Назад
§ 1.6] ПРИНЦИП ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ 41
работ по математике, физике, астрономии, геологии, экономике, лин-
гвистике. Кроме научных занятий увлекался прикладным техническим
творчеством (сделал ряд изобретений для железнодорожного транспор-
та, разработал систему управления маяками, придумал логический ав-
томат для игры в крестики-нолики и др.). Главному делу своей жизни –
конструированию вычислительных машин – Бэббидж посвятил более
50 лет. После него осталось 37 кв. м чертежей, несколько моделей от-
дельных частей разностной и аналитической машин. Его технические
идеи на столетие опередили свое время.
К идее программного управления Бэббидж пришел не
сразу, а после 14 лет работы над проектом так назы-
ваемой разностной машины. Мысль о создании такой
машины пришла Бэббиджу в
1820 году, когда он ознакомился с
работами французских ученых по
составлению десятичных матема-
тических таблиц. Работы велись
двумя вычислительными мастер-
скими (для взаимной перепровер-
ки), в каждой около ста человек
изо дня в день вели однообразные
выкладки по фиксированному ал-
горитму конечных разностей, ис-
пользующему только сложение и
вычитание. Эту рутинную работу
Бэббидж решил поручить механи-
ческому вычислителю. В течение двух лет был разработан первый про-
ект и сделана небольшая действующая модель. Продемонстрировав мо-
дель Королевскому обществу (аналог нашей Академии наук), Бэббидж
добился правительственного финансирования и начал работу над по-
стройкой машины в полном масштабе.
К сожалению, при реализации проекта Бэббидж столкнулся с боль-
шими технологическими трудностями. Уровень машиностроения того
времени не позволил осуществить столь амбициозный замысел, к тому
же Бэббидж постоянно переделывал чертежи, внося бесконечные улуч-
шения и усовершенствования. Работа затягивалась, финансирование
иссякло, и наконец в 1842 году решением парламента незаконченная
машина и все чертежи были переданы на хранение в музей.
Разностная
машина
Детали разностной машины
в Музее компьютерной истории
в Силиконовой долине, США
42 ДОЭЛЕКТРОННАЯ ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ ЛАВА 1
Еще работая над проектом разностной машины,
Бэббидж понял, что ее возможности можно неиз-
меримо увеличить, если схему вычислений сделать
не жесткой, а управляемой с помощью перфокарт.
Первый набросок новой машины (она была названа аналитической)
появился в 1834 году, затем в течение многих лет, практически до са-
мой смерти, Бэббидж занимался ее усовершенствованием. Было разра-
ботано более 300 подробных чертежей машины и ее отдельных узлов, в
том числе 25 вариантов общих планов. Чертежи машины были лито-
графированы и разосланы ученым разных стран, с лекциями о ее уст-
ройстве Бэббидж выступал в Италии и на международных выставках.
По замыслу автора, машина должна была состоять из четырех ос-
новных блоков.
Первый блок Бэббидж назвал «mill», то есть «мельница», предна-
значен для выполнения четырех арифметических действий. По совре-
менной терминологии это – процессор. Вычисления должны были вес-
тись в десятичной системе счисления, точность представления чисел
составляла 50 десятичных знаков, при этом сложение двух 50-раз-
рядных чисел должно было происходить за 1 с, умножение и деление –
за 1 мин.
Второй блок называется «store», что означает «склад», или, по-
нашему, оперативная память. Временное хранение чисел должно было
осуществляться на вертикальных осях с 50 (по числу разрядов) колеса-
ми на каждой. Всего предполагалось иметь на складе 1000 осей (ячеек
памяти). Нельзя не удивиться размаху планов Бэббиджа: даже в первых
электронных компьютерах середины XX века не было такого адресного
пространства.
Третий блок представлял собой устройство управления. Он состоял
из двух жаккардовских перфокарточных механизмов: один для про-
граммы, второй – для исходных данных. При этом необходимо сказать,
что система команд аналитической машины включала не только ариф-
метические действия, но и условную передачу управления.
