Параллельное развитие аналоговой и цифровой вычислительной техники

В. Шиккард разработал счетную машину для суммирования и умножения шестиразрядных десятичных чисел. Причиной, побудившей В. Шиккарда разработать такую машину, было его знакомство с польским астрономом Иоганном Кеплером, которому Шиккард решил оказать помощь в сложных вычислениях последнего. В своих письмах к Иоганну Кеплеру в 1623 г. Шиккард описывает проект суммирующей машины (рис. 4), которую он назвал «счетными часами».

Рис. 4. Реконструкция машины Шиккарда

Из письма В. Шиккарда от 25 февраля 1624 г. следует, что он изготовил два работающих образца своей машины, один из которых он хотел подарить И. Кеплеру. Но, к сожалению, обе машины сгорели во время пожара. Поэтому эти машины видели только два человека: сам автор, Вильгельм Шиккард, и механик Вильгельм Пфистер, который выполнял заказ В. Шиккарда. Данных о дальнейшей судьбе машины история не сохранила.

О самом проекте забыли на долгие годы, пока в 60-х гг. ХХ столетия, используя письма В. Шиккарда и его чернильный набросок с пояснениями для В. Пфистера, удалось построить действующую модель «счетных часов». Она хранится в домемузее И. Кеплера, на его родине в городе Вайле.

Об изобретениях В. Шиккарда и Леонардо да Винчи стало известно лишь в наше время. Современникам они были неизвестны. Именно поэтому долгое время считалось, что первый арифмометр изобрел в 1642 г. знаменитый французский ученый Б. Паскаль.

1.2.3. Суммирующая  машина Б. Паскаля

Французский ученый Блез Паскаль (1623–1662) в 1642 г. сконструировал первый механический вычислитель, позволяющий складывать и вычитать числа. Для выполнения арифметических операций Паскаль заменил поступательное перемещение костяшек в абаковидных инструментах на вращательное движение оси (колеса).

Эта машина вошла в историю  вычислительной техники под названием «Паскалина». До наших дней сохранилось восемь машин Паскаля.

Машина была выставлена в Люксембургском саду на всеобщее обозрение, о ней писали стихи, ей приписывали фантастические возможности. Против счетного устройства Паскаля выступили клерки, которые боялись потерять из-за него работу, а также работодатели, считавшие, что лучше нанять дешевых счетоводов, чем покупать новую машину.

Хотя арифмометр Б. Паскаля представлял собой суммирующую машину, построенную по тем же принципам, что и забытая машина В. Шиккарда, труды Б. Паскаля оказали заметное влияние на весь дальнейший ход развития вычислительной техники.

1.2.4. Счетная машина Г. В. Лейбница

Немецкий философ, математик, физик Готфрид Вильгейм Лейбниц (1646–1716) в 1673 г. создал «ступенчатый вычислитель» – счетную машину (рис.5), позволяющую складывать, вычитать, умножать, делить, извлекать квадратные корни. Машина работала с 12-разрядными числами.

Рис. 5. Реконструкция арифмометра  Г. Лейбница

В ЭВМ, появившихся более  двух веков спустя, устройство, выполняющее арифметические операции (те же самые, что и «арифметический прибор» Г. Лейбница), получило название арифметического. Позднее, по мере добавления ряда логических действий, его стали называть арифметико-логическим (АЛУ). Оно стало основным устройством современных компьютеров.

1.2.5. Арифмометр К. Томаса

В XIX в. в связи с развитием промышленной революции возникает потребность в механизации конторских работ. Эта потребность изначально невелика, но все-таки она существует и растет по мере расширения промышленного производства, роста кредитно-финансовой сферы, развития биржевых и торговых операций.

На основе этого впервые возникает «серийное производство» арифмометров, налаженное уроженецем Эльзаса Карлом Ксавье Томасом. Сконструированный им в 1818 г. арифмометр выпускался с различными усовершенствованиями в течение 100 лет по 300–400 экземпляров в год, что по тем масштабам вполне считалось массовым производством.

Арифмометры обладали относительно неплохой скоростью вычислений. Они перемножали два восьмизначных числа за 18 с. При умножении использовался принцип Лейбница. Это была самая надежная машина в те времена. Арифмометр также поставил мировой рекорд по продолжительности продаж: последняя модель была продана в начале XX в.

1.2.6. Арифмометр В. Однера

В 1874 г. инженер Экспедиции заготовления государственных бумаг в Петербурге В. Т. Однер предложил надежную и простую конструкцию впоследствии основного узла арифмометра – знаменитое «колесо Однера». Оно оказалось настолько совершенным, что не претерпело принципиальных изменений до наших дней.

