Многоразрядная машина томаса хилла год создания
Многоразрядная машина томаса хилла год создания
С середины XVII века с небольшим промежутком были созданы Арифметическая машина Паскаля (или Паскалево колесо), арифмометр Полени, машина Бэббиджа
Модель счетного устройства Леонардо да Винчи
В 30-х годах 17 столетия в национальной библиотеке Мадрида были обнаружены два тома неопубликованных рукописей Леонардо да Винчи. И среди чертежей «Codex Madrid I», почти полностью посвященного прикладной механике, ученые нашли эскиз 13-разрядного суммирующего устройства с десятизубыми колёсами. В рекламных целях оно было воспроизведено фирмой IBM и оказалось вполне работоспособным.
Позднее появились и другие различные вычислительные колеса.
Машина Хилла
В 1857 году американец Томас Хилл создал первую многоразрядную машину. Машина Хилла была двухразрядной и в каждом разряде имела по девять расположенных вертикальными колонками клавиш и по храповому колесу (на рисунке ради наглядности показаны лишь шесть клавиш в каждом разряде). Машина Хилла была выставлена в Национальном музее в Вашингтоне, но конструктивные недостатки и малая разрядность помешали её дальнейшему распространению. 
Арифмометр Полени
В 1709 году в Падуе вышла книга посвященная, изобретённой Джованни Полени, машине.
Основные детали этого замысловатого устройства выточены из дерева. Машина Полени, в отличие от всех известных счётных машин приводится в движение грузом-гирькой k, висящей свободно на канате.
Многоразрядная машина томаса хилла год создания
Соответственно расширялась и сфера применения компьютеров. Теперь уже не только ученые могли рассчитывать на доступ к вычислительной технике; компьютеры нашли применение в планировании и управлении, а некоторые крупные фирмы даже компьютеризовали свою бухгалтерию, предвосхищая моду на двадцать лет.
Переход к компьютерам пятого поколения предполагал переход к новым архитектурам, ориентированным на создание искусственного интеллекта.
Основные требования к компьютерам 5-го поколения: Создание развитого человеко-машинного интерфейса (распознавание речи, образов); Развитие логического программирования для создания баз знаний и систем искусственного интеллекта; Создание новых технологий в производстве вычислительной техники; Создание новых архитектур компьютеров и вычислительных комплексов.
Новые технические возможности вычислительной техники должны были расширить круг решаемых задач и позволить перейти к задачам создания искусственного интеллекта. В качестве одной из необходимых для создания искусственного интеллекта составляющих являются базы знаний (базы данных) по различным направлениям науки и техники. Для создания и использования баз данных требуется высокое быстродействие вычислительной системы и большой объем памяти. Универсальные компьютеры способны производить высокоскоростные вычисления, но не пригодны для выполнения с высокой скоростью операций сравнения и сортировки больших объемов записей, хранящихся обычно на магнитных дисках. Для создания программ, обеспечивающих заполнение, обновление баз данных и работу с ними, были созданы специальные объектно ориентированные и логические языки программирования, обеспечивающие наибольшие возможности по сравнению с обычными процедурными языками. Структура этих языков требует перехода от традиционной фон-неймановской архитектуры компьютера к архитектурам, учитывающим требования задач создания искусственного интеллекта.
К классу суперкомпьютеров относят компьютеры, которые имеют максимальную на время их выпуска производительность, или так называемые компьтеры 5-го поколения.
Компьютеры фирмы Cray Research стали классикой в области векторно-конвейерных суперкомпьютеров. Существует легенда, что первый суперкомпьютер Cray был собран в гараже, однако этот гараж был размером 20 х 20 метров, а платы для нового компьютера заказывались на лучших заводах США.
Компьютер Cray-1, работа над которым была закончена в 1976 году относится к классу первых сверхвысокопроизводительных векторных компьютеров. К этому классу относятся также машины Иллиак-IV, STAR-100, ASC. Производительность Cray-1 составляла 166 Мфлоп/сек.
История микропроцессоров берет начало с 1971 года, когда еще ни кому не известная фирма Intel выпустила первый микропроцессор I4004. Его характеристики по сравнению с нынешними гигантами-процессорами были крошечными. Он имел разрядность данных 4 бита, тактовую частоту 108 кГц, способность адресовать 60 байт памяти и производительность 0,06 MIPS (Millions of Instructions Per Second). Cодержал он 2300 транзисторов и выполнялся по технологии с разрешением 10 мкм. С создания первого микропроцессора началась великая эпоха компьютеризации. По системе команд и архитектуре различают 2 вида процессоров CISC и RISC.
