|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
HISTORIA TECHNOLOGII, TECHNOLOGII, OBIEKTÓW WOKÓŁ NAS
Kalkulator. Historia wynalazku i produkcji
Katalog / Historia technologii, technologii, przedmiotów wokół nas Mechanizacja i mechanizacja operacji obliczeniowych jest jednym z podstawowych osiągnięć technicznych drugiej połowy XX wieku. Tak jak pojawienie się pierwszych przędzarek było początkiem wielkiej rewolucji przemysłowej XVIII-XIX wieku, tak powstanie komputera elektronicznego stało się zwiastunem wielkiej rewolucji naukowej, technicznej i informacyjnej drugiej połowy XX wieku . To ważne wydarzenie poprzedziła długa prehistoria. Pierwsze próby złożenia maszyny liczącej podjęto już w XVII wieku, a najprostsze urządzenia liczące, takie jak liczydło i rachunek, pojawiły się jeszcze wcześniej - w starożytności i średniowieczu.
Chociaż automatyczne urządzenie liczące należy do rodzaju maszyn, nie można go zrównać z maszynami przemysłowymi, powiedzmy, z tokarką lub maszyną tkacką, ponieważ w przeciwieństwie do nich nie działa z materiałem fizycznym (niciami lub drewnianymi wykrojami), ale z idealnymi, które nie istnieją w przyrodzie w liczbach. Dlatego twórca dowolnej maszyny liczącej (czy to najprostszej maszyny sumującej, czy najnowszego superkomputera) napotyka na specyficzne problemy, które nie pojawiają się dla wynalazców w innych dziedzinach techniki. Można je sformułować w następujący sposób: 1. Jak fizycznie (obiektywnie) reprezentować liczby w maszynie? 2. Jak wprowadzić początkowe dane liczbowe? 3. Jak symulować wykonanie operacji arytmetycznych? 4. Jak przedstawić kalkulatorowi dane wejściowe i wyniki obliczeń? Jednym z pierwszych, który przezwyciężył te problemy, był słynny francuski naukowiec i myśliciel Blaise Pascal. Miał 18 lat, kiedy zaczął pracować nad stworzeniem specjalnej maszyny, za pomocą której osoba nieznająca nawet zasad arytmetyki mogła wykonywać cztery podstawowe czynności. Siostra Pascala, będąca świadkiem jego pracy, pisała później: „Ta praca męczyła mojego brata, ale nie z powodu napięcia umysłowego i nie z powodu mechanizmów, których wynalezienie nie przysporzyło mu wiele wysiłku, ale dlatego, że robotnicy trudno go zrozumieć”. I nie jest to zaskakujące. Precyzyjna mechanika dopiero się rodziła, a jakość, której wymagał Pascal, przekroczyła możliwości jego mistrzów. Dlatego sam wynalazca często musiał zajmować się pilnikiem i młotkiem lub łamigłówką, jak zmienić ciekawą, ale skomplikowaną konstrukcję zgodnie z kwalifikacjami mistrza.
Pierwszy działający model maszyny został ukończony w 1642 roku. Nie zadowoliła Pascala i od razu zaczął projektować nowy. „Nie oszczędzałem” – pisał później o swoim samochodzie – „ani czasu, pracy, ani pieniędzy, aby doprowadzić go do stanu użyteczności… Miałem cierpliwość, aby wykonać do 50 różnych modeli… W końcu w 1645 r. starania zostały ukoronowane pełnym sukcesem – Pascal zmontował samochód, który zadowolił go pod każdym względem. Czym był ten pierwszy komputer w historii i jak rozwiązano powyższe zadania? Mechanizm maszyny został zamknięty w lekkim mosiężnym pudełku. Na jego górnej pokrywie znajdowało się 8 okrągłych otworów, wokół których nałożono okrągłą skalę. Skala otworu znajdującego się najbardziej na prawo została podzielona na 12 równych części, skala otworu znajdującego się obok została podzielona na 20 części, pozostałe sześć otworów miało podział dziesiętny. Taka podziałka odpowiadała podziałowi liwrów, głównej francuskiej jednostki monetarnej tamtych czasów: 1 sous = 1/20 livre i 1 denier = 1/12 sous. W otworach widoczne były koła nastawcze, znajdujące się poniżej płaszczyzny górnej pokrywy. Liczba zębów każdego koła była równa liczbie podziałek podziałki odpowiedniego otworu.
Numery wpisywano w następujący sposób. Każde koło obracało się niezależnie od drugiego na własnej osi. Obrót odbywał się za pomocą kołka napędowego, który wsuwano pomiędzy dwa sąsiednie zęby. Sworzeń obracał koło, aż trafił w nieruchomy ogranicznik zamocowany w dolnej części pokrywy i wystający w otwór na lewo od cyfry „1” tarczy. Jeśli np. szpilka została umieszczona między zębami 3 i 4, a koło zostało obrócone do końca, to obróciło się o 3/10 pełnego koła. Obrót każdego koła przenoszony był za pomocą wewnętrznego mechanizmu na cylindryczne bębny, których osie znajdowały się poziomo. Na bocznej powierzchni bębnów nałożono rzędy liczb. Dodawanie liczb, jeśli ich suma nie przekraczała 9, było bardzo proste i odpowiadało dodawaniu kątów do nich proporcjonalnych. Przy dodawaniu dużych liczb należało wykonać operację zwaną przeniesieniem dziesiątki na najwyższą cyfrę. Osoby, które liczą w kolumnie lub na liczydle, powinny to robić w myślach. Maszyna Pascala wykonała transfer automatycznie i to był jej najważniejszy wyróżnik. Elementami maszyny należącymi do tej samej kategorii były koło nastawcze N, bęben cyfrowy I oraz licznik, składający się z czterech kół koronowych B, jednego koła zębatego K i mechanizmu do przenoszenia dziesiątek.