В 1899 г. В. Однер организовал большое предприятие в Петербурге на Васильевском острове в Тараканьевском переулке, где был расположен завод В. Однера по производству арифмометров. После эмиграции В. Однера в Швецию в 1917 г. арифмометры его конструкции продолжали выпускать на заводе им. Дзержинского под маркой «Феликс» (рис.6) [2,3]. В 1969 г. их было произведено 300 000 штук.

Рис. 6. Арифмометр «Феликс»

Так зародилась новая в  России отрасль промышленности – производство вычислительных машин. С тех пор вычислительная техника являлась одной из важнейших отраслей отечественного приборостроения.

1.2.7. Арифмометр Гамана

Наиболее крупным изобретением XX в. в области механических конструкций арифмометров была разработка пропорционального механизма передачи чисел, пригодного для построения на его основе вычислительных машин. Идея использования пропорционального механизма в вычислительной технике и реализации этой идеи принадлежат немецкому изобретателю Г. Гаману. Впервые арифмометр такой инструкции был создан изобретателем в 1905 году и назван «Мерседес-Евклид».

Потребности в механизации  вычислений в научной и научно-технической  сфере вплоть до 20-30-х годов XX в. были невелики. В науке и технике обычно можно было обойтись приближенными решениями, натурными моделями, элементарными расчетами и т.п. Интерес к механизации вычислений был вызван общефилософскими и общенаучными установками того времени, когда законы и принципы механики рассматривались как общие законы бытия. Естественно, что для удовлетворения этого интереса было достаточно создать ряд демонстрационных моделей, вызвавших как удивление широкой публики, так и комментарии философов. Наиболее ярко это проявилось у следующих устройств: арифметический инструмент Сэмюэля Морленда (1666 г.),  множительная машина Кирхера-Шотта (1688 г.), рабдологический абак Клода Перро (1680г), арифмометр Джованни Полени (1709 г.), арифметическая машина Жана Лепэна (1725 г.), счетная машина Якоба Лейпольда (1720г), суммирующая машина Гестена (1740 г.), машина Евна Якобсона (1770 г.), машина Филиппа Матеуса Гана (1774 г.), множительное устройство З.Я. Слонимского (1843 г.), счислитель Куммера (1846 г.), самосчеты В.Я. Буняковского (1867 г.), суммирующая машина с печатающим устрйством Бэрроуза (1885 г.), множительная машина Леона Болле (1888 г.), арифмометр «Мопро» Дж. Мопро (1912 г.).

1.2.8. Перфокарты Ж.Жаккара и схема вычислений Г.Прони

Французский ткач и механик Жозеф Жаккар создал первый образец машины, управляемой введенной в нее информацией. В 1802 г. он построил машину, которая облегчила процесс производства тканей со сложным узором.

Создание ткацкого станка, управляемого перфокартами, с пробитыми на них отверстиями и соединенными друг с другом в виде ленты, относится к одному из ключевых открытий, обусловивших дальнейшее развитие вычислительной техники. Так появилось первое примитивное устройство для запоминания и ввода информации.

В 1795 г. французский математик Гаспар Прони (1755–1839), которому французское правительство поручило выполнение работ, связанных с переходом на метрическую систему мер, впервые в мире разработал технологическую схему вычислений.

Эта схема содержала три  этапа и предполагала разделение труда математиков на три составляющие:

1. Определение (или разработка) методов численных вычислений. Эти методы позволяли свести вычисления к четырем арифметическим операциям – сложение, вычитание, умножение, деление.

2. Задание последовательности арифметических действий и определение исходных данных, необходимых при их выполнении («программирование»).

3. Выполнение составленной «программы», состоящей из последовательности арифметических действий.

Этим разделением труда математиков был дан импульс дальнейшему процессу автоматизации самой трудоемкой третьей части вычислений – переходу к созданию цифровых вычислительных машин с программным управлением последовательностью арифметических операций.

1.2.9. Машины Ч. Бэббиджа

Два новшества – программное (с помощью перфокарт) управление и технология вычислений при ручном счете – явились базой для работ профессора Кембриджского университета Чарльза Бэббиджа.

Из всех изобретателей  прошлых столетий, внесших тот  или иной вклад в развитие вычислительной техники, он ближе всего подошел к созданию компьютера в современном его понимании.

Наивысшим достижением Чарльза Бэббиджа была разработка принципов, положенных в основу современного компьютера, за целое столетие до того, как появилась техническая возможность их реализации. Им были созданы две машины – разностная (1822 г.) и аналитическая (1830 г.).