CISC процессоры : » Pentium MMX » Celeron » Pentium II » Pentium III » Pentium IV » AMD-K6®-2 » AMD-K6®-III » AMD Athlon™ » Cyrix 6x86MX™ » Cyrix MediaGX™ » Cyrix M II™ » IDT WinChip 2™ » IDT WinChip C6™
RISC процессоры: » Процессоры компании Analog Devices » Процессоры компании Motorola » Сигнальные процессоры компании Texas Instruments
Многоразрядная машина томаса хилла год создания
История технических открытий и изобретений с первого взгляда кажется цепью случайных озарений, результатом усилий гениальных одиночек, творящих по внутреннему побуждению. Но это только с первого взгляда. Кроме внутреннего побуждения талантливых изобретателей, есть еще потребности общественного развития. Они-то и определяют в конечном счете судьбу технического изобретения. Нужны материальные предпосылки и соответствующие социально-экономические условия, чтобы техническая новинка получила «права гражданства». Для суммирующих машин таких предпосылок, по сути дела, не было ни в XVII, ни в XVIII, ни даже в первой половине XIX века. В эти века вполне обходились существовавшими тогда средствами и методами счета.
Не было тогда и соответствующих материально-технических условий для полной реализации идеи механизации счета. Отсюда серьезные конструктивные недостатки машин. Ввод чисел и выполнение операций в старых машинах были медленными процессами, которым трудно было конкурировать с устным счетом «профессиональных вычислителей» вроде бухгалтеров, продавцов, кассиров и т. п. Правильность установки (ввода) последующих слагаемых, как правило, нельзя было проконтролировать. Наконец, механизмы передачи десятков у всех суммирующих машин страдали серьезным недостатком, суть которого можно пояснить следующим примером.
Пусть требуется выполнить на машине с межразрядным переносом сложение 19997 + 6. Установив первое слагаемое, повернем колесо единиц на 6 делений. Пока мы будем проходить положения, соответствующие цифрам 8 и 9, поворот осуществляется при определенном усилии. При переходе же от 9 к 0 вычислителю придется поворачивать не одно колесо, а сразу 5! При этом происходит повышение сопротивления механизма и приходится увеличивать усилие. После окончания переноса сопротивление вновь падает. При таких скачках сопротивления работа механизма получается неравномерной. Это усугубляет нежелательное явление, известное в технике под названием «мертвый ход», или «люфт»: зубчатое колесо разряда единиц должно повернуться на некоторый угол прежде, чем его вращение будет передано колесу десятков.
«Мертвый ход» в счетном механизме был следствием не только износа зубьев под действием переменных усилий, но и низкой точности изготовления колес. Здесь мы сталкиваемся еще с одной важной причиной ограниченного распространения счетных машин – отсутствием технологической базы для развития счетной техники.
Норберт Винер в книге «Кибернетика и общество», говоря о Паскале как о создателе арифмометра, подчеркивал, что «техника, воплощенная в автоматах его времени, была техникой часовых механизмов». Что же это была за техника?
Механические часы впервые были описаны в средневековом трактате «Libros dis Saber Astronomia», составленном в 1276–1277 годах испанскими учеными для короля Кастилии Альфонса Мудрого. Уже в «Божественной комедии» Данте, написанной между 1307 и 1321 годами, мы встречаем такие строки:
И как в часах, колеса с их прибором
Так движутся, что чуть ползет одно,
Другое же летает перед взором.
В первых механических часах широко применялись корончатые и цевочные колеса, известные еще в древности. Корончатое колесо представляет собой плоскую круговую полоску, на которой на одинаковом угловом расстоянии друг от друга закреплены небольшие штыри; цевочное колесо состоит из цилиндров, укрепленных между двумя плоскими дисками.
В часах XV и особенно XVI века, кроме корончатых и цевочных колес, все чаще встречаются шестерни, зубчатые рейки с треугольной, прямоугольной и трапециевидной формой зубьев. Тогда же возникает задача выбора такой формы зуба, которая обеспечила бы непрерывный контакт колес и их долговечность при минимальном трении. Это было особенно важно для конструкций машин, в которых зубчатые колеса использовались для передачи мощности (например, в мельницах), и устройств, где точность и стабильность зацепления были условиями надежной работы (например, в счетных механизмах).
Распространение получили две формы зубьев – эпициклоидальная и эвольвентная. Эпициклоидой называется кривая, образованная точкой на окружности, перекатывающейся по внешней стороне неподвижного круга. Ее открыл в 1525 году великий художник и математик Альбрехт Дюрер. Спустя 125 лет появились первые зубчатые колеса с эпициклоидальным профилем зуба, предложенные и изготовленные французским математиком и инженером Жюлем Дезаргом (1593–1661), а в 1694 году выполнен первый математический анализ эпициклоидального зацепления. Однако лишь в первой четверти XIX столетия точные методы расчета таких зацеплений стали достоянием инженеров-практиков.