Последний, четвертый блок предназначался для внешнего обмена.
Планировалось иметь широкий спектр устройств ввода-вывода. В каче-
стве основного устройства вывода использовался карточный перфора-
тор, кроме него предполагалось выводить результаты вычислений на
бумагу, а также выдавливать их на металлических пластинках, чтобы в
дальнейшем можно было печатать таблицы без ошибок, вносимых ти-
Аналитическая
машина
§ 1.6] ПРИНЦИП ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ 43
пографскими наборщиками. Предполагалось еще сконструировать и
подключить к машине механический графопостроитель.
Даже по современным меркам проект аналитической машины вы-
глядит весьма внушительно. Бэббидж предложил множество ориги-
нальных технических решений (например, схему сквозного переноса),
которые оставались актуальными почти сто лет. В сравнении с первой
электронной вычислительной машиной ENIAC, построенной в
1945 году, проект Бэббиджа имел ряд принципиальных преимуществ.
Например, в ENIAC программа вводилась не с перфокарт, а коммути-
ровалась переключателями и соединитель-
ными штекерами.
К сожалению, аналитическая машина,
как и разностная, так и осталась на бумаге.
Основная причина та же – отсутствие тех-
нологии точной механической обработки
деталей; для приведения в движение длин-
ной цепи шестеренок требовалась слиш-
ком большая сила. Существенную роль
сыграл и субъективный фактор. По мне-
нию историка науки Г.Н. Поварова,
«...неуспех проекта был обусловлен скорее
деловыми и личными причинами, нежели
собственно техническими. Как часто быва-
ет, судьба изобретения тесно сплелась с
судьбой изобретателя. Бэббидж был уче-
ный-романтик, стремившийся все время
вперед, к неведомому и небывалому. Его гениальная интуиция легко
схватывала принцип решения, но он не всегда учитывал практические
трудности исполнения, не достигнув одного, спешил к другому».
По чертежам и описаниям Бэббиджа впоследствии было построено
несколько образцов аналитической машины. Первая уменьшенная реа-
лизация предпринята шведами отцом и сыном Шютцами (Scheutz,
Georg; 1785–1873; Edvard; 1821–1881) в 1854 году, еще при жизни Бэб-
биджа. Машина весила около 1 т и содержала 4320 деталей, на Всемир-
ной выставке в Париже ей была присуждена золотая медаль. В
1876 году в США Джордж Грант построил разностную машину, содер-
жащую 15 тыс. деталей, имевшую 2.4 м в длину, 1.5 м в высоту и вес
900 кг. Машина проработала 20 лет, а затем была передана в музей.
Фрагмент аналитической
машины (реконструкция)
44 ДОЭЛЕКТРОННАЯ ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ ЛАВА 1
Сын Чарльза Бэббиджа Генри в 1906 году реконструировал по чер-
тежам отца часть аналитической машины – арифметическое устройство
и устройство печати результатов с точностью 29 знаков. Эта модель в
настоящее время хранится в Научном музее Лондона. В 1969 году фир-
ма IBM изготовила для музея полномасштабный макет аналитической
машины, но этот макет изображал только внешний вид устройства и
был неработоспособным.
Проектирование разностных машин продолжалось вплоть до
40-х годов XX века, когда надобность в них отпала, так как табулирова-
ние функций стало производиться не с помощью специализированных
механизмов, а по машинным программам на универсальных компью-
терах.
Несмотря на то, что аналитическая машина
не была воплощена в металле, для нее были
составлены программы. Судьбе было угодно
распорядиться так, что первым в истории
программистом стала женщина, и не кто-нибудь, а единственная дочь
великого английского поэта Августа Ада Байрон, по мужу графиня
Лавлейс (Lovelace, Ada Augusta; 1815–1852).