Należy zauważyć, że koła B1, B2 i K nie mają fundamentalnego znaczenia dla działania maszyny i służyły jedynie do przeniesienia ruchu koła nastawczego N na bęben cyfrowy I. Natomiast koła B3 i B4 były integralnymi elementami układu. licznik i dlatego nazwano je „kołami liczącymi”. Koła liczące dwóch sąsiednich kategorii A1 i A2 zostały sztywno zamontowane na osiach. Mechanizm do przesyłania dziesiątek, który Pascal nazwał „procą”, miał następujące urządzenie. Na kole liczącym B1 kategorii junior w maszynie Pascala znajdowały się pręty C1, które podczas obrotu osi A1 zazębiły się z zębami widelca M znajdującego się na końcu dźwigni dwukolanowej D1. Ta dźwignia swobodnie obracała się na osi A2 kategorii seniorów, podczas gdy widelec niósł sprężynową zapadkę. Gdy podczas obrotu osi A1 koło B1 osiągnęło pozycję odpowiadającą cyfrze 6, pręty C1 zaczepiły się o zęby widelca, a w momencie przejścia z 9 do 0 widelec wysunął się z zaręczyny i pod wpływem własnego ciężaru upadł, ciągnąc psa. Ten ostatni jednocześnie popchnął koło zliczające B2 najwyższego rzędu o jeden krok do przodu (czyli obracając je wraz z osią A2 o 36 stopni). Dźwignia H, zakończona zębem w postaci siekiery, pełniła rolę haka, który uniemożliwiał obracanie się koła B1 w przeciwnym kierunku przy podnoszeniu wideł. Mechanizm przenoszący działał tylko z jednym kierunkiem obrotu kół liczących i nie pozwalał na wykonanie operacji odejmowania przez obracanie kół w przeciwnym kierunku. Dlatego Pascal zastąpił odejmowanie dodawaniem z uzupełnieniem dziesiętnym. Niech na przykład trzeba odjąć 532 od 87. Metoda dodawania prowadzi do następujących akcji: 532-87=532-(100-13)=(532+13)-100=445. Trzeba tylko pamiętać, aby odjąć 100. Na maszynie, która miała określoną liczbę cyfr, nie można było się tym martwić. Rzeczywiście, odejmijmy 532-87 na maszynie sześciobitowej. Następnie 000532+999913=1000445. Ale pierwsza jednostka przepadnie sama, ponieważ transfer z szóstej kategorii nie ma dokąd pójść. Mnożenie również sprowadza się do dodawania. Na przykład, jeśli chcesz pomnożyć 365 przez 132, musisz wykonać operację dodawania pięć razy: 365 Ale ponieważ maszyna Pascala za każdym razem wprowadzała ten termin na nowo, niezwykle trudno było użyć jej do wykonania tej operacji arytmetycznej. Kolejny etap rozwoju technologii komputerowej wiąże się z nazwiskiem słynnego niemieckiego matematyka Leibniza. W 1672 Leibniz odwiedził holenderskiego fizyka i wynalazcę Huygensa i był świadkiem, ile czasu i wysiłku zabrało mu różne obliczenia matematyczne. Wtedy Leibniz wpadł na pomysł stworzenia maszyny sumującej. „Jest niegodne tak wspaniałych ludzi”, napisał, „jak niewolnicy, marnować czas na pracę obliczeniową, którą można powierzyć każdemu, kto używa maszyn”. Jednak stworzenie takiej maszyny wymagało od Leibniza całej jego pomysłowości. Jego słynna 12-cyfrowa sumatorka pojawiła się dopiero w 1694 roku i kosztowała okrągłą sumę – 24000 XNUMX talarów. Mechanizm maszyny oparty był na schodkowym wałku wynalezionym przez Leibniza, który był cylindrem z nałożonymi na niego zębami o różnej długości. W 12-bitowej maszynie sumującej było 12 takich rolek - po jednym na każdą cyfrę numeru.
Arytmometr składał się z dwóch części - stałej i ruchomej. Główny 12-bitowy licznik i schodkowa rolka urządzenia wejściowego zostały umieszczone w stałym. Część instalacyjna tego urządzenia, która składała się z ośmiu małych cyfrowych okręgów, znajdowała się w ruchomej części maszyny. W środku każdego okręgu znajdowała się oś, na której pod pokrywą maszyny zamontowano koło zębate E, a na pokrywie zamontowano strzałkę, która obracała się wraz z osią. Koniec strzałki mógł być ustawiony na dowolnej liczbie okręgu.