История эвольвентного зацепления еще короче. Эвольвента – частный случай эпициклоиды, при которой образующая окружность перекатывается по кругу бесконечно большого радиуса, то есть по прямой линии. Зацепление это было предложено в 1754 году великим математиком и механиком Леонардом Эйлером.
Одновременно с развитием теории совершенствовалась практика изготовления зубчатых колес, и в XIX столетии соединение теории и практики зубонарезания привело к созданию Джеймсом Уайтом, Джеймсом Фоксом и Джозефом Уайтвортом первых зубонарезных станков.
Краткий экскурс в историю зубчатых колес позволяет сделать вывод о том, что в течение почти 250летнего периода конструкторы счетных машин не имели технологической базы, которая могла бы обеспечить с необходимой точностью изготовление деталей счетных машин.
К середине XIX столетия необходимая база была создана. Кроме того, общественно-экономическая обстановка, бурный рост промышленности, развитие банков и железных дорог требовали создания надежных и быстродействующих счетных машин. Для этого необходимо было в первую очередь изменить «медленную» установку чисел с помощью ведущего штифта. Приближенно эту задачу решило изобретение клавишного ввода. Приближенно потому, что принципиальное решение проблемы пришло, когда появилась электронная база вычислительной техники. Тем не менее благодаря клавишному механическому вводу в середине 80х годов XIX столетия удалось организовать промышленный выпуск суммирующих машин. В создание клавишных машин внесли свой вклад изобретатели многих стран, но основные конструкции принадлежат американцам Юджину Дорру Фельту и Уильяму Бэрроузу, с именами которых связан последний этап в истории механических суммирующих машин.
Первая в мире клавишная машина описана в патенте США № 7074 от 5 февраля 1850 года, выданном на имя некоего Д. Пармели. Его изобретение представляло собой одноразрядную суммирующую машину, с помощью которой можно было последовательно складывать цифры, стоящие в разряде единиц, затем – в разряде десятков, сотен и т. д.
Преимущества одноразрядных машин – простота конструкции, отсутствие механизма передачи десятков; недостатки – небольшая «емкость» машины и неудобство выполнения вычислений, поскольку надо было подсчитывать, запоминать (записывать) одноразрядные суммы и переносить их в старшие разряды. По указанным причинам эти машины распространения не получили, и на смену им пришли многоразрядные.
Первая попытка создания подобной машины принадлежит американцу Томасу Хиллу и относится к 1857 году. Его двухразрядная машина имела некоторый успех и была даже выставлена в Национальном музее в Вашингтоне, однако серьезные конструктивные недостатки, не говоря уже о малой разрядности, помешали ее дальнейшему распространению.
По-настоящему более или менее пригодная многоразрядная машина была создана в середине 80-х годов прошлого столетия. В 1884 году 24-летний металлист Юджин Дорр Фельт, наблюдая за работой привода строгального станка, выполненного в виде храпового механизма, пришел к мысли о создании счетной машины, в которой аналогичный механизм играл бы главную роль. Позже Фельт вспоминал:
«Накануне Дня Благодарения 1884 года я решил использовать выходной для изготовления деревянной модели машины. Отправился к бакалейщику и выбрал ящик, который, как мне казалось, вполне подходил для корпуса машины. Это был ящик из-под макарон. Для клавишей я раздобыл у мясника, чья лавка располагалась за углом, несколько шампуров, а у скобянщика достал скобы, которые должны были сыграть роль направляющих для клавишных стержней; в качестве пружин я намеревался использовать эластичные ленты.
В День Благодарения я встал пораньше и принялся за работу. У меня были кое-какие инструменты, но в основном я пользовался ножом. Вскоре, однако, убедился, что для изготовления некоторых деталей мои инструменты не подходят. Наступила ночь, и я увидел, что моя модель еще далека до завершения. Но в конце концов я изготовил недостающие детали из металла и в первые дни нового 1885 года закончил модель».
С конца 1886 и по сентябрь 1887 года он за свой счет изготовил 8 машин. Пытаясь найти им коммерческий сбыт, Фельт демонстрирует их в Вашингтоне в министерстве финансов и в бюро погоды Нью-Йорка. Видимо, эти демонстрации имели успех, поскольку 8 ноября 1887 года Фельт вместе с чикагским бизнесменом Робертом Таррантом организует компанию по производству счетной клавишной машины, получившей торговую марку «Комптометр».
В машине Фельта (рис. 1) над верхней крышкой размещались несколько вертикальных рядов клавиш, укрепленных на длинных стержнях, которые проходили через крышку внутрь конструкции. Нажимая на клавишу, вычислитель заставлял ее стержень повернуть рычаг L, связанный с рейкой P, которая, в свою очередь, находилась в постоянном зацеплении с шестеренкой M. Всего рычагов в машине было столько, сколько в вертикальных рядах клавиш, и все девять клавиш одного разряда действовали на рычаг L. Рейка P в исходном положении располагалась вверху, так как рычаг L оттягивался пружиной B. При нажатии на клавишу зубчатая рейка поворачивала на соответствующее число зубьев шестеренку M.
