В конце 1791 года в семье Бенджамина и Элизабет Бэббидж родился мальчик. При рождении его назвали Чарльз. По достижению восьмилетия, Бэнджамин Бэббидж определил своего отпрыска в частную школу в Альфингтоне. Слабое здоровье Чарльза не позволило ему посещать обычное, для детей его возраста, учебное заведение. В качестве учителя, будущий знаменитый изобретатель получил священника, который не мог дать полное образование. Поэтому когда в 1810 году Чарльз Бэббидж поступил в колледж, он заметно отставал от своих сверстников.
В детстве, Чарльз коротал время, разбирая механические игрушки. Конечно, многие из нас любят узнать, из чего же состоит та или иная игрушка, но не многие впоследствии связывают свою жизнь с механикой. Уже в детстве Бэббидж, разбирая игрушки, пытался понять, что заставляет их двигаться. И почти всегда это ему удавалось сделать.
До поступления в колледж, Чарльз отучился в Академии в Энфилде. Благодаря обширной математической библиотеке в этом учебном заведении, Бэббидж влюбился в эту науку и впоследствии стал на практике доказывать ее важность.
Благодаря надомному обучению, а именно так учился будущий изобретатель “Аналитической машины” в школе Альфингтона и академии в Энфильде, знаний Бэббиджу явно недоставало. Его отец после академии нанял репетиторов. Один из них смог дать Чарльзу необходимые для поступления в колледж знания.
В 1810 году Бэббидж поступил в Тринити-колледж в Кембридже. Все свободное время Чарльз посвятил самостоятельному изучению математики. Он изучал труды Лагранжа, Лейбница, Эйлера, Ньютона и других “великих математических умов”. Кроме того, молодой человек имел доступ к работам математиков Парижской, Берлинской и Санкт-Петербургской академий.
Быстро обогнав своих сверстников, Бэббидж разочаровался в системе образования Кембриджа. Он, совместно со своими друзьями по колледжу Гершелем и Пикоком в 1812 основали “Аналитическое общество”. С его помощью молодые британцы смогли получить труды известных математиков того времени на английском языке. Кроме того, на собраниях общества можно было обсудить некоторые вопросы, поспорить и узнать много того, что не рассказывали преподаватели в колледже.
Неожиданно, в 1812 году Бэббидж покидает Тринити-колледж, сославшись на низкий уровень получаемых студентами знаний. Злые языки, знавшие Чарльза, говорили, что он ушел из-за того, что большинство учителей и учеников считали Бэббиджа третьим человеком в колледже после Гершеля и Пикока. Не смерившись с этим, Бэббидж отправился в колледж св. Петра, где через два года получил степень бакалавра.
В 1815 году Чарльз с молодой супругой (в год окончания колледжа св. Петра он женился на Джорджиане Витмур) перебрались в столицу Англии, где через год Бэббидж стал Членом Королевского общества Лондона.
1827 год для молодого ученого стал черным. Сначала он похоронил отца, затем жену и двоих детей. Для того, чтоб не погрязнуть в бесконечной депрессии, Бэббидж отправился в путешествие по Британским островам, после которого он занял пост профессора математических наук в Кембридже.
Малая разностная машина.
Первым изобретением, которое сделало Бэббиджа знаменитым, стала вычислительная машина, которую Чарльз назвал “разностная машина”. В 1812 году Бэббидж был занят за изучением логарифмических таблиц. Занятия его так утомили, что молодой математик заснул прямо за письменным столом. Когда его разбудил друг с вопросом: “Чем занят?”, Чарльз ответил, что хочет создать машину, которая сможет проводить сложные математические расчеты.
Семь лет ушло у математика для того, чтоб он смог сформировать идеи и принципы вычисления при помощи машины. Еще через три года в 1822 Бэббидж начал создавать свою “разностную машину”. Она состояла из множества шестеренок и рычагов. Разностная машина оперировала 18-ти разрядными числами, с точностью до восьмого знака после запятой. Она могла сосчитать значение многочленов 7-й степени. За свое изобретение Чарльз Бэббидж получил медаль Астрономического общества.
Большая разностная машина.
В 1822 году для уменьшения количества людей занятых в астрономических, навигационных и математических расчетах Бэббидж задумал создание большой разностной машины. Королевское и Астрономическое общество, после запроса изобретателя, согласилось выделить средства.
