2.2. Механический период

За этот период было построено множество машин, которые стали хорошими помощниками при обработке статистических данных, в финансовых расчетах, при вычислениях в научных исследованиях.

Перед первыми создателями механизмов, помогающих в вычислениях, стояли очень трудные задачи, например: как физически (предметно) представить числа в машине? Как осуществить ввод исходных числовых данных? Как выполнить арифметические операции механическим путем? Как осуществлять перенос десятков? Как представить вычислителю вводимые исходные данные и результаты вычислений? Вопросы, которые мы не задаем себе сегодня, пользуясь карманными калькуляторами или спидометром.

Наиболее типичными представителями вычислительных машин этого периода являются арифмометры.

Основными особенностями арифмометров являются автоматическая передача десятков и наличие подвижной каретки, что обеспечивает умножение.

Одну из первых механических счетных машин предложил в 1623 г. В. Шиккард. Он описал свою машину в письмах к И. Кеплеру, которые были обнаружены в 1958 году. По ним Б. Фрейтаг-Лорингоф изготовил модели машины Шиккарда.

Машина Шиккарда состояла из трех частей: суммирующего устройства (для сложения и вычитания), множительного устройства и механизма для фиксации промежуточных результатов. Принципиально новым было шестиразрядное суммирующее устройство, которое состояло из соединения зубчатых передач. Для каждого разряда была своя ось, на которой находилось по одной шестерне с десятью зубцами и по одному однозубому колесу (“пальцу”), служившему для дискретной передачи десятка в следующий разряд.

В машине Шиккарда просматривается устройство современных ЭВМ, в ней есть прототип запоминающих устройств современных машин.

В 1641 году Блез Паскаль сконструировал первый образец своей суммирующей машины. Всего он изготовил несколько десятков машин, которые вошли в историю под именем суммирующих машин Паскаля. С принципиальной точки зрения машины Паскаля не отличались от машины Шиккарда, хотя Паскаль о ней ничего не знал, однако, технически они были совершеннее машины Шиккарда. Машина Паскаля проигрывала в быстродействии и имела небольшую емкость (6-8 разрядов), имела размер примерно 40х15х10 см, но она была более надежна, чем машина Шиккарда и многие другие машины, которые стали создаваться последователями Паскаля.

Первый арифмометр или первую машину, которая могла не только суммировать и вычитать, но умножать и делить, сконструировал и построил Г. Лейбниц. В 1673 году он представил свою машину в Парижскую академию. Сложение и вычитание в машине Лейбница осуществлялось при помощи зубчатых передач и сводилось к набору чисел и считке результата. Основу машины составляли ступенчатые валики-цилиндрики с зубцами разной длины (эти цилиндрики и образуют валик, на котором нанесены зубцы в виде ступенек). Это и изобретение Лейбница было первым осуществлением зубчатого колеса с переменным числом зубцов. Именно такое колесо обеспечивает выполнение умножения и деления.

Новым в машине Лейбница было также разделение машины на подвижную и неподвижную части. Подвижная часть (прототип современной подвижной каретки у арифмометра) позволила производить поразрядное умножение.

Машина Лейбница была очень громоздкой (100х30х25 см), емкость ее ограничивалась размерами, однако, подвижная каретка повысила скорость выполнения умножения, хотя у нее и отсутствовал механизм гашения: каждое колесо устанавливалось в первоначальное положение самостоятельно, что уменьшало скорость вычисления.

Машина Лейбница также как и машина Паскаля, стала прародительницей многих счетных машин, в том числе и современных арифмометров, которые можно было увидеть в действии вплоть до 70-х годов XX века.

В VII-XVIII в.в. создавалось много счетных машин, которые либо совсем не использовались, либо использовались только самими разработчиками.

В XIX веке было предложено много самых разнообразных машин, но большинство из них не получило распространения, так как их создатели заботились лишь об улучшении отдельных характеристик. Самыми известными из них являются: самосчеты В.Я. Буняковского (1867 г.) - прибор для сложения и вычитания; карманный прибор для сложения Пететина (Франция 1885 г.); арифмометр Л. Болле (1889 г.)

В 1818 году Л. Томас сконструировал, а в 1820 году построил машину, которую впервые назвал арифмометром. Эта машина была настолько удачна, что выпускалась до конца XIX века и было выпущено более 1500 штук.