При отпускании клавиши рычаг под действием пружины возвращался в исходное положение, а вместе с ним возвращались рейка и шестеренка. На шестеренке была укреплена собачка храпового механизма, зубчатое колесо которого жестко соединялось с цифровым роликом, насаженным на ту же ось, что и шестерня. С поворотом шестеренки собачка поворачивала колесо вместе с роликом, и в окне перед вычислителем проходили соответствующие цифры. Когда шестеренка совершала возвратное движение, собачка проскальзывала по зубьям храпового колеса, и цифровой ролик оставался неподвижным.
Операция вычитания выполнялась как сложение с дополнительным к вычитаемому числом, для этого нажимались клавиши с маленькими цифрами во всех разрядах, начиная с левого и до первой значащей цифры вычитаемого, за этими нулями на малых цифрах устанавливалось число, у которого в последнем разряде было на единицу меньше, чем в данном вычитаемом.
Операции умножения и деления выполнялись как последовательные сложения и вычитания соответственно.
Механизм передачи десятков «Комптометра» состоял из рычага с собачкой, свободно вращающейся на его свободном конце, и пружины, игравшей роль аккумулятора энергии. Собачка взаимодействовала со штырьками, укрепленными по периметру боковой стороны цифрового ролика старшего разряда и образовывавшими корончатое колесо. С левой стороны каждого ролика, кроме ролика самого старшего разряда, крепился эвольвентный кулачок, по которому при вращении несущей оси перекатывалось плечо «рычага переноса», все сильнее натягивая пружину. Повороту ролика от 9 к 0 соответствовал переход рычага через наивысшую точку профиля кулачка, при этом рычаг падал, собачка освобождалась и, упираясь в один из штырей, проталкивала цифровой ролик старшего разряда на один шаг вперед.
Чтобы избежать ошибочного поворота цифрового ролика при сильном ударе по клавише, Фельт снабдил каждый ролик механизмом, который связывал во время работы клавишу с ее клавишным рычагом L. Этот механизм состоял из подпружиненного стопорного рычага I, свободный конец которого оканчивался зубом в виде топорика, и рычага G, находившегося ниже клавишных стержней и связанного с первым системой тяг. Рычаг G располагался так, что после поворота цифрового ролика на угол, определенный «ценой» клавиши, ее стержень наталкивался на рычаг, и тяги заставляли топорик стопорного рычага упасть между двумя соседними штырями на боковой стороне ролика: счетный механизм данного разряда останавливался. Таким образом, клавишный рычаг L никогда не мог под воздействием сил инерции «перегнать» соответствующий ролик и внести ошибку в вычисления.
Эта машина имела ряд недостатков, в частности, нельзя было проконтролировать правильность ввода, у нее отсутствовал печатающий механизм. Правда, Фельт пытался исправить погрешности и в конце 80-х годов создал несколько счетно-печатающих машин, но популярностью они не пользовались.
Уильям Бэрроуз начал работать над своим изобретением в 1884 году, он шел другим путем и успеха добился позднее. Бэрроуз родился 28 января 1857 года в городке Рочестер (штат Нью-Йорк). Его отец, неудачливый механик, в поисках заработка скитался с семьей по всей Америке, пока, наконец, не осел в другом маленьком городишке того же штата — Оберне. Здесь Уильям некоторое время посещал начальную школу, а затем был отдан учеником бухгалтера в местный банк. Душные банковские клетушки и пятилетнее корпение над колонками цифр расшатали его здоровье. Он заболел туберкулезом и, оставив по совету врача бухгалтерскую работу, переехал в 1882 году в СенЛуис, где устроился механиком ремонтной мастерской.
Такая цепь неудач могла остановить кого угодно, но только не Бэрроуза. Бедствуя, а иногда и голодая, он тем не менее не терял уверенности в конечном успехе своего предприятия. В конце 1885 года Бэрроуз заканчивает работу над машиной, и 21 января 1886 года Т. Меткалф, Р. Скраггс, У. Бэрроуз и X. Пай (местный предприниматель) создают Американскую компанию арифмометров – первую в мире фирму по производству счетных машин.
Дела у них пошли так успешно, что вскоре Бэрроуз из бедняка превратился в состоятельного бизнесмена. Но богатство и слава пришли слишком поздно – 14 сентября 1898 года в возрасте 41 года Уильям Бэрроуз умер. Надпись на его надгробном памятнике гласит: «Здесь покоится человек, который был благородным в бедности, скромным в богатстве и великим в своих делах на благо человечества». В отличие от «Комптометра» машина Бэрроуза (рис. 2) была двухтактной: в первом такте осуществлялась установка числа клавишами, во втором движением приводного рычага число переносилось на счетчик. Таким образом, клавиши здесь не имели отношения к действию машины и оставались в опущенном положении с момента установки числа. Поэтому можно было непосредственно произвести контроль ввода и в случае необходимости исправить ошибку.