С 1822 по 1834 на изготовление большой разностной машины было выделены 17000 фунтов от государства, и еще 6000 Чарльз потратил из своего кармана. Но низкая технологическая база того времени не позволила создать машину при жизни изобретателя.
После себя Чарльз Бэббидж оставил чертежи большой разностной машины, которая должна была состоять из 25 тысяч деталей и весить 14 тонн. Швейцарский изобретатель Шойц в 1854 году создал по чертежам Бэббиджа несколько разностных машин.
Аналитическая машина — прототип первого компьютера
Бэббидж не очень расстроился неудаче с большой разностной машиной. Уже тогда он понимал, что дело будет за программируемыми машинами. В 1834 году Чарльз начал разрабатывать программируемую аналитическую машину, прообраз современной ЭВМ.
Аналитическая машина Бэббиджа должна была состоять из нескольких частей:
Склада – хранение результатов операций и значения переменных. Современная память.
Мельницы – отвечала за операции с переменными, хранения значения переменных участвующих в вычислении в данный момент. Современный процессор.
Третьего устройства (в чертежах Бэббиджа его названия не называлось) – управление последовательностью операций, перемещение и извлечение переменных в склад, вывод результатов.
Аналитическая машина Бэббиджа программировалась с помощью двух видов перфокарт: операционных карт и карт переменных.
Чарльз Бэббидж умер в 1871 году. После себя он оставил чертежи аналитической машины 
Первый программист - Ада Лавлейс и конспекты лекций, которые записал преподаватель туринской артиллерийской академии Луиджи Менабреа. На английский язык конспекты перевела друг и соратник Бэббиджа – Ада Лавлейс (дочь Джорджа Байрона). Она снабдила конспекты своими комментариями, которые по объему превосходили основной текст.
Ада Лавлейс в своих комментариях к лекциям Бэббиджа составила и первые инструкции по программированию аналитической машины. После этих инструкций Аду Лавлейс стали считать первым программистом.
В 1888 году сын Чарльза – Генри Бэббидж, создал по чертежам отца основной узел аналитической машины. Полностью машину Бэббиджа удалось создать только в 1906 году усилиями компании Монро.
Личность Чарльза Бэббиджа и его заслуги.
Как мы уже писали выше, технологическая база того времени значительно уступала ходу мыслей Чарльза Бэббиджа. Для изготовления своих машин изобретатель сконструировал поперечно-строгальный и токарно-револьверный станок, открыл новый метод изготовления зубчатых колес и сконструировал еще множество различных устройств.
Кроме того, ум Бэббиджа был использован в изобретении спидометра и тахометра. Так же ученый изобрел вагон-лабораторию оборудованную самописцами, приспособление для сбрасывания предметов с рельс.
Поучаствовал наш герой и в реформировании почтовой системы Англии, занимался вопросами шифрования и электромагнетизма.
Чарльз Бэббидж был очень разносторонним человеком. Среди его друзей значились Жан Фуко, Чарльз Дарвин, Юнг, Фурье и Пьер Лаплас. В истории талантливый изобретатель и математик оставил огромный след, недаром Бэббиджа называют изобретателем первого компьютера.
Изобретения Бэббиджа
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.
Также очень большое влияние на Бэббиджа оказали работы французского учёного барона де Прони, который предложил идею разделения труда при вычислении больших таблиц (логарифмических, тригонометрических и др.). Он предлагал разделить процесс вычисления на три уровня. Первый уровень -- несколько выдающихся математиков, подготавливающих математическое обеспечение. Второй уровень -- образованные технологи, которые организовывали рутинный процесс вычислительных работ. А третий уровень занимали сами вычислители, от которых требовалось лишь умение складывать и вычитать. Идеи Прони навели Бэббиджа на мысль о замене третьего уровня (вычислителей) механическим устройством.
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 в1822 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-й 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.
Разностная машина Чарльза Бэббиджа
В 1822 году Бэббидж задумался о создании большой разностной машины, которая позволила бы заменить огромное количество людей, занимающихся вычислением различных астрономических, навигационных и математических таблиц. Это позволило бы сэкономить затраты на оплату труда, а также избавиться от ошибок, связанных с человеческим фактором.
