Перфокарты Жаккара

Французский ткач и механик Жозеф Жаккар создал первый образец машины, управляемой вводимой в нее информацией. В 1802 г. он построил машину, которая облегчила процесс производства тканей со сложным узором. При изготовлении такой ткани нужно поднять или опустить каждую из ряда нитей. После этого ткацкий станок протягивает между поднятыми и пущенными нитями другую нить. Затем каждая из нитей опускается или поднимается в определенном порядке и станок снова пропускает через них нить. Этот процесс многократно повторяется до тех пор, пока не будет получена нужная длина ткани с узором. Для задания узора на ткани Жаккар использовал ряды отверстий на картах. Если применялось десять нитей, то в каждом ряду карты предусматривалось место для десяти отверстий. Карта закреплялась на станке в устройстве, которое могло обнаруживать отверстия на карте. Это устройство с помощью щупов проверяло каждый ряд отверстий на карте. Информация на карте управляла станком.

Увеличение во второй половине 19 века вычислительных работ в целом ряде областей человеческой деятельности выдвинуло настоятельную потребность в ВТ и повышенные требования к ней.

2.4. Вычислительные машины Бэббиджа (программное управление)

Особое место среди разработок механического этапа развития ВТ занимают работы англичанина Ч. Беббиджа, с полным основанием считающегося родоначальником и идеологом современной ВТ.

Первым, кто высказал идею об универсальной вычислительной машине, способной работать по различным заложенным в нее программам, и первым, кто попытался реально построить такую машину, был английский исследователь Чарльз Бэббидж (1791 - 1871). Он родился в состоятельной семье банкира, окончил знаменитый университет в Кембридже, где был "душой общества". В 1816 году его избрали в члены Королевского общества, которое для Англии является эквивалентом Академии наук.

В 1820 году Бэббидж начал работу над вычислительной машиной, которая автоматически вычисляла бы математические таблицы. Различные таблицы - логарифмов, сложных процентов, астрономические и навигационные — широчайшим образом использовались тогда в Англии. Вычислялись и переписывались эти таблицы вручную и поэтому содержали немало ошибок и описок.

В работах Беббиджа два основных направления: проекты разностной (1822 г.) и аналитической вычислительных машин. Проект первой предназначался для табулирования полиномиальных функций методом конечных разностей.

Работа машины основана на том, что n-я разность многочлена n-й степени является постоянной. Поэтому, зная несколько начальных значений функции для равноотстоящих значений аргумента, можно рассчитать конечные разности вплоть до постоянной n-й и выполнить обратный ход - по разностям вычислить новое значение функции. Циклически повторяя расчет, можно получить таблицу функции с любым числом строк (значений аргумента). В машине Бэббиджа эти вычисления выполнялись автоматически с помощью совокупности вращающихся колес. В эту машину вводилась информация на картах.

Для изготовления машины Бэббидж использовал принцип Паскаля — т. е. зубчатые колеса на осях со сложным механизмом переноса десятков. Уже в 1822 году Бэббидж самостоятельно конструирует и изготавливает действующую модель своей машины, которая может составлять таблицы с точностью до восьмого знака для функций с постоянными вторыми разностями; машина содержала 96 зубчатых колес на 24 осях.

В 1823 году Бэббидж обращается в Министерство финансов Англии и получает 1500 фунтов стерлингов для постройки машины, которая будет составлять таблицы с точностью уже двадцатого знака для функций с постоянными шестыми разностями. 1500 фунтов — это очень большая сумма для того времени. Ее величина говорит о том, что Министерство финансов Англии хорошо понимало, какие преимущества принесет осуществление предложений Бэббиджа. Работа над машиной началась в 1823 году и продолжалась с перерывами до 1842 года. Перерывы происходили из-за того, что первоначально выделенной суммы не хватало, и Бэббиджу приходилось просить о выделении новых денег. Постройка вычислительной машины на механических элементах — сотнях и тысячах связанных между собой шестеренок и счетных колес — оказалась значительно более трудным и дорогим делом, чем это представлялось ранее. К 1842 году было израсходовано 17 000 фунтов правительственной субсидии и 6000 фунтов личных денег самого Бэббиджа. Машина в целом так и не заработала, хотя отдельные ее устройства и узлы работали и не раз демонстрировались на выставках.

В ходе создания машины для вычисления таблиц Бэббидж разработал и опубликовал проект универсальной вычислительной машины, способной вычислять решения любых математических задач, для которых известен алгоритм их решения.