Ввод числа приводил к изменению в положении элементов машины. Нажатием клавиши поворачивался один из двуплечих рычажков a (см. рис. 2). К другому плечу рычажка была прикреплена проволочная тяга b, которая своим свободным концом c, загнутым под прямым углом к плоскости чертежа, входила в зубья неподвижного «направляющего» сектора d. В момент нажатия клавиши загнутый конец тяги глубже входил в промежуток между зубьями d и становился на пути следования выступающего хвоста k на подвижном зубчатом секторе g. Одновременно с этим двуплечий рычажок a отодвигал планку r ; эта планка своим загнутым концом освобождала защелку f, в силу чего сектор g, который защелка ранее удерживала в верхнем положении, получал возможность вращаться вокруг оси h.
После установки числа приводной рычаг n отпускали, и пружина возвращала его в исходное положение. При движении рычага «вперед» падала вниз поперечная планка r, которая ранее лежала непосредственно под секторами g и удерживала их в верхнем положении. При этом начинали опускаться вниз те сектора, у которых защелка f была отодвинута действием клавиш; однако зубчатые колеса с цифровыми роликами i еще не входили в зацепления с этими секторами. Поэтому они двигались вниз свободно до тех пор, пока хвост сектора g не ударялся о загнутые концы проволочных тяг b. Следовательно, сектор g поворачивался на угол, пропорциональный «цене» прижатой клавиши в данном разряде. Очевидно, на такой же угол должен был повернуться и жестко скрепленный с ним сектор g1, на внешней поверхности которого был закреплен цифропечатающий шрифт I, и соответствующая цифра должна была встать «на линии печати» против красящей ленты и валика с бумагой m.
Аналогичным образом действовали механизмы и других разрядов, каждому из которых соответствовали свои сектора g–g1, расположенные один возле другого на оси h.
Когда процесс завершался, молоточки O освобождались от удерживающих их пружин; они ударяли по шрифтам, находящимся на линии печати, и прижимали их к бумаге, фиксируя на ней вводимое число. Кроме того, зубчатые колеса с роликами i, совершавшие качательные движения вокруг оси p, входили в зацепление с зубчатыми секторами g.
При отпускании рычага n планка r возвращалась под действием пружин в свое первоначальное положение, поднимая при этом все опустившиеся сектора. Очевидно, что каждый из них поднимался при этом на столько зубьев, на сколько он перед этим опустился, и на соответствующий угол поворачивался цифровой ролик i. Таким образом вводимое число переносилось на счетчик.
К концу обратного движения рычага клавиши снова освобождались и возвращались пружинами в нормальное положение. Точно так же производился ввод второго слагаемого, и на цифровых роликах появлялся результат суммирования, который тоже печатался на бумажной ленте. В основе выполнения других арифметических операций лежала операция суммирования, поэтому мы не будем их рассматривать.
В дальнейшем машина Бэрроуза неоднократно подвергалась модификации и усовершенствованию. Расширился, например, «ассортимент» выполняемых на машине операций, в частности, появились операции «Печатание без сложения», «Сложение без печати», «Поперечное сложение», «Печатание списков и таблиц» и т. д. Впоследствии приводной рычаг был заменен электрическим двигателем.
И «Комптометр», и машина Бэрроуза – наиболее яркие представители суммирующих машин, получивших особенно широкое распространение в первой половине нашего столетия. Начиная с 50-х годов в клавишных машинах стали использовать электропривод, а затем и электронику.
О том как устроено IT. Пост 1. Механические вычислительные устройства.
Итак, пилот нашел своего читателя поэтому продолжаем. В этом посте расскажу про различные механический вычислительные устройства.
Антикитерский механизм (Фрагмент A — спереди)
Антикитерский механизм (Фрагмент A — сзади)
Механизм содержал не менее 30 бронзовых шестерён в прямоугольном деревянном корпусе, на бронзовых передней и задней панелях которого были размещены циферблаты со стрелками. Две прямоугольные бронзовые защитные пластины прикрывали переднюю и заднюю панель. Ориентировочные размеры в сборе 31,5×17×6 см.
Механизм использовался для расчёта движения небесных тел и позволял узнать дату 42 астрономических событий; для вычисления лунных фаз использовалась дифференциальная передача, изобретение которой исследователи долгое время относили не ранее чем к XVI веку. Впрочем, с уходом античности навыки создания таких устройств были позабыты; потребовалось около полутора тысяч лет, чтобы люди вновь научились создавать похожие по сложности механизмы. С помощью специально разработанной компьютерной программы определено что устройство было сделано в полосе северной широты 33,3-37. Oстров Родос (36,4 с.ш.) и Сиракузы (37,1 с.ш.) часто предлагаются в качестве мест, где изготовлен или применялся антикитерский механизм.