1.2.9.1. Разностная машина

Работа «разностной машины» была основана на хорошо разработанном методе конечных разностей. Благодаря этому методу все сложно реализуемые в механике операции умножения и деления сводились к цепочкам простых сложений известных разностей чисел.

Разностная машина предназначалась для решения дифференциальных уравнений и табулирования многочленов. С современной точки зрения она являлась специализированной вычислительной машиной с фиксированной (жесткой) программой.

Составные части разностной машины:

1. «Память» – несколько  регистров для хранения чисел.

2. Сетчик числа операций со звонком – при выполнении заданного числа шагов вычислений раздавался звонок.

3. Печатающее устройство  – результаты выводились на печать, причем по времени эта операция совмещалась с вычислениями на следующем шаге.

Вычисления были полностью автоматизированы (вплоть до автоматической печати результатов). Прототип машины был построен очень быстро и при жизни ученого, однако полнофункциональная версия машины  с небольшими изменениями была создана после смерти Бэббижда и удостоена золотой медали на Всемирной выставке в Париже.

1.2.9.2. Аналитическая машина

К 1834 г., когда «разностная машина № 1» еще не была достроена, Ч. Бэббидж уже задумал принципиально новое устройство – «аналитическую машину», явившуюся прообразом современных компьютеров (рис. 7).

Рис. 7. Аналитическая машина Ч.Бэббиджа

Это была механическая универсальная цифровая вычислительная машина с программным управлением. К 1840 г. Бэббидж практически полностью завершил разработку «аналитической машины» и тогда же понял, что воплотить ее на практике сразу не удастся из-за технологических проблем.

По архитектуре аналитическая машина была механическим прототипом современного компьютера. Она содержала следующие устройства:

1) «склад» – устройство для хранения цифровой информации (теперь это запоминающее устройство или память);

2) «мельница» или «фабрика»  – устройство, выполняющее операции над числами, взятыми на «складе» (сегодня это арифметическое устройство);

3) устройство, для которого  Бэббидж не придумал названия, и которое управляло последовательностью действий машины. Сейчас это устройство называется устройством управления.

4) устройство ввода информации;

5) устройство вывода информации.

Бэббидж предусмотрел ввод в машину таблиц значений функций с контролем при вводе значений аргумента. Выходная информация могла печататься или пробиваться на перфокартах, что давало возможность при необходимости снова вводить ее в машину.

Особенностью аналитической машины стало то, что в ней впервые был реализован принцип разделения информации на команды и данные.

Однако аналитическая машина выглядела нереалистичной, ее просто невозможно было построить и запустить в работу. В своем окончательном виде машина должна была быть не меньше железнодорожного локомотива. Машину построить не удалось. Современники, не видя конкретного результата, разочаровались в работе ученого. А он опередил свое время…

Идеи Ч. Бэббиджа, относящиеся к структуре полностью автоматизированной счетной машины и принципов ее работы, удалось реализовать лишь в середине XX столетия в современных компьютерах. Основным тормозом был механический принцип счета, господствовавший в счетной технике более 300 лет.

Оба устройства, созданные  по технологиям середины XIX в., сегодня отлично работают и наглядно демонстрируют, что история компьютеров вполне могла начаться на сто лет раньше.

Исследователи работ Чарльза Бэббиджа непременно отмечают особую роль в разработке проекта аналитической машины графини Ады Августы Лавлейс. Именно ей принадлежала идея использования перфорированных карт для программирования вычислительных операций.

Первые изобретения этого  периода – машины Леонардо да Винчи, В. Шиккарда. О них ничего не было известно современникам, поэтому первой вычислительной машиной считается суммирующая машина Б. Паскаля – «Паскалина», выполняющая операции сложения и вычитания. Сложную в реализации операцию вычитания Паскаль заменил сложением с дополнением вычитаемого. Этот подход используется в современных ЭВМ. Счетная машина Г. В. Лейбница позволяла складывать, вычитать, умножать, делить, извлекать квадратные корни. В основе множительного устройства этой машины лежит ступенчатый валик Лейбница, надолго определивший принципы построения счетных машин. В ЭВМ, появившихся более двух веков спустя, устройство, выполняющее арифметические операции (те же самые, что и «арифметический прибор» Г. Лейбница), получило название арифметического. Позднее, по мере добавления ряда логических действий, его стали называть арифметико-логическим (АЛУ). Оно стало основным устройством современных компьютеров.