1.3. Механічні обчислювальні машини.

Машина Леонарда да Вінчи.

У рукописах видатного італійського живописця, скульптора, вченого, інженера Леонарда да Вінчи (1452-1519), які виявили в 1967 р., є проект механічної тринадцятирозрядної обчислювальної машини, що будувалась на основі десятизубцевих колес.

Машина Вільгельма Шиккарда. У листах і спогадах сучасників збереглися відомості про машину Вільгельма Шиккарда (1592-1636), виготовлену в 1623 р. Це була 6-розрядна машина, яка могла додавати та віднімати числа. Ця машина являла собою як би палички Непера, згорнені в барабан, мабуть тому вона ще отримала назви “Годинник для обчислювань”. На жаль машина Шиккарда згоріла під час пожежі, а креслення були загублені. Несподівано у 1935 р. креслення були знайдені, але під час Другої Світової війни знову були загублені. Лише в 1956 р. креслення були знайдені знову! У 1960 р. машину Шиккарда було побудовано, щоб удосконалитись, що вона працює.

Машина Паскаля. Не дивлячись на існування більш ранніх розробок, першою механічною машиною вважається 5-розрядний (потім 8-розрядний) підсумовуючий автомат, побудований в 1642 р. (за іншим даними в 1641 р.) французьким математиком Б.Паскалем (1623-1662). Машина створювалася для полегшення роботи батька, якому доводилося виконувати багато підрахунків, займаючи посаду королівського інтенданта Нормандії. Вперше конструкція Паскаля була виставлена для загального огляду в Люксембурзькому парку в Парижі. Ця машина виконувала додавання та віднімання над шестизначними числами. У "паскаліні" десяткові цифри задавалися поворотами коліщаток з десятьма зубцями, на яких були цифрові ділення, а результат прочитувався у віконцях. Колеса були механічно пов'язані, щоб враховувати перенесення одиниці в наступний розряд. Збереглося сім примірників машини Паскаля, один з них знаходиться в Музеї мистецтв та ремесел у Парижі.

Машина Лейбніца. Перша машина, що виконує всі арифметичні дії і возведення в степінь, була розроблена в 1673 році німецьким вченим Лейбніцем Г.В. (1646-1716), яку сконстуювала людина за імям Олівер із Парижу. .Це був “покроковий обчислювач”. Машина мала жваву каретку та виконувала множення за принципом шкільного алгоритму "множення в стовпчик". Це був перший арифмометр (від грецького arithmos-число та метр) - настільна механічна рахункова машина для виконання складання, віднімання, множення, ділення, в якій установлення чисел і приведення рахункового механізму в дію здійснюються вручну.

Машина Беббіджа. У 1822 р. Ч.Беббідж (1791-1871), що очолював кафедру математики Кембріджського університету, розробив проект великої машини для обчислення та друку таблиць математичних функцій. Він побудував робочу модель, що заслужила схвалення та фінансову підтримку Лондонського Королівського Товариства. У 1823 р. Беббідж приступив до роботи, розраховуючи закінчити її за три роки. Але роботу вчасно не довелось зробити, тому що в той час ще не було точного обладнання для виготовлення деталей, не було розроблено теорію механізмів. До того ж в ході виготовлення машини Беббідж продовжував її вдосконалювати, знаходив нові рішення розширення її можливостей, постійно вносив зміни в креслення та переробляв вже виготовлені вузли. У 1833 р. Беббіж припинив роботи над великою машиною, витрачавши 17 тис. фунтів стерлінгів урядових коштів та 13 тис. власних і виконавши при цьому лише частину проекту. Але треба відмітити, що працююча частина машини мала значно більшу швидкодію, ніж було обіцяно, і забезпечувала заявлену точність. У процесі створення машини у Беббіджа виникла ідея про створення універсальної обчислювальної машини, названої згодом аналітичною. Її логічна схема була настільки ясною та простою, що він міг описати її словами, не вдаючись до креслень.

Аналітична машина, за задумом Беббіджа, повинна була

• 1. виконувати прості арифметичні дії;

• 2. запам'ятовувати початкові та проміжні дані, результати обчислень;

• 3. запам'ятовувати групу команд, по яких йде розв'язання задачі;

• 4. виводити результати обчислень;

• 5. автоматично припиняти обчислення після виконання задачі;

• 6. повторювати цикл обчислень.

У новій машині передбачався пристрій – "млин", який виконував всі арифметичні дії. Початкові дані, проміжні результати запам'ятовувалися на регістрах, об'єднаних в єдиний пристрій – "склад". Керування переміщенням чисел зі "складу" на "млин" і зворотно, а також керування діями "млина" здійснювалося "конторою" за допомогою перфокарт по типу раніше застосованих для ткацького станка французом Ж.М.Жаккаром. Послідовність карт складала (як ми б тепер назвали) програму. Але в аналітичній машині Беббіджа ще була відсутня сучасна “концепція зберігаємої програми”.