Устройства, аналогичные антикитерскому механизму, упоминаются более чем в дюжине литературных произведений, которые написаны с 300 года до н. э. по 500 год н. э.
Первые исследования механизма проводились с 1902 по 1910 и с 1925 по 1930 годы. Уже в ходе первых осмотров прибора стало ясно, что астролябия, как некоторые изначально называли этот сложный прибор, была гораздо более продвинутой, чем любые известные астролябии. Редиадис, Радос и Теофанидис (все — греческие военно-морские офицеры и адмиралы) написали ряд статей на эту тему с 1903 по 1930 годы. Теофанидис сконструировал первую бронзовую модель астрономических часов, которые показывали некоторые из планет. Но более серьёзные результаты были получены с помощью рентгеновских исследований Прайсом в 1951—1978 годах.
В 1623 году Вильгельм Шиккард изобрел «Считающие часы» — первый арифмометр, умевший выполнять четыре арифметических действия. Считающими часами устройство было названо потому, что, как и в настоящих часах, работа механизма была основана на использовании звёздочек и шестерёнок. Это изобретение нашло практическое использование в руках друга Шиккарда, философа и астронома Иоганна Кеплера.
За Считающими часами последовали машины Блеза Паскаля («Паскалина», 1642 г.) и Готфрида Вильгельма Лейбница — арифмометр Лейбница.
Суммирующая машина Паскаля. Француз Блез Паскаль начал создавать суммирующую машину «Паскалину» в 1642 году в возрасте 19 лет, наблюдая за работой своего отца, который был сборщиком налогов и часто выполнял долгие и утомительные расчёты.
Машина Паскаля представляла собой механическое устройство в виде ящичка с многочисленными связанными одна с другой шестерёнками.
Складываемые числа вводились в машину при помощи соответствующего поворота наборных колёсиков. На каждое из этих колёсиков, соответствовавших одному десятичному разряду числа, были нанесены деления от 0 до 9. При вводе числа колесики прокручивались до соответствующей цифры. Совершив полный оборот, избыток над цифрой 9 колёсико переносило на соседний разряд, сдвигая соседнее колесо на 1 позицию. Ответ появлялся в верхней части металлического корпуса.
Несмотря на преимущества автоматических вычислений, использование десятичной машины для финансовых расчётов в рамках действовавшей в то время во Франции денежной системы было затруднительным. Расчёты велись в ливрах, су и денье. В ливре насчитывалось 20 су, в су — 12 денье. Использование десятичной системы в недесятичных финансовых расчётах усложняло и без того нелёгкий процесс вычислений. Тем не менее примерно за 10 лет Паскаль построил около 50 и даже сумел продать около дюжины вариантов своей машины. Несмотря на вызываемый ею всеобщий восторг, машина не принесла богатства своему создателю. Сложность и высокая стоимость машины в сочетании с небольшими вычислительными способностями служили препятствием её широкому распространению. Тем не менее, заложенный в основу «Паскалины» принцип связанных колёс почти на три столетия стал основой для большинства создаваемых вычислительных устройств.
Схему подобного арифмометру механизма нарисовал Леонардо да Винчи. Это устройство датируется 1500 годом и представляет собой 13-разрядную суммирующую машину на десятизубых колёсах. Однако в своё время идеи Леонардо никакого распространения не получили.
Арифмометр Лейбница. Идея создания машины, выполняющей вычисления, появилась у выдающегося немецкого математика и философа Готфрида Вильгельма Лейбница после его знакомства с голландским математиком и астрономом Христианом Гюйгенсом. Огромное количество вычислений, которое приходилось делать астроному, навело Лейбница на мысль о создании механического устройства, которое могло бы облегчить такие расчёты («Поскольку это недостойно таких замечательных людей, подобно рабам, терять время на вычислительную работу, которую можно было бы доверить кому угодно при использовании машины»).
Арифмометр был создан Лейбницем в 1673 году. Сложение чисел выполнялось в десятичной системе счисления при помощи связанных друг с другом колёс, так же как на вычислительной машине Блеза Паскаля. Добавленная в конструкцию движущаяся часть и специальная рукоятка, позволявшая крутить ступенчатое колесо (в последующих вариантах машины — цилиндры), позволяли ускорить повторяющиеся операции сложения, при помощи которых выполнялось деление и перемножение чисел. Необходимое число повторных сложений выполнялось автоматически.
Копия арифмометра Лейбница в Немецком музее.
Были построены два прототипа, до сегодняшнего дня только один сохранился в Национальной библиотеке Нижней Саксонии в Ганновере, Германия. Несколько поздних копий находятся в музеях Германии, например, один в Немецком музее в Мюнхене.