Wprowadzanie danych do maszyny odbywało się za pomocą specjalnego mechanizmu. Wałek schodkowy S został zamontowany na osi czworokątnej z gwintem zębatkowym. Szyna ta sprzęgała się z dziesięciozębnym kołem E, na obwodzie którego nałożono liczby 0, 1...9. Obracając to koło tak, aby jedna lub druga postać pojawiła się w szczelinie pokrywy, rolka schodkowa jest przesuwana równolegle do osi koła zębatego F licznika głównego. Jeśli po tym walec został obrócony o 360 stopni, to jeden, dwa itd. były sprzęgnięte z kołem F. najdłuższe kroki, w zależności od wielkości przesunięcia. W związku z tym koło F obróciło się o 0, 1...9 części pełnego obrotu; obracano również tarczę lub rolkę R. Przy kolejnym obrocie rolki ta sama liczba została ponownie przeniesiona do licznika. Maszyny liczące Pascala i Leibniza, a także kilka innych, które pojawiły się w XVIII wieku, nie były powszechnie używane. Były skomplikowane, drogie, a publiczne zapotrzebowanie na takie maszyny wciąż nie było zbyt duże. Jednak wraz z rozwojem produkcji i społeczeństwa taka potrzeba zaczęła być coraz bardziej odczuwalna, zwłaszcza przy tworzeniu różnych tablic matematycznych. Tablice arytmetyczne, trygonometryczne i logarytmiczne rozpowszechniły się w Europie na przełomie XVIII i XIX wieku; banki i biura kredytowe korzystały z tabel odsetkowych, a firmy ubezpieczeniowe z tabel śmiertelności. Ale absolutnie wyjątkowe znaczenie miały tablice astronomiczne i nawigacyjne (zwłaszcza dla Anglii - „wielkiej potęgi morskiej”). Przewidywania astronomów dotyczące położenia ciał niebieskich były wówczas jedynym sposobem, dzięki któremu marynarze mogli zlokalizować swoje statki na pełnym morzu. Tabele te znalazły się w publikowanym corocznie „Kalendarzu morskim”. Każda edycja wymagała ogromnej pracy dziesiątek i setek liczników. Nie trzeba dodawać, jak ważne było uniknięcie błędów w kompilacji tych tabel. Ale wciąż były błędy. Setki, a nawet tysiące błędnych danych zawierały również najczęściej spotykane tabele - logarytmiczne. Wydawcy tych tabel zostali zmuszeni do utrzymywania specjalnej sztabu korektorów, którzy sprawdzali otrzymane obliczenia. Ale to nie uchroniło przed błędami. Sytuacja była na tyle poważna, że rząd brytyjski – pierwszy na świecie – zadbał o stworzenie specjalnego komputera do zestawiania takich tablic. Opracowanie maszyny (zwanej maszyną różnicową) powierzono słynnemu angielskiemu matematykowi i wynalazcy Charlesowi Babbage. W 1822 roku powstał działający model. Ponieważ znaczenie wynalazku Babbage'a, jak również znaczenie opracowanej przez niego metody obliczeń maszynowych, jest bardzo duże, powinniśmy bardziej szczegółowo zastanowić się nad strukturą silnika różnicowego. Rozważmy najpierw na prostym przykładzie zaproponowaną przez Babbage metodę kompilacji tabel. Powiedzmy, że chcesz obliczyć tablicę czwartych potęg elementów szeregu naturalnego 1, 2, 3...
Załóżmy, że taka tabela została już obliczona dla niektórych członków serii w kolumnie 1 - a wynikowe wartości wprowadzono w kolumnie 2. Od każdej kolejnej wartości odejmij poprzednią wartość. Otrzymasz kolejną wartość pierwszych różnic (kolumna 3). Po wykonaniu tej samej operacji z pierwszymi różnicami otrzymujemy drugie różnice (kolumna 4), trzecie (kolumna 5) i wreszcie czwartą (kolumna 6). W tym przypadku czwarta różnica okazuje się być stała: kolumna 6 składa się z tej samej liczby 24. I nie jest to przypadek, ale konsekwencja ważnego twierdzenia: jeśli funkcja (w tym przypadku jest to funkcja y (x)=x4, gdzie x należy do zbioru liczb naturalnych) jest wielomianem n-tego stopnia, to w tabeli ze stałym krokiem jego n-te różnice będą stałe. Teraz łatwo zgadnąć, że można uzyskać wymaganą tabelę na podstawie pierwszego wiersza za pomocą dodawania. Na przykład, aby kontynuować rozpoczętą tabelę o jeszcze jedną linię, musisz wykonać uzupełnienia: 156 + = 24 180 590 + = 180 770 1695 + = 770 2465 4096 + = 2465 6561 Silnik różnicowy Babbage'a używał tych samych dziesiętnych kół liczących co Pascala. Do wyświetlenia numeru posłużono się rejestrami składającymi się z zestawu takich kół. Każda kolumna tabeli, z wyjątkiem 1, zawierającej pewną liczbę liczb naturalnych, miała swój własny rejestr; w sumie w maszynie było ich siedem, ponieważ miała ona obliczać funkcje o stałych szóstych różnicach. Każdy rejestr składał się z 18 kół cyfrowych według liczby cyfr wyświetlanej liczby oraz kilku dodatkowych, służących jako licznik obrotów do innych celów pomocniczych. Jeśli we wszystkich rejestrach maszyny zapisane były wartości odpowiadające ostatniemu wierszowi naszej tabeli, to aby uzyskać kolejną wartość funkcji w kolumnie 2, konieczne było sekwencyjne wykonanie liczby dodań równej liczbie dodawania dostępne różnice. Dodanie w silniku różnicowym odbyło się w dwóch etapach. Rejestry zawierające wyrazy zostały przesunięte tak, że zęby kół liczących zazębiły się. Następnie koła jednego z rejestrów obracały się w przeciwnym kierunku, aż każdy z nich osiągnął zero. Ten etap nazwano fazą dodawania. Pod koniec tego etapu w każdej cyfrze drugiego