. Дело в том, что подавляющее большинство практических физических и инженерных задач невозможно решить с необходимой точностью с помощью аналитических выражений. На их смену в начале ХIХ века приходят численные методы. Де Прони создал и заставил работать первую вычислительную машину, где в качестве "процессора" использовался человек-вычислитель. Более точно "машину" де Прони можно назвать "вычислительной мануфактурой". Этот замечательный подход применялся при проектировании очень сложных конструкций кораблей, мостов, самолетов, ракет, при вычислениях траекторий снарядов вплоть до расчетов первых атомных бомб.

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

Первая попытка Чарльза Бэббиджа создать вычислительную разностную машину Difference Engine - окончилась неудачей. Она строилась на принципе счёта "конечных разностей". С середины 30-х годов Бэббидж работает над проектом программируемой машины - Analytical Engine. Она становится делом всей его жизни. То была первая машина, управляемая внешней программой.

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".

Архитектура Analytical Engine практически соответствует современным компьютерам. В ней есть все три классических составляющих: control barrel - управляющий барабан, сейчас говорят управляющее устройство, store - хранилище (теперь мы называем это памятью или запоминающим устройством) и mill - мельница (современный термин - арифметическое устройство). Регистровая память способна была хранить как минимум 100 десятичных чисел по 40 знаков, теоретически же могла быть расширена до тысячи 50-разрядных(!) чисел. Для сравнения укажем, что запоминающее устройство крупнейшей в 1945 году ЭВМ "Эниак" содержало всего 20 десятиразрядных чисел. Арифметическое устройство машины Бэббиджа аппаратно поддерживало все четыре арифметических действия. Машина складывала два числа за 3 секунды, а умножала или делила - за 2 минуты. Эта "мельница" состояла из трех основных регистров: два для операндов, то есть чисел, а третий для результатов действий, относящихся к умножению. Еще имелась таблица для хранения промежуточных результатов и счетчик числа итераций. Основная программа размещалась, можно сказать записывалась, на управляющем барабане. В дополнение к барабану использовались перфокарты, предложенные Жозефом Жаккаром в 1801 году для быстрого перехода с узора на узор в ткацких станках.

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".

Почему хотя бы одна аналитическая машина так и не была изготовлена Бэббиджем, хотя еще при его жизни было построено несколько действующих гораздо более простых экземпляров других конструкторов? Кроме хронической нехватки финансирования, важнейшая причина - технологическая. Тогда не умели быстро обрабатывать металл с необходимой степенью точности - а проекту требовались тысячи одних только зубчатых колес. Нередко самому Бэббиджу приходилось изобретать технологии производства отдельных деталей. Он сделал около 30 вариантов общей компоновки машины и более 200 чертежей ее узлов. Может быть, неудача постигла ученого еще и потому, что Бэббидж был слишком увлечен самой проблемой и не смог вовремя поставить себе разумные границы.

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.

В 1991 году, к двухсотлетию со дня рождения ученого сотрудники лондонского Музея науки воссоздали по его чертежам "разностную машину № 2" весом более двух с половиной тонн, а в 2000 году - еще и принтер Бэббиджа. Он весил три с половиной тонны. Оба устройства, превосходно работают - в расчётах Бэббиджа было найдено всего две ошибки.

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.

Мать Ады, Анна Изабелла, занималась математикой. Миссис Байрон пригласила для дочери своего бывшего учителя - шотландского математика Огастеса де Моргана. Среди друзей миссис Байрон был и Чарльз Бэббидж.

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.

В Примечании А сравнивая две машины - разностную (то есть калькулятор) и аналитическую программируемую вычислительную машину, леди Лавлейс пишет, что вычислительная машина - совершенно иная область науки и техники и старается выработать терминологию. По ее определению аналитическая машина - воплощение науки об операциях, и она сконструирована специально для действий над абстрактными числами как объектами этих операций. Леди Лавлейс пишет: "Под словом операция, мы понимаем любой процесс, который изменяет взаимное отношение двух или более вещей, какого рода эти отношения ни были бы. Это наиболее общее определение (охватывающее все предметы во Вселенной). Операционный механизм может быть приведён в действие независимо от объекта, над которым производится операция. Этот механизм может действовать не только над числами, но и над другими объектами, основные соотношения между которыми могут быть выражены с помощью абстрактной науки об операциях и которые могут быть приспособлены к действию операционных обозначений и механизма машины. Предположим, например, что соотношения между высотами звуков в гармонии и музыкальной композиции поддаются такой обработке; тогда машина сможет сочинять искусно составленные музыкальные произведения любой сложности или длительности".