Ада получила прекрасное воспитание, была талантливым музыкан-
том, знала несколько иностранных языков, ув-
лекалась математикой. В 19 лет она познакоми-
лась и подружилась с Чарльзом Бэббиджем,
считала себя его ученицей и помощницей. По-
скольку Бэббидж был сильно занят чертежами,
Ада, обладавшая прекрасным слогом и ясностью
мышления, считала своим долгом популяризи-
ровать идеи учителя. Когда в 1842 году вышла
статья итальянского инженера, между прочим
будущего премьер-министра, Л.Ф. Менабреа
(Menabrea, L.F.) с техническим описанием ана-
литической машины, составленным по записям
лекций Бэббиджа в Италии, Ада вызвалась пере-
вести ее на английский язык и снабдить коммен-
тариями. В этих «комментариях переводчика»
она проанализировала основные понятия про-
граммирования, такие, как простой цикл, цикл в
цикле, рабочая переменная, условная передача управления и т.д. В за-
ключение приводился пример достаточно сложной программы для ана-
Ада Лавлейс
и возникновение
программирования
Ада Лавлейс
(1815–1852)
§ 1.7] ТАБУЛЯТОРЫ: ОТ ХОЛЛЕРИТА ДО МАШИНОСЧЕТНЫХ СТАНЦИЙ 45
литической машины, вычисляющей числа Бернулли. Хотя объем ком-
ментариев более чем в два раза превысил объем самой статьи, Ада
скромно подписалась инициалами «AAL». Эта была ее единственная
научная работа, но этой работой она навсегда вписала свое имя в исто-
рию науки.
Программа Ады Лавлейс содержит 25 шагов, она составлена очень
изящно, минимизируя память и перфокарты. Для того чтобы проверить,
насколько правильно написана эта программа (отладить ее на машине
автор не имела возможности), в 1978 году в СССР был поставлен экс-
перимент. Программу перевели на язык Фортран, для чего потребова-
лось 85 операторов, и протестировали на компьютере. Оказалось, что в
программе Ады Лавлейс содержится одна алгоритмическая ошибка и
одна опечатка. После их исправления программа заработала правильно.
«Несколько страниц, написанных в ночь перед дуэлью Эваристом
Галуа, – пишет Г.Н. Поваров, – открыли миру гениального математика.
Единственная песнь – «Марсельеза», сочиненная капитаном Руже де
Лилем, сделала его имя бессмертным. Составленные 28-летней графи-
ней Августой Адой Лавлейс примечания к статье итальянского инжене-
ра Л.Ф. Менабреа дают основания считать ее первой программисткой,
чье имя навсегда останется в истории вычислительной математики и
вычислительной техники».
§ 1.7. Табуляторы: от Холлерита до машиносчетных
станций
Электромеханическая эпоха в исто-
рии вычислительной техники начи-
нается с создания в 1887 году табу-
лятора американским инженером Германом
Холлеритом (Hollerith, Hermann; 1860–1929). Хол-
лерит в 1879–1882 годах работал в Бюро цензов
(статистическом ведомстве) США, которое каждые
десять лет проводило переписи населения, и ему
было хорошо известно, сколь трудоемкой является
ручная обработка их результатов. Например, итоги
переписи 1880 года, когда население страны состав-
ляло около 50 млн человек, были получены только
через 7,5 лет.
Табулятор
Холлерита
Герман Холлерит
(1860–1929)
46 ДОЭЛЕКТРОННАЯ ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ ЛАВА 1
В своей «машине для переписи населения» Холлерит предложил
использовать перфокарты, подобные жаккардовым. Каждая перфокарта
имела 6 рядов круглых отверстий по 32 колонки в каждой, впоследст-
вии отверстия стали квадратными, число рядов увеличилось до 12, а
число колонок до 80.
На каждый объект переписи заводилась отдельная перфокарта, в ко-
торой с помощью специального пробойника – перфоратора – в соответ-
ствующих позициях делались отверстия, отвечающие определенным
значениям признаков (пол, возраст и т.д.). Холлерит впоследствии
вспоминал, что на эту мысль его навел железнодорожный кондуктор,
который компостером пробивал дырки в билетах пассажиров, причем у
каждого пассажира был свой билет.