rejestru uzyskano sumę cyfr tej cyfry, ale dotychczas bez uwzględnienia ewentualnych przesunięć z cyfry na cyfrę. Przeniesienie nastąpiło w kolejnym etapie, który nazwano fazą przeniesienia i tak się odbył. Podczas przejścia każdego koła w fazie dodawania z 9 na 0, w tym wyładowaniu został zwolniony specjalny zatrzask. W fazie przenoszenia wszystkie zatrzaski były cofane na swoje miejsce specjalnymi dźwigniami, które jednocześnie obracały o jeden krok koło kolejnej najwyższej rangi. Każdy taki obrót mógłby z kolei spowodować przejście od 9 do 0 w jednej z cyfr i tym samym zwolnienie zatrzasku, który ponownie wrócił na swoje miejsce, dokonując przejścia na kolejną cyfrę. Tak więc powrót zatrzasków na miejsce następował sekwencyjnie, zaczynając od najmniej znaczącego bitu rejestru. Taki system nazywamy dodawaniem z sukcesywnym transferem. Wszystkie inne operacje arytmetyczne wykonywano przez dodawanie. Podczas odejmowania koła liczące obracały się w przeciwnym kierunku (w przeciwieństwie do maszyny Pascala, maszyna różnicowa Babbage'a pozwalała na to). Mnożenie zostało zredukowane do sekwencyjnego dodawania, a dzielenie zostało zredukowane do sekwencyjnego odejmowania. Opisaną metodę można wykorzystać nie tylko do obliczania wielomianów, ale także innych funkcji, na przykład logarytmicznych lub trygonometrycznych, chociaż w przeciwieństwie do wielomianów nie mają one ściśle stałych różnic wiodących. Jednak wszystkie te funkcje można przedstawić (rozwinąć) jako szereg nieskończony, czyli prosty wielomian, a obliczenie ich wartości w dowolnym momencie można sprowadzić do problemu, który już rozważaliśmy. Na przykład sin x i cos x można przedstawić jako nieskończone wielomiany:
Rozszerzenia te są prawdziwe dla wszystkich wartości funkcji od 0 do p/4 (p/4=3, 14/4=0) z bardzo dużą dokładnością. Dla wartości x większych niż p/785 rozwinięcie ma inną postać, ale na każdym z tych odcinków funkcja trygonometryczna może być reprezentowana jako pewien rodzaj wielomianu. Liczba par terminów w serii, które są brane pod uwagę w obliczeniach, zależy od dokładności, jaką chcesz uzyskać. Jeśli na przykład wymagania dotyczące dokładności są małe, możesz ograniczyć się do pierwszych dwóch lub czterech wyrazów serii, a resztę odrzucić. Ale możesz wziąć więcej terminów i obliczyć wartość funkcji w dowolnym momencie z dowolną dokładnością. (Zauważ, że 4!=2•1=2; 2!=3•1•2=3; 6!=4•1•2•3=4, itd.) Zatem obliczenie wartości dowolnej funkcji została zredukowana przez Babbage do jednej prostej operacji arytmetycznej - dodawania. Co więcej, przy przechodzeniu z jednej sekcji funkcji do drugiej, gdy trzeba było zmienić wartość różnicy, sam silnik różnic wywoływał (wywoływał po wykonaniu określonej liczby kroków obliczeniowych). Samo stworzenie mechanizmu różnicowego dałoby Babbage'owi honorowe miejsce w historii informatyki. Jednak nie poprzestał na tym i zaczął opracowywać znacznie bardziej złożony projekt - silnik analityczny, który stał się bezpośrednim poprzednikiem wszystkich nowoczesnych komputerów. Jaka była jej specjalność? Faktem jest, że maszyna różnicowa, w istocie, nadal pozostawała tylko złożoną maszyną sumującą i wymagała do swojej pracy stałej obecności osoby, która trzymała w głowie cały schemat (program) obliczeń i kierowała działaniami maszyny ta czy inna ścieżka. Oczywiste jest, że ta okoliczność była pewnym hamulcem w wykonaniu obliczeń. Około 1834 r. Babbage wpadł na pomysł: „Czy nie jest możliwe stworzenie maszyny, która byłaby uniwersalnym kalkulatorem, czyli wykonywałaby wszystkie czynności bez ingerencji człowieka i w zależności od decyzji uzyskanej na pewnym etapie wybrać dalszą ścieżkę obliczeń?” W istocie oznaczało to stworzenie maszyny sterowanej programem. Ten program, który wcześniej był w głowie operatora, teraz musiał zostać rozłożony na zestaw prostych i czytelnych poleceń, które byłyby wcześniej wprowadzane do maszyny i sterowały jej działaniem. Nikt nigdy nie próbował stworzyć takiego komputera, chociaż sam pomysł urządzeń sterowanych programowo był już wtedy realizowany. W 1804 roku francuski wynalazca Joseph Jacquard wynalazł krosno sterowane komputerowo. Zasada jego działania była następująca. Tkanina, jak wiadomo, to przeplatanie się wzajemnie prostopadłych nitek. To tkanie odbywa się na krośnie, w którym nici osnowy (wzdłużne) są przeciągane przez oczka - otwory w pętlach drutu, a nici poprzeczne są przeciągane przez tę osnowę w określonej kolejności za pomocą wahadłowca. Przy najprostszym splocie pętle wznoszą się przez jeden, a przewleczone przez nie nici osnowy odpowiednio się podnoszą. Pomiędzy podniesionymi i pozostającymi na miejscu nitkami powstaje szczelina, w którą wahadłowiec ciągnie za sobą nić wątku (poprzeczną). Następnie podniesione pętle są opuszczane, a reszta jest podnoszona. W przypadku bardziej złożonego wzoru splotu nici musiały być podnoszone w różnych innych kombinacjach. Tkaczka ręcznie opuszczała i podnosiła nitki osnowy, co zwykle zajmowało dużo czasu. Po 30 latach wytrwałej pracy Jacquard wynalazł mechanizm, który