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 Е Ада уточняет и развивает соображения Менабреа о возможности расчёта на аналитической машине функций вида: Y= a + bx , Y = A + BcosX. Здесь Лавлейс формулирует: "Многие лица, недостаточно знакомые с математикой, считают, что роль машины сводится к получению результатов в цифровой форме, а природа самой обработки данных должна быть арифметической и аналитической. Это заблуждение. Машина может обрабатывать и объединять цифровые величины точно так, как если бы они были буквами или любыми другими символами общего характера, и фактически она может выдать результаты в алгебраической форме". В этом же примечании Лавлейс впервые вводит понятие цикла операций, а также понятие цикла циклов.

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.

Итак, Ада Лавлейс опубликовала три первые в мире вычислительные программы. Наиболее подробно она описала программу решения системы двух линейных алгебраических уравнений с двумя неизвестными. От ее идеи "рабочей переменной" остаётся лишь шаг до общего оператора присваивания - одной из основополагающих операций всех языков программирования. Вторую программу она составила для вычисления тригонометрической функции; для этой процедуры Лавлейс ввела понятие цикла - одной из фундаментальных конструкций структурного программирования. В третьей программе, составленной для вычислений чисел Бернулли, были придуманы рекурсивные вложенные циклы.

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.

Игрой она увлеклась не случайно. Бэббиджу так и не удалось добиться от правительства финансовой поддержки для постройки вычислительной машины. Изобретатель перепробовал все способы добывания денег - от написания романа до конструирования автомата для игры в "крестики-нолики", чтобы потом демонстрировать его за деньги, но тщетно. И тогда супруги Лавлейс принялись за разработку системы беспроигрышных ставок на бегах, рассчитывая таким путем добыть средства для продолжения работы над вычислительными машинами. Тактическую проверку системы осуществляли сообща, активно играя на английских ипподромах.

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.

В мае 1979 года министерство обороны Соединенных Штатов объявило победителя в конкурсе на разработку универсального языка программирования. Им был признан язык Ада, названный в честь Ады Августы Лавлейс. Его создали ученые и программисты под руководством Жана Ишбиа. Прототипом языка стал другой язык программирования - "Паскаль". Он был назван в честь физика, математика, философа Блеза Паскаля, который в возрасте девятнадцати лет в 1624 году, разработал проект "Паскалины" - первой механической вычислительной машины.

В 1822 г. англичанин Чарльз Бэббидж построил счетное устройство, которое назвал разностной машиной. В эту машину вводилась информация на картах. Для выполнения ряда математических операций в машине применялись цифровые колеса с зубьями. Десять лет спустя Бэббидж спроектировал другое счетное устройство, гораздо более совершенное, которое назвал аналитической машиной. В первой половине XIX века английский математик Чарльз Бэббидж попытался построить универсальное вычислительное устройство - Аналитическую машину, которая должна была выполнять вычисления без участия человека. Для этого она должна была уметь выполнять программы, вводимые с помощью перфокарт (карт из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий, как в ткацких станках), и иметь “склад” для запоминания данных и промежуточных результатов (в современной терминологии - память). Бэббидж не смог довести до конца работу - она оказалась слишком сложной для техник того времени. Друг Бэббиджа, графиня Ада Августа Лавлейс, показала, как можно использовать аналитическую машину машину для выполнения ряда конкретных вычислений. Чарльза Бэббиджа считают изобретателем компьютера, а Аду Лавлейс называют первым программистом компьютера. Даже одини из компьютерных языков был официально назван в честь графини – ADA. В 1985 г. сотрудники Музея науки в Лондоне решили выяснить наконец, возможно ли на самом деле построить вычислительную машину Бэббиджа. После нескольких лет напряженной работы старания увенчались успехом. В ноябре 1991 г. незадолго до двухсотлетия со дня рождения знаменитого изобретателя, разностная машина впервые произвела серьезные вычисления. После смерти Бэббиджа умер и его сын, но перед этим он успел построить несколько миникопий разностной машины Бэббиджа и разослать их по всему миру, дабы увековечить эту машину. В октябре 1995 года одна из тех копий была продана на лондонском аукционе австралийскому музею электричества в Сиднее за $200,000.