Для автоматического под-
счета статистики Холлерит
предложил особое устройство,
названное им табулятором.
Перфокарты в табуляторе ощу-
пывались стержнями на пру-
жинках, при наличии отверстия
стержень проходил через него и
опускался в чашечку со ртутью,
замыкалась электрическая цепь
и срабатывал соответствующий электрический счетчик импульсов.
Число счетчиков в табуляторе менялось от 32 до 120, поэтому за один
пропуск колоды карт получалась статистика по большому числу при-
знаков.
Табуляторы Холлерита произ-
вели настоящую революцию в ста-
тистике. Результаты следующей
переписи 1890 года, проведенной с
их помощью, были получены всего
через два года, после этого нача-
лось победное шествие перфокарт
и табуляторов по планете. Уже в
1890 году они используются для
переписи населения в Австро-
Венгрии, в 1891 году – в Канаде, в
1897 году – в России. Холлерит
постоянно совершенствовал свое
Табулятор Холлерита (1887 г.)
Перфокарта Холлерита
(современный 80-колонный вариант)
§ 1.7] ТАБУЛЯТОРЫ: ОТ ХОЛЛЕРИТА ДО МАШИНОСЧЕТНЫХ СТАНЦИЙ 47
изобретение: механизировал подачу перфокарт в табуляторе, усовер-
шенствовал перфоратор, придумал автоматическую сортировку и т.д.
Для производства табуляторов и сопутствующего перфокарточного
оборудования в 1896 году Холлерит организовал фирму Tabulating
Mashines Company, которая после ряда реорганизаций получила в
1924 году название International Business Mashines, сокращенно IBM.
Постоянно развиваясь, IBM стала самой могущественной корпорацией
в компьютерном мире, прозванной за любимый фирменный цвет «голу-
бым гигантом – Big Blue»). На протяжении почти всего XX века фирма
IBM определяла лицо вычислительной техники, мы в своем историче-
ском обзоре еще не раз с нею столкнемся.
Строго говоря, табулятор образца 1887 года не
был вычислительной машиной, так как он ни-
чего не вычислял, а просто считал пробивки на
перфокартах. В 1908 году Холлерит
ввел в конструкцию электромехани-
ческий сумматор, использующий
ступенчатый валик Лейбница, в
1911 году табулятор дополняется
печатающим устройством, затем
создаются модели, способные вычи-
тать и умножать. Табуляторы стано-
вятся очень сложными технически-
ми устройствами, насчитывающими
до 100
000 деталей, а общая длина
соединительных проводов в них достигала 5 км.
В усовершенствованном виде
табуляторы могли использоваться
не только для статистических
приложений, но и для выполнения
простых вычислений в экономике.
В 20-х годах XX века сформиро-
валась целая отрасль промышлен-
ности, занимавшаяся производст-
вом и применением счетно-перфо-
рационной (иначе называемой
Пробивка отверстий в перфокарте
в Бюро цензов США
Возникновение
промышленности
обработки
данных
Табулятор фирмы IBM (1920-е гг.)
48 ДОЭЛЕКТРОННАЯ ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ ЛАВА 1
счетно-аналитической) техники. Общее число счетно-аналитических
комплексов, куда кроме табуляторов входили перфораторы, контроль-
ники, сортировки и т.п., к 1930-м годам достигло 6–8 тыс. шт. Перфо-
карты расходовались сотнями миллионов, на их изготовление уходили
целые леса.
Эпоха счетно-перфорационных машин продолжалась до 1960-х го-
дов, даже ЭВМ не сразу вытеснили табуляторы. Дело в том, что в при-
менении вычислительных машин достаточно четко выделились два на-
правления. Первое – научно-технические расчеты, для которых харак-
терны небольшие объемы вводимых-выводимых данных и сложные
алгоритмы вычисления. Аналитическая машина Бэббиджа была изна-
чально ориентирована именно на это направление, поэтому перфокарты
Коммутационная доска табулятора с набранной программой
Линейка счетно-аналитических машин
в Музее компьютерной истории
§ 1.7] ТАБУЛЯТОРЫ: ОТ ХОЛЛЕРИТА ДО МАШИНОСЧЕТНЫХ СТАНЦИЙ 49
в ней использовались в основном для хранения программы, которая
могла быть при этом сколь угодно длинной и сложной.