Со своим предложением профинансировать создание большой разностной машины Чарльз Бэббидж обратился в Королевское и Астрономическое общества. И те, и другие отозвались на это предложение положительно. В 1823 году Бэббидж получил 1500 фунтов стерлингов и приступил к разработке новой машины. Он планировал сконструировать машину за 3 года. Однако Бэббидж не учёл сложности конструкции, а также технические возможности того времени. И уже к 1827 году было затрачено 3500 фунтов стерлингов (более 1000 личных денег). Ход работы по созданию разностной машины сильно замедлился.
Кроме того, на процесс конструирования машины большое влияние оказали трагические события в жизни Бэббиджа в 1827 году. В этот год он похоронил отца, жену и двоих детей. После этих событий у него ухудшилось самочувствие, и он не мог заниматься конструированием машины. Чтобы восстановить здоровье, он поехал в путешествие по континенту.
После путешествия в 1828 году Бэббидж продолжил разработку, но денег уже не было. Он обращался ко многим обществам и правительству с просьбой о помощи. Только в 1830 году он получил от правительства ещё 9000 фунтов стерлингов, после чего продолжил конструирование разностной машины.
В 1834 году работы по созданию машины были приостановлены. На тот момент уже было затрачено 17000 фунтов государственных денег и 6000 личных. С 1834 по 1842 год правительство обдумывало, оказывать поддержку проекту или нет. А в 1842 году отказалось финансировать проект. Разностная машина так и не была достроена.
Большая разностная машина должна была состоять из 25 000 деталей, весить почти 14 тонн и быть 2,5 метра высотой. Кроме того, разностная машина должна была быть оснащена печатным устройством для вывода результатов. Память была рассчитана на 1000 50-разрядных чисел.
Возможно, причиной неудачи создания разностной машины, наряду с трагическими событиями 1827 года и недостаточным уровнем технологий того времени, стала излишняя разносторонность Бэббиджа. 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 создалспидометр. Кроме того, при конструировании разностной машины он разработал немало оборудования для обработки металла. В 1851 году Чарльз Бэббидж предпринял попытку сконструировать улучшенную версию разностной машины -- «Разностную машину 2». Но и этот проект не был удачным.
Одна из 6-ти демонстрационных моделей вычислительной части разностной машины Чарльза Бэббиджа, собранная после его смерти сыном Генри из деталей, найденных в лаборатории.
Однако труды Бэббиджа по созданию разностной машины не пропали даром. В 1854 году шведский изобретатель Шойц по работам Бэббиджа построил несколько разностных машин. А ещё через некоторое время Мартин Виберг усовершенствовал машину Шойца и использовал её для расчётов и публикации логарифмических таблиц.
В 1891 году была построена «Разностная машина 2», которая находится сейчас в Лондонском научном музее.
Разностная машина Бэббиджа - вычислительная машина британского математика Чарльза Бэббиджа , предназначенная для автоматизации вычислений путем аппроксимации функций многочленами и вычисления конечных разностей. В начале 19 века логарифмические таблицы содержали множество ошибок. Решая проблему их исправления, Бэббидж пришел к выводу о необходимости создания машины для автоматических расчетов.
В 1822 году Бэббидж опубликовал статью с описанием вычислительной машины и приступил к ее созданию. В основу машины был положен математический метод аппроксимации функций полиномами и вычислением конечных разностей. Поэтому машина Бэббиджа получила название разностной, она должна была вычислять значения полиномов до шестой степени с точностью до восемнадцатого знака. В 1822 году Бэббиджем была построена модель разностной машины, состоящая из валиков и шестерней, вращаемых вручную при помощи рычага. В 1823 году правительство Великобритании предоставило Бэббиджу субсидию для дальнейших работ. Общая сумма субсидий, полученных Бэббиджем, составила 17 тысяч фунтов стерлингов.
Начиная постройку машины, Бэббидж не представлял всех предстоящих трудностей и спустя девять лет вынужден был приостановить работу. Однако часть машины могла функционировать и производила вычисления с большей точностью, чем ожидалось. Конструкция разностной машины основывалась на десятичной системе. Когда финансирование разностной машины прекратилось, Бэббидж занялся проектированием более общей аналитической машины, затем снова вернулся к первоначальной разработке. Новый проект, над которым он работал между 1847 и 1849 годами, назывался Разностной машиной номер 2 (Difference Engine No. 2).