В основу арифмометра Томаса был положен ступенчатый валик Лейбница. На нем была довольно большая скорость вычислений: два 8-значных числа можно было умножить примерно за 15 секунд, а разделить 16-значное число на 8-значное - за 25. Надежность машины обеспечивалась контрольным счетчиком, счетчиком оборотов и других устройствами. Машина Томаса была долговечной, она использовалась при расчетах, связанных с подготовкой плана ГОЭЛРО в 1920 году.

Машина Томаса постоянно совершенствовалась, ее размеры уменьшали, делая валики из полуцилиндров, а не из цилиндров, размещали их на разных уровнях.

В музее истории Санкт-Петербурга хранится один экземпляр, созданной в 1878 году П.Л. Чебышевым суммирующей машины. Эта машина имела столько недостатков, что на ней никто не работал, нет также подтверждений, что на ней работал сам автор. Дело в том, что П.Л. Чебышев не ставил перед собой задачи создания удобной для пользования машины, его задачей было: найти новый принцип на котором могут строиться вычислительные машины. И эту проблему он решил.

Чебышев доказал этой машиной и другими приспособлениями, что вычислительные машины могут быть построены на принципе непрерывной передачи десятков. Этот принцип быстро нашел свое применение во многих счетчиках (например, в спидометрах Теслы).

Несмотря на то, что самыми распространенными счетными машинами механического периода были арифмометры, именно в это время были заложены теоретические основы современных ЭВМ. Прародителями их считаются Чарльз Бэббидж (1792-1871) - английский математик и экономист, и его помощница Августа Ада Лавлейс (1815-1852) - дочь лорда Байрона.

В механический период на автоматизацию выполнения операций обращалось недостаточно внимания. Многие действия должен был выполнять сам вычислитель. Ч. Бэббидж первый выдвинул замысел вычислительной машины с программным управлением, который был заложен им еще в 1834 году в его проект аналитической машины. Свой проект Бэббидж не реализовал, этого не смог сделать в последствии и его сын. Развитие техники к тому времени не позволяло этого: электромеханические реле, появившиеся к этому времени были ненадежны, однако, Бэббидж рассматривал в качестве возможного источника энергии паровые двигатели.

Опередив свое время на сто лет, Бэббидж в статье «О математической производительности счетной машины» подробно описал свой проект. Его аналитическая машина состояла из следующих четырех частей:

1) блок хранения исходных данных и результатов вычислений. Он состоял из набора зубчатых колес, идентифицирующих цифры подобно арифмометру. Колеса объединялись в регистры для хранения многоразрядных десятичных чисел. Этот блок Бэббидж назвал складом;

2) блок обработки чисел из склада, его Бэббидж назвал мельницей (теперь это логическое устройство);

3) блок управления последовательностью вычислений, ему Бэббидж не дал названия, (теперь это устройство управления);

4) блок ввода исходных данных и печати результатов (устройство ввода-вывода).

Здесь сразу следует отметить, что, несмотря на то, что элементная база современных компьютеров такая, какой не могли во время Бэббиджа придумать фантасты, принципы построения аналитической машины и современных ЭВМ, те же.

Для ввода информации и управления процессом вычислений Бэббидж предлагал перфокарты, существовавшие до конца 80-х годов XX века.

Для вывода информации Бэббидж предлагал устройство, выводящее окончательный и промежуточный результат на бумагу. Для вывода графиков расчетов он предлагал использовать графопостроитель.

Долговременное хранение информации предлагалось на специальных металлических пластинках или дисках.

Вклад Бэббиджа в развитие вычислительной техники трудно переоценить. Основатель кибернетики, разработчик теории информации Норберт Винер оценил вклад Бэббиджа так: «Бэббидж имел удивительно современные представления о вычислительных машинах, однако, имевшиеся в его распоряжении технические средства намного отставали от его представлений».

Рассказывая о Бэббидже, нельзя обойти стороной имя его ученицы и соратницы Ады Лавлейс. Она сделала полное и доступное описание машины Бэббиджа, написала первую программу для счетной машины, проектировала некоторые узлы машины, исследовала возможность применения двоичной системы счисления, принятой в современныx ЭВМ, высказала ряд идей, которые нашли применение в наше время.

Аду Лавлейс можно считать первым программистом, и один из современных языков программирования носит в ее честь имя Ада.