Останні 37 років свого життя Беббідж присвятив удосконаленню своєї аналітичної машини. У 1871 році він створив прототипи процесора та пристрою для друку. Помер він так і не закінчивши свою основну працю. Його машина набагато випереджала технічні можливості свого часу, і довести її до кінця було практично неможливо. Аналітичну машину Ч.Беббіджа вважають прообразом ЕОМ. Примітки: Генрі Беббідж, син Чарльза Беббіджа, у 1906 році при підтримці фірми R.W. Munro побудував процесор батьківської аналітичної машини. Процесор працював бездоганно, але цілком аналітична машина так і не була побудована.

У цих роботах Беббіджу допомагала математик Ада Лавлейс (1815-1852). Вона створила для машини Беббіджа декілька програм, які зберігалися на спеціальних перфорованих картах. Вона довела, що машина здатна не тільки вирішувати задачі числового характеру, але й виконувати операції над словами. “Машина - не Творець. Вона - лише слуга, слухняний наказам добродія” (Ада Лавлейс) Роботи Ади Лавлейс в цій галузі були надруковані в 1843 році. Однак, в той час вважалося непристойним для жінки видавати твори під своїм ім'ям, тому на титульному листі стояли лише її ініціали. Одна з основних наукових праць Ади Лавлейс - переклад статті Менабриа "Елементи аналітичної машини Беббіджа" та примітки до неї. Саме ці декілька сторінок і містили, на думку багатьох фахівців, зразок “першої в історії комп'ютерної програми”. У тексті приміток до статті Менабреа була прихована струнка теорія програмування.

Заслуги Чарльза Беббіджа і його учениці та помічниці Ади Лавлей важко переоцінити.

• По-перше, це ідея програмного управління процесом обчислень.

• По-друге, пропозиція використати перфокарти для введення і виведення даних, для управління, а також для обміну та передачі чисел в самій машині.

• По-третє, винахід системи попереднього перенесення для прискорення розрахунків.

• По-четверте, застосування способу зміни ходу обчислень, що отримав надалі назву умовного переходу.

• По-п'яте, введення поняття циклів операцій і робочих осередків.

У матеріалах Беббіджа і коментарях Лавлейс намічені такі поняття, як підпрограма та бібліотека підпрограм, модифікація команд та індексний регістр, які стали вживатися тільки в 50-х роках ХХ століття. Сам термін бібліотека був уперше введений Беббіджем, а терміни робочий осередок і цикл запропонувала Ада Лавлейс.

Примітки: В 1975 году в недрах Министерства обороны США было принято решение о начале разработки универсального языка программирования. Министр прочитал подготовленный секретарями исторический экскурс и без колебаний одобрил и сам проект, и предполагаемое название для будущего языка - "Ада".

Табулятор Холлеріта. Герман Холлеріт (1860-1929), син німецьких емігрантів в США, сконструював в 1884 році табулятор – електричну рахункову машину, що автоматизує процес обробки даних при проведенні перепису населення. Вперше машина Холлеріта була випробувана в 1887 році. А в 1890 році вона перемогла в конкурсі машин для обробки даних перепису населення США. У цій машині використовувалися перфокарти як носії інформації. Заснована Холлерітом в 1887 р. фірма спеціалізувалася по випуску перфораторів. Ця фірма сьогодні носить назву IBM та є найбільшим в світі виробником комп'ютерів.

Механічні машини Російської імперії. В Росії перший підсумовуючий пристрій був виготовлений у 1770 р. годинниковим майстром і механіком Е.Якобсоном. Сорок моделей оригінальних механізмів створив видатний російський математик і механік П.Л.Чєбишев і серед них арифмометр (1878 р.), особливістю якого було оригінальне пристосування для перенесення десятків з молодших розрядів в старші. Свого часу це була сама довершена рахункова машина. Ідеї, закладені в цьому арифмометрі, лягли в основу багатьох сучасних обчислювальних пристроїв. У 1875 р. зручний механічний арифмометр сконструював петербурзький інженер В.Т.Однер. За короткий строк цей арифмометр завоював весь світ і на Всесвітній виставці в Парижі, влаштованій в переддень нового ХХ сторіччя, був удостоєний золотій медалі. Промисловий випуск арифмометрів в Росії почався в 1894 р. і продовжувався більше за 70 років. У 1912 р. О.М.Крилов створив механічний інтегратор для розв`язання інтегральних рівнянь. Для економічних та інженерних розрахунків в СРСР використовувались арифмометри "Фелікс".