Бэббидж указал, что универсальная машина должна состоять из:

1. Арифметического устройства, выполняющего арифметические действия над вводимыми в него числами.

2. Устройства "памяти" для хранения промежуточных результатов.

3. Устройства управления, в котором хранится программа управления действиями машины.

4. Устройства ввода исходных данных и вывода результатов расчета.

Современные вычислительные машины состоят из узлов, предсказанных впервые Бэббиджем. Так что предсказано все было правильно, направление работы было выбрано верно, но реализовать машину из не очень точных механических деталей в первой половине XIX века было слишком трудным делом.

Второй проект, основанный на использовании принципа программного управления, явился предвестником современных ЭВМ. Данный проект был предложен в 30-е годы, а в 1843 г. Адой Лавлейс для машины Беббиджа была написана первая в мире достаточно сложная программа вычисления чисел Бернулли. Оба эти достижения можно считать выдающимися как опередившими свою эпоху более чем на столетие.

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.

2.5. Арифмометр Однера

Началом математического машиностроения можно считать изобретение русского инженера В. Однера в 1874 г. арифмометра. Из многочисленных конструкций арифмометров, предложенных изобретателями разных стран, наиболее простым и удачным оказался арифмометр, разработанный механиком из Санкт-Петербурга Вильгодтом Теофилом Однером (1845 - 1905), мастером Экспедиции заготовления государственных бумаг, производственные корпуса которой и сегодня стоят в Санкт-Петербурге на набережной Фонтанки. Основным элементом его арифмометра было своеобразное зубчатое колесо с переменным числом зубьев, получившее впоследствии название "колесо Однера". Оно позволяло легко производить ввод исходных чисел в арифмометр простым поворотом рычагов на его лицевой стороне, поскольку эти рычаги изменяли число зубьев "колес Однера".

Начав работать над своим изобретением в 1874 году, Однер через четыре года получил патент, а в 1890 году основал "Механический и меднолитейный завод для производства арифмометров". Уже в первый год своего существования завод выпустил 500 арифмометров новой конструкции, продолжая наращивать их выпуск. В 1913 году в России работало уже 22 тысячи арифмометров Однера.

В Советском Союзе модификация арифмометра под названием "Феликс" выпускалась сотнями тысяч вплоть до второй половины XX века и имела широчайшее распространение.

Арифмометр «Феликс» надежно работает при частоте вращения ручки до 250 оборотов в минуту, что позволяет достаточно быстро производить умножение и деление многозначных чисел.

Начиная с XX века получили распространение вычислительные машины, приводимые во вращение не рукой, а электродвигателем, причем электродвигатель обеспечивает и автоматическое передвижение каретки при выполнении умножения и деления. Набор чисел в таких машинах выполняется нажатием клавиш. Число оборотов вала в машинах с электроприводом достигает 1300 оборотов в минуту, что позволяет существенно увеличить скорость выполнения вычислений по сравнению с арифмометрами с ручным приводом. В качестве электропривода подобных машин используются небольшие встроенные в машину электродвигатели переменного тока на напряжение сети 220 вольт, мощностью 25 - 65 Ватт.

Первоначально появление ЭВМ не очень повлияло на выпуск арифмометров прежде всего из-за различия в назначении, а также стоимости и распространенности.

2.6.Табулятор Холлерита, счетно-перфорационные машины

Электромеханический этап развития ВТ явился наименее продолжительным и охватывает всего около 60 лет - от первого табулятора Г. Холлерита (1887) до первой ЭВМ ENIAC (1945). Предпосылками создания проектов этого типа явились как необходимость проведения массовых расчетов (экономика, статистика, управление и планирование и т.д.), так и развитие прикладной электротехники (электропривод и электромеханические реле). Классическим типом средств электромеханического этапа был счетно-аналитический комплекс, предназначенный для обработки информации на перфокарточных носителях.

Исключительность устройства, разработанного американцем Германом Холлеритом, 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.

Значение работ Холлерита для развития ВТ определяется двумя факторами. Во-первых он стал основоположником нового направления в ВТ - счетно-перфорационного с соответствующим им оборудованием для широкого круга экономических и научно-технических расчетов. Это направление привело к созданию машинно-счетных станций, послуживших прообразом современных вычислительных центров. Во-вторых, даже в наше время использование большого числа разнообразных устройств ввода/вывода информации не отменило полностью использования перфокарточной технологии.