Несмотря на недостатки арифмометра Лейбница, он дал изобретателям арифмометров новые возможности. Привод, изобретённый Лейбницем — шагающий цилиндр или колесо Лейбница — использовался во многих вычислительных машинах на протяжении 300 лет, до 1970-х годов.
Лейбниц также описал двоичную систему счисления — один из ключевых принципов построения всех современных компьютеров. Однако, вплоть до 1940-х многие последующие разработки были основаны на более сложной в реализации десятичной системе.
В 1820 году Шарль Ксавье Тома де Кольмар создал первое серийно выпускавшееся механическое счётное устройство — арифмометр Томаса, который мог складывать, вычитать, умножать и делить. В основном, он был основан на работе Лейбница.
В 1845 году Израиль Штаффель представил счётную машину, которая кроме четырёх арифметических действий могла извлекать квадратные корни. Арифмометры, считающие десятичные числа, использовались до 1970-х.
Вычислительная машина Штаффеля. Ни один экземпляр машины не сохранился до XXI века. Её конструкция известна только по историческим источникам, в основном, это статьи для прессы, отчёты и решения жюри c выставок, на которых демонстрировалась машина.
Создатель машины, Израиль Авраам Штаффель, был жителем Варшавы, по профессии — часовщик. Штаффель вырос в бедной еврейской семье и не имел доступа к научным публикациям, рассказывающих о последних изобретениях Западной Европы. Выучил польский язык, что позволило ему читать научно-технические публикации по механике, издаваемые в Царстве Польском. Неизвестно, было ли ему известно о счётных машинах других варшавских изобретателей, Авраама Штерна или Хаима Слонимского, и поэтому невозможно достоверно утверждать, как те повлияли на сконструированное им устройство. Штаффель не был знаком с конструкцией арифмометра де Кольмара или других счётных машин, созданных в Западной Европе. В связи с этим следует предположить, что построенная им машина была его собственным изобретением, мало похожей на разработанные ранее вычислительные устройства. Штаффель начал строить машину в 1835 году и закончил работы через 10 лет. Впервые он продемонстрировал машину публике в 1845 году. Позже Штаффель представил ещё несколько моделей машины, содержащих различные усовершенствования. В 1845 году на промышленной выставке в Варшаве Израиль Авраам Штаффель был награждён серебряной медалью. В комитет, присуждающий медаль. В описании машины отмечалось значительное снижение времени, необходимого на выполнение вычислений по сравнению с ручными расчётами на бумаге.
В том же 1845 году Штаффель ознакомил с машиной министра народного просвещения, президента Петербургской академии наук Уварова, когда тот был в Варшаве, Уваров обещал ему содействие. После получения Штаффелем серебряной медали на выставке наместник Царства Польского Паскевич, князь Варшавский, выдал ему 150 рублей на поездку в Санкт-Петербург для представления машины в академии наук.В 1846 году Уваров поручил академии исследовать машину. По результатам исследования она получила широкое признание среди членов академии. В 1851 году машина вместе с некоторыми другими устройствами Штаффеля была представлена на Всемирной выставке в Лондоне. Машина Штаффеля получила серебряную медаль и была признана лучшей из вычислительных машин, участвовавших в выставке.
Механизм машины был основан на колесе Лейбница.
В 1804 году Жозеф Мари Жаккар разработал ткацкий станок, в котором вышиваемый узор определялся перфокартами. Серия карт могла быть заменена, и смена узора не требовала изменений в механике станка. Это было важной вехой в истории программирования.
Перфокарточная система музыкального автомата
В 1832 году Семен Корсаков применил перфорированные карты в конструкции разработанных им «интеллектуальных машин», механических устройств для информационного поиска, являющихся прообразами современных баз данных и, в какой-то степени, — экспертных систем. С. Н. Корсаков является пионером русской кибернетики. Основное стремление С. Н. Корсакова — усиление возможностей разума посредством разработки научных методов и специальных устройств. В первой половине XIX века он изобрел и сконструировал ряд действующих механических устройств, функционирующих на основе перфорированных таблиц и предназначенных для задач информационного поиска и классификации.
Гомеоскоп прямолинейный с неподвижными частями. Он представляет собой наиболее простое из всех устройств Корсакова. Пользуясь им, можно найти среди большого числа записей, отображённых в гомеоскопической перфорированной таблице, ту, которая содержит все признаки другой заданной записи.
Гомеоскоп прямолинейный с подвижными частями. Он может указывать то же самое, что и гомеоскоп прямолинейный с неподвижными частями, и в дополнение к этому он находит и отделяет из заданной записи все те признаки, которые соответствуют (или не соответствуют) аналогичным признакам других записей в таблице.