1.2.5. Герман Холлерит

В конце XIX в. были созданы более сложные механические устройства. Самым важным из них было устройство, разработанное американцем Германом Холлеритом. Исключительность его заключалась в том, что в нем впервые была употреблена идея перфокарт и расчеты велись с помощью электрического тока. Это сочетание делало машину настолько работоспособной, что она получила широкое применение в своё время. Например, при переписи населения в США, проведенной в 1890 г., Холлерит, с помощью своих машин, смог выполнить за три года то, что вручную делалось бы в течении семи лет, причем гораздо большим числом людей.

1.2.6. Конрад Цузе

Лишь спустя 100 лет машина Бэбиджа привлекла внимание инженеров. В конце 30-х годов 20 века немецкий инженер Конрад Цузе разработал первую двоичную цифровую машину Z1. В ней широко использовались электромеханические реле, то есть механические переключатели, приводимые в действие электрическим током. В 1941 г. Конрад Цузе создал машину Z3, полностью управляемую с помощью программы.

1.2.7. Говард Айкен

Большой толчок в развитии вычислительной техники дала вторая мировая война: американским военным понадобился компьютер. В 1944 г. американец Говард Айкен на одном из предприятий фирмы ІВМ построил довольно мощную по тем временам вычислительную машину «Марк-1». В этой машине для представления чисел использовались механические элементы – счетные колеса, а для управления применялись электромеханические реле. Программа обработки данных вводилась с перфоленты. Размеры: 15 X 2,5 м., 750000 деталей. "Марк-1" мог перемножить два 23-х разрядных числа за 4 с.

2. Электронно-вычислительный период

В истории вычислительной техники самыми длительными были : домеханический и механический. Они продолжались вплоть до середины 20 века.

Каким же образом человечество совершило переход к электронно-вычислительному этапу, т.е. к электронно-вычислительным машинам или к компьютерам? Как обычно, все начинается с идеи, а точнее, с мечты, после которой уже приходят и идеи.

Мысль о создании такой машины, которая работала бы без участия человека, впервые была высказана английским математиком Чарльзом Бэббиджем (1791-1871).

Но сначала была работа над созданием разностной машины , в ходе которой Бэббиджу и пришла мысль о разработке полностью автоматической машины с программным управлением. Последнюю он назвал . Впрочем, обо всем по порядку.

Как решить проблему ошибок людей в вычислениях

В 18 веке возникла большая потребность в вычислениях для составления различных таблиц, которые широко использовались в астрономии, землемерном, страховом и банковском деле, мореплавании, кораблестроении, строительстве и т.д.

Люди, проводившие подобные вычисления, делали ошибки при составлении таблиц. Это приводило к еще более серьезным ошибкам при последующем использовании данных из таких таблиц, в том числе, в мореплавании, в строительстве и т.д.

В начале 19 века логарифмические и тригонометрические таблицы содержали множество ошибок. Решая проблему их исправления, Бэббидж пришел к выводу о необходимости создания машины для автоматических расчетов.

С 1812 г. профессор Кембриджского университета Чарльз Бэббидж приступил к работе над созданием разностной машины.

Почему машина называется разностной

Название «разностная машина» связано с тем, что в основу ее работы положен метод разностей, разработанный Исааком Ньютоном. Он основан на получении последовательности промежуточных величин.