Основываясь на опыте Бэббиджа, шведский изобретатель Пер Георг Шойц (Georg Scheutz) с 1854 года приступил к постройке разностных машин и даже сумел продать одну из них канцелярии британского правительства в 1859 году. В 1855 году разностная машина Шойца получила золотую медаль Всемирной выставки в Париже. Позднее шведский изобретатель Мартин Виберг (Martin Wiberg) улучшил конструкцию машины Шойца и использовал ее для расчета и публикации печатных логарифмических таблиц.
В 1989-1991 годах к двухсотлетию со дня рождения Чарльза Бэббиджа на основе его работ в Лондонском музее науки была собрана работающая копия Разностной машины номер 2. В 2000 году в том же музее был собран принтер, сконструированный Бэббиджем для своей машины. Эти эксперименты подвели черту под дебатами о работоспособности конструкций Чарльза Бэббиджа.
В ходе работ у Бэббиджа возникла идея создания универсальной вычислительной машины, которую он назвал Аналитической. Она стала прообразом компьютера. В единую логическую схему Бэббидж увязал арифметическое устройство (названное им «мельницей»), регистры памяти, объединенные в единое целое («склад»), и устройство ввода/вывода, реализованное с помощью перфокарт трех типов. Перфокарты операций переключали машину между режимами сложения, вычитания, деления и умножения. Перфокарты переменных управляли передачей информации со «склада» на «мельницу» и обратно. Числовые перфокарты могли быть использованы как для ввода данных в машину, так и для сохранения результатов вычислений, если место на «складе» было ограничено.
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.
Бэббидж обратился к правительству Великобритании с просьбой о финансировании полномасштабной разработки. Правительство Великобритании, заинтересовавшись идеей, выделило деньги на дальнейшее развитие проекта. В 1834 году Бэббидж занялся разработкой еще более сложного агрегата - аналитической машины, способной выполнять определенные действия в соответствии с инструкциями, задаваемыми оператором. Модель аналитической машины фактически можно считать прообразом современного компьютера. Главное отличие аналитической машины от разностной заключается в том, что она программируемая и может выполнять любые заданные ей вычисления.
Принцип аналитической машины Чарльза Бэббиджа
Аналитическая машина Чарльза Бэббиджа использует принцип программного управления и является предшественницей современных ЭВМ.
Основные части аналитической машины
Аналитическая машина состояла из следующих четырех основных частей:
- блок хранения исходных, промежуточных данных и результатов вычислений. (состоял из набора зубчатых колес, идентифицирующих цифры подобно арифмометру);
- блок обработки чисел из склада, названный мельницей (в современной терминологии - это арифметическое устройство);
- блок управления последовательностью вычислений (в современной терминологии - это устройство управления УУ);
- блок ввода исходных данных и печати результатов (в современной терминологии - это устройство ввода/вывода).
Аналитическая машина так и не была изготовлена Чарльзом Бэббджем. Кроме хронической нехватки финансовых средств, важнейшая из причин - технологическая. Тогда не умели обрабатывать металл с высокой степенью точности и с высокой производительностью - а для реализации проекта требовались тысячи одних только зубчатых колес.
Большое влияние на посмертную судьбу машины оказал генерал Бэббидж, сын изобретателя. Выйдя в отставку в 1874 году, он несколько лет посвятил изучению отцовского наследия, а в 1880 году начал работу по восстановлению Difference Engine в «железе». Работа продолжалась с переменным успехом до 1896 г. В конце концов к 1904 году был создан небольшой фрагмент машины, который печатал результаты вычислений. Кроме того, Бэббидж-младший сделал несколько мини-копий Difference Engine и разослал их по всему миру.
В 1991 году, к двухсотлетию со дня рождения ученого, сотрудники лондонского Музея науки воссоздали по его чертежам 2,6-тонную «разностную машину № 2», а в 2000 году - еще и 3,5-тонный принтер Бэббиджа. Оба устройства, изготовленные по технологиям середины XIX века, превосходно работают - в расчётах Бэббиджа было найдено всего две ошибки.
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 (Analytical Engine). 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:
Control barrel - 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, Analytical Engine, 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!