pozwalał zautomatyzować ruch pętli zgodnie z danym prawem za pomocą zestawu kartonowych kart z wybitymi w nich otworami - kart perforowanych. W maszynie Jacquarda oczy były połączone długimi igłami spoczywającymi na perforowanej karcie. Napotykając dziury, igły poruszały się w górę, w wyniku czego skojarzone z nimi oczy uniosły się. Jeśli igły spoczywały na kartach w miejscu, w którym nie było dziur, pozostawały na miejscu, trzymając w ten sam sposób połączone z nimi oczka. Tak więc odstęp dla czółenka, a tym samym wzór splotu nitek, został określony przez zestaw otworów na odpowiednich kartach kontrolnych. Babbage zamierzał wykorzystać tę samą zasadę kontroli kart perforowanych w swoim silniku analitycznym. Pracował nad jego urządzeniem prawie czterdzieści lat: od 1834 do końca życia w 1871, ale nie mógł go dokończyć. Jednak po nim było ponad 200 rysunków maszyny i jej poszczególnych elementów, opatrzonych wieloma szczegółowymi notatkami wyjaśniającymi ich pracę. Wszystkie te materiały cieszą się dużym zainteresowaniem i są jednymi z najbardziej niesamowitych przykładów naukowego foresightu w historii techniki. Według Babbage, silnik analityczny powinien zawierać cztery główne bloki.
Pierwsze urządzenie, które Babbage nazwał „młynem”, zostało zaprojektowane do wykonywania czterech podstawowych operacji arytmetycznych. Drugie urządzenie – „magazyn” – przeznaczone było do przechowywania numerów (wyników wstępnych, pośrednich i końcowych). Początkowe liczby zostały przesłane do jednostki arytmetycznej, z której uzyskano wyniki pośrednie i końcowe. Głównym elementem tych dwóch bloków były rejestry dziesiętnych kół liczących. Każdą z nich można było ustawić w jednej z dziesięciu pozycji i tym samym „zapamiętać” jedno miejsce po przecinku. Pamięć maszyny musiała zawierać 1000 rejestrów po 50 kół numerycznych każdy, czyli mogła pomieścić 1000 liczb pięćdziesięciocyfrowych. Szybkość wykonywanych obliczeń zależała bezpośrednio od prędkości obrotowej kół cyfrowych. Babbage założył, że dodanie dwóch 50-bitowych liczb zajmie 1 sekundę. Aby przenieść liczby z pamięci do urządzenia arytmetycznego i na odwrót, należało użyć zębatek zębatych, które miały zazębiać się z zębami na kołach. Każda szyna poruszała się, aż koło znalazło się w pozycji zerowej. Ruch był przenoszony przez pręty i połączenia do urządzenia arytmetycznego, gdzie za pomocą innej szyny przesuwał jedno z kół rejestrujących do pożądanej pozycji. Podstawowym działaniem silnika analitycznego, podobnie jak różnicowego, było dodawanie, a reszta została do niego sprowadzona. Aby obrócić wiele biegów, potrzebna była znaczna siła zewnętrzna, którą Babbage miał nadzieję uzyskać dzięki zastosowaniu silnika parowego. Trzecim urządzeniem, które sterowało kolejnością operacji, transmisją numerów, na których były wykonywane operacje i wyprowadzaniem wyników, były konstrukcyjnie dwa żakardowe mechanizmy kart perforowanych. Karty perforowane Babbage różniły się od kart perforowanych Jacquard, które sterowały tylko jedną operacją - podnoszeniem nici w celu uzyskania pożądanego wzoru w procesie produkcji tkaniny. Zarządzanie Silnikiem Analitycznym obejmowało różne rodzaje operacji, z których każda wymagała specjalnego rodzaju kart perforowanych. Babbage zidentyfikował trzy główne typy kart dziurkowanych: operacyjne (lub operacyjne), zmienne (lub zmienne) i numeryczne. Operacyjne karty dziurkowane sterowały maszyną. Zgodnie z wybitymi na nich poleceniami miało miejsce dodawanie, odejmowanie, mnożenie i dzielenie liczb, które były w urządzeniu arytmetycznym. Jednym z najbardziej dalekowzrocznych pomysłów Babbage'a było wprowadzenie warunkowego dowództwa oddziału do zestawu poleceń wydawanych przez sekwencję operacyjnych kart dziurkowanych. Sama kontrola programu (bez użycia skoku warunkowego) nie wystarczyłaby do efektywnej realizacji złożonej pracy obliczeniowej. Liniowa sekwencja operacji jest ściśle określona we wszystkich punktach. Ta droga jest znana w każdym szczególe do samego końca. Pojęcie „skoku warunkowego” oznacza przejście komputera do innej sekcji programu, jeśli wcześniej spełniony jest określony warunek. Mając możliwość zastosowania instrukcji gałęzi warunkowej, kompilator programu komputerowego nie musiał wiedzieć, na jakim etapie obliczeń zmieni się atrybut mający wpływ na wybór przebiegu obliczeniowego. Zastosowanie przejścia warunkowego umożliwiło analizę aktualnej sytuacji na każdym rozwidleniu dróg i na tej podstawie wybór jednej lub drugiej ścieżki. Polecenia warunkowe mogą mieć bardzo różną postać: porównywanie liczb, wybieranie wymaganych wartości liczbowych, określanie znaku liczby itp. Maszyna wykonała operacje arytmetyczne, porównała ze sobą otrzymane liczby i zgodnie z tym wykonała dalsze operacje. W ten sposób maszyna może przejść do innej części programu, pominąć niektóre polecenia lub powrócić do wykonywania jakiejś części programu ponownie, czyli zorganizować cykl. Wprowadzenie instrukcji gałęzi warunkowej zapoczątkowało użycie w maszynie operacji logicznych, a nie tylko obliczeniowych.