По существу, метод разностей основывается на том, что уже вычислено значение произведения 5 на 5, и этот результат может быть использован для получения произведения 5 и следующих чисел (6, 7) путем прибавления 5 к известной сумме. Выглядит это следующим образом:

5 x 6 = 30
5 x 7 = 35 получается путем прибавления 5 к полученному произведению (30+5),
5 x 8 = 40 получается путем прибавления 5 к предыдущему произведению (35+5).

Таким образом, умножения заменяются на последовательные сложения.

В разностной машине Бэббиджа данный принцип применен для решения степенных уравнений. Они состоят из переменных и констант, в них используются только операции сложения, вычитания и умножения.

Трудности Беббиджа при создании машины

При создании разностной машины перед Ч.Бэббиджем встали технологические проблемы в большем количестве.

Приходилось не только изобретать узлы и механизмы, но также и способы их изготовления с достаточной точностью, что не позволяли технологии того времени.

Не было станков, соответствующих инструментов. Найти квалифицированных рабочих и инженеров было трудно и дорого. Проблемой было и соблюдение требуемой точности обработки металла.

Тем не менее, к 1822 г. Бэббидж сумел построить действующую модель разностной машины, состоящую из валиков и шестерней, вращаемых вручную при помощи рычага. На этой машине он рассчитал, в частности, таблицу квадратов.

Большая разностная машина

После чего он приступил к созданию большой машины, позволяющей с достаточной точностью вести расчет навигационных, астрономических и тригонометрических таблиц.

Эта машина по замыслу Бэббиджа должна была состоять из 25000 деталей, ее высота 2,4 метра, длина 2,1 метра, вес несколько тонн.

Все детали для машин должны были создаваться вручную и требовали очень большой точности, так как малейшие отклонения в каждой из деталей могли вызвать значительные ошибки и погрешности при вычислениях.

В 1832 году ученый посетил ряд промышленных центров в Англии и Шотландии. Постоянно изучая новое в промышленности, он посещал все, какие только мог, заводы и фабрики в Британии и на континенте.

В результате Бэббидж сам стал отличным механиком и провел ряд усовершенствований по инструментам, станкам и методам обработки.

Однако из-за разногласий с исполнителем, выпускающим детали для разностной машины, проект закрылся в 1833 г. с прекращением государственного финансирования.

Разностная машина Ч.Бэббиджа, 1991 г.

У Ч.Бэббиджа было много последователей из разных стран, создававших разностные вычислительные машины вплоть до середины XX века.

Заработала через 200 лет

Долгие годы шли споры по поводу того, реально ли было Бэббиджу построить работающую разностную машину. К 200-летию рождения Бэббиджа Лондонский музей науки в 1991 г. запустил разностную машину по чертежам Бэббиджа с небольшими простейшими изменениями.

Она состоит из 4000 деталей и весит около 3 тонн; выполнена из бронзы, стали и железа, может вычислять разности 7 порядка.

Машина работает при помощи поворота рукоятки, является действующим экспонатом Лондонского научного музея.

В 2000 году к экспозиции добавилось спроектированное Бэббиджем печатающее устройство – принтер весом 3,5 тонны. Оба устройства, изготовленные по технологиям середины XIX века, превосходно работают - в расчётах Бэббиджа было найдено всего две ошибки. Так что, если будете в Лондоне, можете зайти в музей полюбоваться на это чудо техники.

Разностная машина Бэббиджа, США

Если Вы думаете, что лондонская разностная машина является единственной во всем мире, то Вы ошибаетесь.

В 2005 г. мультимиллионер и бывший технический директор Натан Мирвольд заказал специалистам музея вторую копию знаменитого механического вычислителя. Она была доставлена в США.

В специальной экспозиции Музея компьютерной истории эта машина была ровно год. После этого Мирвольд установил ее у себя дома.

Рис. 5.

Несмотря на неудачу с разностной машиной, Бэббидж в 1834 году задумался о создании программируемой вычислительной машины, которую он назвал аналитической (прообраз современного компьютера). В отличие от разностной машины, аналитическая машина позволяла решать более широкий ряд задач. Именно эта машина стала делом его жизни и принесла посмертную славу. Он предполагал, что построение новой машины потребует меньше времени и средств, чем доработка разностной машины, так как она должна была состоять из более простых механических элементов. С 1834 года Бэббидж начал проектировать аналитическую машину.

