Analytický stroj Babbage Charles: popis, rysy, historie a vlastnosti

Charles Babbage (1791-1871) - průkopník ve vývoji počítačové techniky, který vyvinul dvě třídy počítačů - rozdílný a analytický. První z nich získal své jméno díky matematickému principu, na němž je založena - metodě konečných rozdílů. Jeho krása spočívá v exkluzivním použití aritmetického přírůstku bez nutnosti uchýlit se k násobení a rozdělení, což je obtížné mechanicky realizovat.

Více než kalkulačka

Stroj na rozdíl od Babbage je počítacím zařízením. Ona pracuje s čísly jediným způsobem, jak může, neustále přidávat je v souladu s metodou konečných rozdílů. Nemůže být použit pro obecné aritmetické výpočty. Analytický stroj Babbage je mnohem víc než jen kalkulačka. Znamená to přechod od mechanizovaného aritmetického k celkovému výpočtu obecného účelu. V různých fázích vývoje Babbageových nápadů existovaly alespoň 3 projekty. Proto je lepší odkazovat na jeho analytické stroje v množném čísle.

Pohodlí a inženýrská účinnost

Počítače Babbage jsou desítkové zařízení v tom smyslu, že používají deset číslic od 0 do 9 a digitální, protože pracují pouze s celistvými čísly. Hodnoty jsou reprezentovány převodovkami a každé kolo je přiřazeno vlastním kolečkem. Pokud se zastaví v mezilehlé poloze mezi celočíselnými hodnotami, výsledek se považuje za nedefinovaný a činnost stroje je zablokována, aby se ukázalo, že došlo k narušení integrity výpočtů. Jedná se o druh detekce chyb.

Babbage také zvažoval použití číselných systémů jiných než desetinné, včetně binárních a základních 3, 4, 5, 12, 16 a 100. On se usadil na desítkové ploše kvůli své obvyklé a inženýrské účinnosti, protože výrazně snižuje počet Pohyblivé součásti.

Rozdílový stroj №1

V roce 1821 Babbage začal pracovat s mechanismem určeným pro výpočet a tabulování polynomiálních funkcí. Autor popisuje jako zařízení pro automatické výpočty pořadí hodnot s automatickým tiskem výsledků ve formě tabulky. Nedílnou součástí návrhu je tiskárna, která je mechanicky připojena k výpočtu. Rozdílový stroj č. 1 je první kompletní konstrukce pro automatický výpočet.

Z času na čas společnost Babbage změnila funkčnost zařízení. Návrh 1830 zobrazuje stroj určený pro 16 čísel a 6 řádů rozdílů. Model se skládal z 25 tisíc kusů, rozdělených rovnoměrně mezi výpočetní sekci a tiskárnu. Pokud by byl přístroj vybudován, měl by vážit 4 tuny a měl by mít výšku 2,4 metru. Práce na vytvoření stroje Babbage Difference byla zastavena v roce 1832 po sporu s inženýrem Josephem Clinthem. Státní podpora definitivně skončila v roce 1842.

Analytický stroj

Když se práce na rozdílovém zařízení zastavila, Babbage v roce 1834 pojal ambicióznější zařízení, které se později stalo známým jako analytický univerzální programovatelný výpočetní mechanismus. Strukturní vlastnosti stroje Babbage odpovídají v mnoha ohledech základním blokům moderního digitálního počítače. Programování probíhá pomocí děrovacích karet. Tento nápad byl vypůjčen z žakárového tkalcovského stavu, kde slouží k vytváření složitých textilních vzorů.

Logická struktura analytického stroje Babbage v zásadě odpovídá dominantnímu návrhu počítačů elektronické éry, což znamená přítomnost paměti ("úložiště") odděleného od centrálního procesoru ("mill"), postupné provádění operací a prostředky pro zadávání a výstup dat a instrukcí. Proto autor vývoje získal titul průkopníka výpočetní techniky zcela zaslouženě.

Paměť a procesor

Zařízení Babbage má "úložiště", kde jsou uložena čísla a mezitímní výsledky, stejně jako samostatná "mlýn", kde bylo provedeno aritmetické zpracování. Měla sadu 4 aritmetických funkcí a mohla provádět přímé násobení a rozdělení. Navíc zařízení bylo schopné provádět operace, které nyní obdržely jména podmíněného větvení, cyklus (iterace), mikroprogramování, paralelní zpracování, fixace, tvorba impulzů atd. Samotný autor tuto terminologii nepoužíval.

CPU analytického stroje Charlesa Babbagea, který nazval "mlýn", stanoví:

• Ukládání čísel, které se provádějí okamžitě, v registrech;
• Má hardware pro práci s těmito základními aritmetickými operacemi;
• Přenos uživatelských externích pokynů do detailního interního řízení;
• Synchronizační systém (tact) pro provádění pokynů v pečlivě vybrané sekvenci.

Řídící mechanismus analytického stroje provádí operace automaticky a skládá se ze dvou částí: dolní úroveň řízená masivními bubny nazývanými sudy a vysoká úroveň pomocí děrovaných karet vyvinutých Jacquardem pro tkací stavby, které se používají v časných 1800s.

Výstupní zařízení

Výsledek výpočtů je zobrazen různými způsoby, včetně tisku, děrovaných karet, vykreslování a automatické produkce stereotypů - podnosy z měkkého materiálu, na kterých se vytváří dojem, který může sloužit jako forma pro odlévání desek pro tisk.

Nový design

Inovativní práce na analytickém stroji Babbage byla v podstatě dokončena v roce 1840 a začala vyvíjet nové zařízení. V období od 1847 do 1849 dokončil vývoj rozdílu stroje č. 2, což byla zdokonalená verze originálu. Tato modifikace byla navržena pro operace s 31-bitovými čísly a mohla do tabulkového tvaru přenést libovolný polynom 7. řádu. Návrh byl elegantně jednoduchý a vyžadoval pouze třetinu z počtu částí původního modelu, který poskytuje stejnou výpočetní výkon.

Na rozdílových a analytických strojích používal Charles Babbage stejný návrh výstupního zařízení, který nejen vytiskl na papíře, ale také automaticky vytvořil stereotypy a nezávisle vytvořené formátování podle rozvržení stránky nastavené operátorem. V tomto případě bylo možné upravit výšku řádku, počet sloupců, šířku polí, automatické sbalení řádků nebo sloupců a uspořádání prázdných řádků pro čitelnost.

Dědictví

Kromě několika částečně vytvořených mechanických sestav a zkušebních modelů malých pracovních sekcí nebyla žádná z návrhů plně realizována během života Babbage. Hlavní model shromážděný v roce 1832 byl 1/7 rozdílu stroje č. 1, který sestával z přibližně 2000 dílů. Funguje to bezchybně dodnes a je prvním úspěšným automatickým výpočtovým zařízením, které provádí matematické výpočty v mechanismu. Babbage zemřel, když byla sestavena malá experimentální část analytického stroje. Mnoho detailů designu je zachováno, stejně jako kompletní archiv výkresů a poznámek.

Projekty Babbageových obrovských mechanických počítačů jsou považovány za jeden z nejúžasnějších intelektuálních úspěchů 19. století. Teprve v posledních desetiletích byla jeho práce podrobně studována a míra důležitosti toho, co udělal, je stále více zřejmá.