Za pomocą drugiego rodzaju kart dziurkowanych - zmiennych (lub, w terminologii Babbage'a, "kart zmiennych"), liczby były przenoszone między pamięcią a urządzeniem arytmetycznym. Karty te nie wskazywały samych liczb, a jedynie numery rejestrów pamięci, czyli komórek do przechowywania jednej liczby. Babbage nazywa rejestry pamięci „zmiennymi”, wskazując, że zawartość rejestru zmienia się w zależności od liczby w nim zapisanej. Silnik analityczny Babbage'a wykorzystywał trzy rodzaje map zmiennych: do przenoszenia liczby do jednostki arytmetycznej i dalszego przechowywania jej w pamięci, do podobnej operacji, ale bez przechowywania jej w pamięci oraz do wprowadzania liczby do pamięci. Nazywają się one: 1) „mapą zer” (numer wywoływany jest z rejestru pamięci, po czym w rejestrze ustawiana jest wartość zero); 2) „karta zbawienia” (numer wywoływany z pamięci bez zmiany zawartości rejestru); 3) „karta odbiorcza” (liczba jest przenoszona z jednostki arytmetycznej do pamięci i zapisywana w jednym z rejestrów). Kiedy maszyna była uruchomiona, na operacyjną kartę dziurkowaną przypadały średnio trzy różne karty. Wskazywali numery komórek pamięci (adresów, we współczesnej terminologii), w których były przechowywane dwie oryginalne liczby, oraz numer komórki, w której zapisano wynik.
Numeryczne karty perforowane stanowiły główny typ kart perforowanych maszyny analitycznej. Za ich pomocą wprowadzono liczby początkowe do rozwiązania określonego problemu oraz nowe dane, które mogą być potrzebne w trakcie obliczeń. Po wykonaniu zaproponowanych obliczeń maszyna wybijała odpowiedź na osobną kartę dziurkowaną. Operator dodawał te dziurkowane karty w kolejności ich numerów, a później wykorzystywał je w swojej pracy (były niejako jej pamięcią zewnętrzną). Na przykład, gdy w trakcie obliczeń maszyna potrzebowała wartości logarytmu 2303, pokazywała ją w specjalnym oknie i dzwoniła. Operator znalazł wymaganą kartę dziurkowaną z wartością tego logarytmu i wprowadził ją do maszyny. „Wszystkie karty”, pisał Babbage, „raz użyte i wykonane do jednego zadania, mogą być używane do rozwiązywania tych samych problemów z innymi danymi, więc nie ma potrzeby przygotowywania ich po raz drugi - można je starannie przechowywać do wykorzystania w przyszłości; z czasem maszyna będzie miała własną bibliotekę. Czwarty blok przeznaczony był do odbierania numerów początkowych i wydawania wyników końcowych i składał się z kilku urządzeń zapewniających operacje we/wy. Początkowe numery były wprowadzane do maszyny przez operatora i wprowadzane do jej urządzenia magazynującego, z którego pobierano i wyprowadzano wyniki końcowe. Urządzenie może wydrukować odpowiedź na karcie dziurkowanej lub wydrukować na papierze. Podsumowując, należy zauważyć, że jeśli rozwój sprzętu silnika analitycznego wiąże się wyłącznie z nazwiskiem Babbage, to programowanie rozwiązywania problemów na tej maszynie odbywa się pod imieniem jego dobrej przyjaciółki – Lady Ady Lovelace, córka wielkiego angielskiego poety Byrona, pasjonującego się matematyką i doskonale rozumianego w skomplikowanych problemach naukowych i technicznych. W 1842 roku we Włoszech opublikowano artykuł młodego matematyka Menabrei opisujący silnik analityczny Babbage'a. W 1843 roku Lady Lovelace przetłumaczyła ten artykuł na angielski z obszernym i głębokim komentarzem. Aby zilustrować działanie maszyny, Lady Lovelace dołączyła do artykułu program, który skompilowała do obliczania liczb Bernoulliego. Jej komentarz jest w zasadzie pierwszą w historii pracą o programowaniu. Silnik analityczny okazał się bardzo drogim i skomplikowanym urządzeniem. Rząd brytyjski, który początkowo finansował prace Babbage'a, wkrótce odmówił mu pomocy, więc nigdy nie był w stanie dokończyć swojej pracy. Czy złożoność tej maszyny była uzasadniona? Nie we wszystkim. Wiele operacji (zwłaszcza wprowadzanie-wyjście liczb i ich przekazywanie z jednego urządzenia do drugiego) byłoby znacznie uproszczone, gdyby Babbage używał sygnałów elektrycznych. Jednak jego maszyna została pomyślana jako urządzenie czysto mechaniczne bez żadnych elementów elektrycznych, co często stawiało jej wynalazcę w bardzo trudnej sytuacji. Tymczasem przekaźnik elektromechaniczny, który później stał się