Архитектура современного компьютера во многом схожа с архитектурой аналитической машины. В аналитической машине Бэббидж предусмотрел следующие части: склад (store), фабрика или мельница (mill), управляющий элемент (control) и устройства ввода-вывода информации.

Склад предназначался для хранения как значений переменных, с которыми производятся операции, так и результатов операций. В современной терминологии это называется памятью.

Мельница (арифметико-логическое устройство, часть современного процессора) должна была производить операции над переменными, а также хранить в регистрах значение переменных, с которыми в данный момент осуществляет операцию.

Третье устройство, которому Бэббидж не дал названия, осуществляло управление последовательностью операций, помещением переменных в склад и извлечением их из склада, а также выводом результатов. Оно считывало последовательность операций и переменные с перфокарт. Перфокарты были двух видов: операционные карты и карты переменных. Из операционных карт можно было составить библиотеку функций. Кроме того, по замыслу Бэббиджа, Аналитическая машина должна была содержать устройство печати и устройство вывода результатов на перфокарты для последующего использования.

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

Бэббидж разрабатывал конструкцию аналитической машины в одиночку. Он часто посещал промышленные выставки, где были представлены различные новинки науки и техники. Именно там состоялось его знакомство с Адой Августой Лавлейс (дочерью Джорджа Байрона), которая стала его очень близким другом, помощником и единственным единомышленником. В 1840 году Бэббидж ездил по приглашению итальянских математиков в Турин, где читал лекции о своей машине. Луиджи Менабреа, преподаватель туринской артиллерийской академии, создал и опубликовал конспект лекций на французском языке. Позже Ада Лавлейс перевела эти лекции на английский язык, дополнив их комментариями по объёму превосходящими исходный текст. В комментариях Ада сделала описание ЦВМ и инструкции по программированию к ней. Это были первые в мире программы. Именно поэтому Аду Лавлейс справедливо называют первым программистом. Однако, аналитическая машина так и не была закончена. Вот, что писал Бэббидж в 1851 году: «Все разработки, связанные с Аналитической машиной, выполнены за мой счёт. Я провёл целый ряд экспериментов и дошёл до черты, за которой моих возможностей не хватает. В связи с этим я вынужден отказаться от дальнейшей работы». Несмотря на то, что Бэббидж подробно описал конструкцию аналитической машины и принципы её работы, она так и не была построена при его жизни. Причин этому было много. Но основными стали полное отсутствие финансирования проекта по созданию аналитической машины и низкий уровень технологий того времени. Бэббидж не стал в этот раз просить помощи у правительства, так как понимал, что после неудачи с разностной машиной ему всё равно откажут.

Только после смерти Чарльза Бэббиджа его сын, Генри Бэббидж, продолжил начатое отцом дело. В 1888 году Генри сумел построить по чертежам отца центральный узел аналитической машины. А в 1906 году Генри совместно с фирмой Монро построил действующую модель аналитической машины, включающую арифметическое устройство и устройство для печатания результатов. Машина Бэббиджа оказалась работоспособной, но Чарльз не дожил до этих дней.

В 1864 году Чарльз Бэббидж написал: «Пройдёт, вероятно, полстолетия, прежде чем люди убедятся, что без тех средств, которые я оставляю после себя, нельзя будет обойтись». В своём предположении он ошибся на 30 лет. Только через 80 лет после этого высказывания была построена машина МАРК-I, которую назвали «осуществлённой мечтой Бэббиджа». Архитектура МАРК-I была очень схожа с архитектурой аналитической машины. Говард Айкен, на самом деле, серьёзно изучал публикации Бэббиджа и Ады Лавлейс перед созданием своей машины, причём его машина идеологически незначительно ушла вперёд по сравнению с недостроенной аналитической машиной. Производительность МАРК-I оказалась всего в десять раз выше, чем расчётная скорость работы аналитической машины.