2.1.4. Аналитическая машина Беббиджа

Предшествующие счетные машины автоматизировали только отдельные вычислительные операции, новые же задачи все в большей степени требовали автоматизации последовательности вычислений, т.е. создания устройства, которое осуществляло бы процесс вычислений без участия человека. Идея полностью автоматической вычислительной машины с программным управлением принадлежит профессору Кембриджского университета, английскому ученому, инженеру и изобретателю Чарльзу Бэббиджу. Изобретение это настолько опередило свое время, что не было реализовано при жизни его автора. Полное осуществление идеи Бэббиджа получили только в XX в. при создании ЭВМ.

Идея создать вычислительную машину (автомат) для расчета таблиц возникла у Бэббиджа в 1812 г. С 1820 г. он начал работать и через два года изготовил действующую модель машины, которая позволяла вычислить с точностью до восьми знаков значения полиномов второй степени с помощью метода разностей. Эту машину Бэббидж назвал разностной. В отличие от счетных устройств Паскаля и Лейбница в разностной машине не требовалось вмешательства человека при переходе к расчету следующего значения функции, однако это было, по современной терминологии, специализированное вычислительное устройство с фиксированной программой. Хотя ее создание было шагом вперед в развитии вычислительной техники, но не это определяло значение трудов Бэббиджа, который по праву считается основоположником принципа программного управления.

Не завершив проекта новой усовершенствованной разностной машины, в 1834 г. Бэббидж изобрел универсальную вычислительную машину с программным управлением, которую назвал аналитической, способную выполнять вычислительные алгоритмы любой сложности. Аналитическая машина Бэббиджа по проекту включала четыре основные части.

Первая часть — блок для хранения исходных чисел и промежуточных результатов. Он состоял из набора колес, где каждая цифра обозначалась, как и в арифмометрах, углом поворота колеса. Эти колеса собирались в регистры для хранения многоразрядных десятичных чисел. Бэббидж называл такое устройство «складом» (в современной терминологии это память). Ученый считал, что запоминающее устройство должно иметь емкость в 1000 чисел по 50 десятичных знаков, чтобы был некоторый запас в точности и емкости.

Вторая часть — блок, в котором осуществлялись необходимые операции над числами, взятыми из «склада». Бэббидж называл его «мельницей», сейчас же подобное устройство называют арифметическим. Время на производство арифметических операций оценивалось Бэббиджем следующим образом: сложение или вычитание — 1 секунда; умножение (двух пятидесятиразрядных чисел) — 1 минута; деление (сторазрядное число на пятидесятиразрядное) — 1 минута.

Третью часть составлял блок, управляющий последовательностью операций, выполняемых над числами (в нашей терминологии устройство управления).

И четвертая часть — блок для ввода исходных данных и печати результатов, т. е. устройство ввода-вывода.

Для устройства управления Бэббидж предложил применять механизм, аналогичный механизму ткацкого станка Жаккара. Идея заключалась в том, чтобы заставить два жаккаровских механизма с цепочкой карт в каждом управлять действиями машины. Один механизм с картами операций должен был соединяться с «мельницей» и управлять выполнением арифметических операций, заданных пробитыми отверстиями в соответствующих картах . Второй механизм предназначался для управления переносом чисел из «склада» в «мельницу» и обратно. Таким образом, с помощью карт Жаккара — прообраза современных перфокарт— Бэббидж предполагал осуществлять автоматическое управление процессом механических вычислений. Ученый сделал более 200 чертежей различных узлов машины, около 30 вариантов ее общей компоновки, изготовил за свой счет некоторые устройства, но так и не смог закончить работу. Не было завершено создание машины и сыном Бэббиджа, много работавшим над воплощением идеи отца.

Чтобы аналитическая машина могла выполнять нужные вычисления, надо было иметь составленную для нее программу. Такую программу впервые разработала дочь великого поэта Байрона леди Лавлейс, доказавшей тем самым универсальные возможности вычислительной машины Бэббиджа и ставшей первой программисткой.