głównym elementem komputerów, został już wynaleziony w tym czasie: został wynaleziony w 1831 r. jednocześnie przez Henry'ego i Salvatore dal Negro. Wykorzystanie przekaźników elektromechanicznych w technice komputerowej sięga wynalezienia Amerykanina Hermana Golleritha, który stworzył zestaw urządzeń przeznaczonych do przetwarzania dużych ilości danych (np. wyników spisów). Zapotrzebowanie na taką maszynę było bardzo duże. Na przykład wyniki spisu z 1880 r. były przetwarzane w USA przez 7 roku. Tak znaczący okres tłumaczono tym, że konieczne było uporządkowanie ogromnej liczby kart (po jednej na każdego z 5 mln mieszkańców) z bardzo dużym - 50 nagłówkami - zestawem odpowiedzi na zadawane w karcie pytania. Gollerith znał te problemy z pierwszej ręki – sam był pracownikiem US Census Bureau – agencji statystycznej, która zajmowała się przeprowadzaniem spisów ludności i przetwarzaniem ich wyników. Pracując dużo nad sortowaniem kart, Gollerith wpadł na pomysł zmechanizowania tego procesu. Najpierw zamienił karty na karty dziurkowane, czyli zamiast ołówka oznaczającego opcję odpowiedzi, wymyślił wybicie dziury. W tym celu opracował specjalną 80-kolumnową kartę dziurkowaną, na której w formie stempli nanoszony był wszystkie informacje o jednej osobie zapisane podczas spisu. (Kształt tej dziurkowanej karty nie zmienił się znacząco od tamtego czasu.) Zwykle jeden pasek dziurkowanej karty służył do odpowiedzi na jedno pytanie, co umożliwiało ustalenie dziesięciu odpowiedzi (np. na pytanie dotyczące religii). W niektórych przypadkach (np. pytanie o wiek) można było użyć dwóch kolumn, co dało sto odpowiedzi. Drugi pomysł Golleritha był konsekwencją pierwszego - stworzył pierwszy na świecie kompleks licząco-dziurkujący, w skład którego wchodził przebijak wejściowy (do wybijania dziur) oraz tabulator z urządzeniem do sortowania kart perforowanych. Perforację wykonano ręcznie na stemplu, który składał się z żeliwnego korpusu z gniazdem na kartę i samego stempla. Płytka z kilkoma rzędami otworów została umieszczona nad odbiornikiem; gdy uchwyt dziurkacza został naciśnięty na jeden z nich, karta pod płytą została przedziurawiona w wymagany sposób. Złożony cios przebił ogólne dane na grupie kart jednym dotknięciem ręki. Maszyna sortująca składała się z kilku pudełek z pokrywkami. Karty wpychano ręcznie między zestaw zawleczek a zbiorniki wypełnione rtęcią. Gdy szpilka wpadła do otworu, dotknęła rtęci i dopełniła obwód elektryczny. W tym samym czasie podniesiono wieko pewnego pudełka, a operator włożył tam kartę. Tabulator (lub maszyna dodająca) filcował dziury w kartach dziurkowanych, biorąc je jako odpowiednie liczby i licząc. Zasada działania zbliżona była do maszyny sortującej i opierała się na wykorzystaniu przekaźnika elektromechanicznego (jako je wykorzystano również kołki sprężyste i kubki z rtęcią). Gdy pręty podczas ruchu kart dziurkowanych wpadły przez otwory do kubków z rtęcią, obwód elektryczny został zamknięty, a sygnał elektryczny został przesłany do licznika, który dodał nową jednostkę do zawartej w nim liczby. Każdy licznik miał tarczę ze strzałką, która przesuwała jedną jednostkę skali po wykryciu dziury. Gdyby tabulator miał 80 liczników, mógłby jednocześnie obliczyć wyniki dla 8 pytań (z dziesięcioma możliwymi odpowiedziami na każde z nich). Aby obliczyć wyniki dla następnych 8 pytań, ta sama karta dziurkowana została ponownie przepuszczona przez tabulator przez jej drugą sekcję. W jednym przebiegu sortowano do 1000 kart na godzinę. Pierwszy patent (na pomysł) Gollerith otrzymał w 1884 roku. W 1887 roku jego maszyna została przetestowana w Baltimore podczas sporządzania tablic zgonów populacji. W 1889 roku odbył się decydujący test systemu - próbny spis został przeprowadzony w czterech dzielnicach miasta San Louis. Maszyna Golleritha znacznie wyprzedziła dwa konkurencyjne systemy ręczne (działała 10 razy szybciej). Następnie rząd USA zawarł z Gollerithem umowę na dostawę sprzętu do spisu ludności z 1890 roku. Wyniki tego spisu, dzięki tabulatorowi, zostały przetworzone w ciągu zaledwie dwóch lat. Dzięki temu maszyna bardzo szybko zyskała międzynarodowe uznanie i była wykorzystywana w wielu krajach przy przetwarzaniu danych spisowych. W 1902 