Плоский гомеоскоп. Плоский гомеоскоп аналогично указывает соответствия, имеющиеся у сравниваемых между собой записей, число признаков которых может достигать многих тысяч. С. Н. Корсаков утверждает, что число признаков можно довести до одного миллиона, используя, так называемые, градуированные стержни. В целом плоский гомеоскоп позиционируется Корсаковым как устройство для обработки больших массивов данных.
Идеоскоп представляет наиболее «хитроумное» из всех пяти устройств, предложенных С. Н. Корсаковым. Идеоскоп одновременно позволяет выполнить исчисление следующих значений:
множество вообще возможных признаков, но отсутствующих в заданной и сравниваемой записях
множество признаков заданной записи, но которых нет в сравниваемой записи из идеоскопической таблицы
множество общих признаков для заданной и сравниваемой записей
множество общих наиболее важных признаков
множество наиболее важных признаков сравниваемой записи из таблицы, но которые отсутствуют в заданной записи
множество признаков сравниваемой записи из таблицы, которые отсутствуют в заданной записи.
Простой компаратор. Компаратор определяет те же операции с множествами, что и идеоскоп. Преимущество компаратора заключается в том, что признаки сравниваемых идей можно задать непосредственно (динамически) перед началом сравнения, не требуется заранее подготавливать и использовать перфорированные таблицы. Ограничение состоит в том, что за один раз возможно сравнение только двух идей.
В целом, изобретенные С. Н. Корсаковым машины позволяют быстро находить, сравнивать и классифицировать множества информационных записей (идей) по набору многочисленных признаков (деталей). C. Н. Корсаков позиционирует свои машины как усиливающие человеческий разум для одновременного охвата большого количества объектов и их сравнения по множеству признаков. Для реализации своих машин С. Н. Корсаков по существу впервые применил перфорированные карты в информатике. В работах С. Н. Корсакова содержится целый ряд новых для того времени идей, как то: многокритериальный поиск с учетом относительной степени важности различных критериев, способ обработки больших массивов данных, предтеча современных экспертных систем, и даже попытка определить понятие алгоритма.
С. Н. Корсаков предпринял два шага к продвижению своих изобретений. В 1832 г. им была издана брошюра «Начертание нового способа исследования при помощи машин, сравнивающих идеи». По традиции того времени, брошюра была написана на французском языке. В том же году С. Н. Корсаков предпринимает попытку представить свои изобретения на суд Императорской Академии наук в Санкт-Петербурге. Однако С. Н. Корсакову не повезло. Изобретения его не были в должной мере оценены современниками и не получили официальной поддержки. Заключение комиссии содержало ироническое замечание: «Г-н Корсаков потратил слишком много разума на то, чтобы научить других обходиться без разума».
В 1838 году Чарльз Бэббидж перешёл от разработки Разностной машины к проектированию более сложной аналитической машины, принципы программирования которой напрямую восходят к перфокартам Жаккара.
Разностная машина Чарльза Бэббиджа. Предназначен для автоматизации вычислений путём аппроксимации функций многочленами и вычисления конечных разностей. Возможность приближённого представления в многочленах логарифмов и тригонометрических функций позволяет рассматривать эту машину как довольно универсальный вычислительный прибор.
В 1822 году Бэббиджем была построена модель разностной машины, состоящая из валиков и шестерней, вращаемых вручную при помощи специального рычага. Заручившись поддержкой Королевского общества, посчитавшего его работу «в высшей степени достойной общественной поддержки», Бэббидж обратился к правительству Великобритании с просьбой о финансировании полномасштабной разработки. В 1823 году правительство Великобритании предоставило ему субсидию в размере 1500 фунтов стерлингов (общая сумма правительственных субсидий, полученных Бэббиджем на реализацию проекта, составила в конечном счёте 17 000 фунтов стерлингов). Разрабатывая машину, Бэббидж и не представлял всех трудностей, связанных с её реализацией, и не только не уложился в обещанные три года, но и спустя девять лет вынужден был приостановить свою работу. Однако часть машины все же начала функционировать и производила вычисления даже с большей точностью, чем ожидалось. Конструкция разностной машины основывалась на использовании десятичной системы счисления. Механизм приводился в действие специальными рукоятками. Когда финансирование создания разностной машины прекратилось, Бэббидж занялся проектированием гораздо более общей аналитической машины, но затем всё-таки вернулся к первоначальной разработке. Улучшенный проект, над которым он работал между 1847 и 1849 годами, носил название «Разностная машина № 2».
Копия разностной машины в лондонском Музее науки
Несмотря на неудачу с разностной машиной, Бэббидж в 1833 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.
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.
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». 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 Эйкен 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.
В 1948 году появился Curta — небольшой арифмометр, который можно было держать в одной руке. В 1950-х — 1960-х годах на западном рынке появилось несколько марок подобных устройств.