Другое направление – экономические расчеты. Алгоритмы вычис-
лений в них, как правило, предельно просты, зато исходных данных
очень много, причем эти данные однородны по структуре. Для таких
расчетов табулятор оказался идеальным устройством. Программа вы-
числений в нем заранее набиралась штекерами на коммутационной дос-
ке, а перфокарты, которые табулятор «пожирал» со скоростью до
10
000 шт. в час, содержали однородные исходные данные, например,
зарплату одного сотрудника за один рабочий день.
На базе счетно-перфорационных машин в 1930-е годы были органи-
зованы «фабрики вычислений» – машиносчетные станции, которые об-
служивали сразу множество учреждений, банков, начисляя зарплату,
пенсии, коммунальные платежи, механизируя работу централизован-
ных бухгалтерий.
Крупная машиносчетная станция выглядела как промышленное
предприятие. В перфорационном цехе десятки девушек с невероятной
скоростью стучали по клавишам, перфокарты тысячами укладывали на
тележки и везли в табуляторный цех. Там стоял лязг и грохот, гудели
моторы сортировок, стучали рычаги табуляторов, из печатающих уст-
ройств медленно выползали широкие бумажные ленты с ровными ря-
дами цифр. Ленты потом разрезали на маленькие лоскутки и раздавали
работникам обслуживаемых учреждений как расчетные листки к зар-
плате. Спросите своих бабушек и дедушек, они эти листки хорошо
помнят.
Перфорационный цех машиносчетной станции
50 ДОЭЛЕКТРОННАЯ ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ ЛАВА 1
Табуляторы оказали очень большое влияние на последующее разви-
тие вычислительной техники. Первые поколения электронных компью-
теров унаследовали конструкцию их устройств ввода-вывода, перфо-
карта Холлерита долгое время, до появления дисплеев, оставалась ос-
новным носителем информации и символом информатики в целом. До
сих пор ширина строки на алфавитно-цифровом дисплее равна 80 сим-
волам, как раз по размеру перфокарты. Формат многих языков про-
граммирования, например Фортрана или Кобола, так и остался ориен-
тированным на перфокарты, а колода перфокарт – это непосредствен-
ный предок современной реляционной базы данных.
В электромеханическую эпоху сформировался мировой рынок вы-
числительной техники, на котором кроме «голубого гиганта» IBM заня-
ли свое место Remington Rand (США), Bull (Франция) и др., в СССР
был построен первый завод счетно-аналитических машин (САМ) в Мо-
скве. Сформировавшаяся промышленная структура стала тем фунда-
ментом, на котором через несколько десятилетий возникнет индустрия
электронных компьютеров.
§ 1.8. Сложные электромеханические и релейные
машины – предвестники ЭВМ
Как отмечалось выше, табуляторная техника в предвоенные годы
как-то прикрыла нишу экономических расчетов, однако для сложных
научно-технических вычислений они были малопригодны, явно уступая
по вычислительным возможностям проекту аналитической машины
Бэббиджа. Известно несколько попыток в полной
мере реализовать принцип программного управле-
ния на электромеханической элементной базе, все
они относятся к концу 30-х – началу 40-х годов
XX века. К ним относятся проекты Цузе, Эйкена и
Стибица.
Исторически первые и наиболее
передовые технические реше-
ния были предложены талантливым немецким ин-
женером Конрадом Цузе (Zuse, Kohnrad; 1910–1995)
в 1938–1945 годах. Цузе начал работу над проекта-
ми вычислительных машин в 1934 году в возрасте
Конрад Цузе
(1910–1995)
Проекты Цузе