r. Gollerith stworzył automatyczny tabulator, w którym karty były podawane nie ręcznie, ale automatycznie, oraz zmodernizował swoją maszynę sortującą. W 1908 stworzył całkowicie nowy model maszyny sumującej. Zamiast kubków z rtęcią zastosowano tu szczotki kontaktowe, za pomocą których zamknięto obwody elektryczne elektromagnesów. Ten ostatni zapewniał połączenie i rozłączenie stale obracającego się wału z cyfrowymi kołami licznika sumującego. Cyfrowe koła obracały się przez koła zębate z obracającego się w sposób ciągły wału, na którym znajdowały się przesuwne psie sprzęgła sterowane przez elektromagnesy. Gdy pod szczotką stykową znaleziono dziurę, obwód elektryczny odpowiedniego elektromagnesu został zamknięty i włączyło się sprzęgło, które łączyło cyfrowe koło z obracającym się wałem, po czym zawartość licznika w tej kategorii wzrosła o liczba proporcjonalna do jednego obrotu koła. Przenoszenie dziesiątek odbywało się w podobny sposób, jak w silniku różnicowym Babbage'a. Prace rozpoczęte przez Golleritha trwają do dziś. W 1896 roku założył Tabulayting Machine Company, firmę specjalizującą się w produkcji maszyn perforowanych i kart perforowanych. W 1911 roku, po tym jak Gollerith opuścił działalność gospodarczą, jego firma połączyła się z trzema innymi i przekształciła się w obecnie szeroko znaną na całym świecie korporację IBM, największego dewelopera w dziedzinie technologii komputerowych. Tabulator Golleritha jako pierwszy zastosował elementy elektromechaniczne. Dalszy rozwój techniki komputerowej wiązał się z szerokim i wieloaspektowym zastosowaniem energii elektrycznej. W 1938 r. niemiecki inżynier Konrad Zuse stworzył pierwszy w historii przekaźnikowy komputer elektroniczny Z1 na przekaźnikach telefonicznych (urządzenie rejestrujące w nim pozostało mechaniczne). W 1939 roku pojawił się bardziej zaawansowany model Z2, a w 1941 roku firma Zuse zmontowała pierwszy na świecie działający komputer ze sterowaniem programowym, który wykorzystywał system binarny. Wszystkie te maszyny zginęły podczas wojny i dlatego nie miały większego wpływu na późniejszą historię informatyki. Niezależnie od Zuse, Howard Aiken był zaangażowany w budowę komputerów przekaźnikowych w USA. Jako doktorant na Uniwersytecie Harvarda, Aiken był zmuszony do wykonywania wielu skomplikowanych obliczeń podczas pracy nad swoją rozprawą. Aby skrócić czas pracy obliczeniowej, zaczął wymyślać proste maszyny do automatycznego rozwiązywania poszczególnych problemów. W końcu wpadł na pomysł automatycznego uniwersalnego komputera zdolnego do rozwiązywania szerokiej gamy problemów naukowych. W 1937 IBM zainteresował się jego projektem. Do pomocy Aikenowi przydzielono zespół inżynierów. Wkrótce rozpoczęły się prace nad budową maszyny Mark-1. Przekaźniki, liczniki, urządzenia wejścia i wyjścia kart stykowych i dziurkowanych były standardowymi częściami tabulatorów produkowanych przez IBM. W 1944 roku samochód został zmontowany i przekazany Uniwersytetowi Harvarda. "Mark-1" pozostał maszyną typu przejściowego. Szeroko wykorzystano elementy mechaniczne do reprezentowania liczb i elementy elektromechaniczne do sterowania działaniem maszyny. Podobnie jak w silniku analitycznym Babbage'a, liczby były przechowywane w rejestrach składających się z dziesięciozębowych kół liczących. Łącznie „Mark-1” miał 72 rejestry i dodatkowo dodatkową pamięć 60 rejestrów tworzonych przez mechaniczne przełączniki. Do tej dodatkowej pamięci wprowadzano ręcznie stałe - liczby, które nie zmieniały się podczas obliczeń. Każdy rejestr zawierał 24 koła, z których 23 służyło do reprezentowania samej liczby, a jedno do reprezentowania jej znaku. Rejestry posiadały mechanizm przenoszenia dziesiątek i dlatego służyły nie tylko do przechowywania numerów, ale także do wykonywania na nich operacji: numer znajdujący się w jednym rejestrze można było przenieść do drugiego i dodać (lub odjąć) od znajdującej się tam liczby. Operacje te przeprowadzono w następujący sposób. Przez koła liczące tworzące rejestr przechodził ciągle obracający się wał, z którym można było połączyć dowolne koło za pomocą przełączników elektromechanicznych na pewien czas stanowiący pewną część jego obrotu. Do każdego numeru przymocowana była szczotka (kontakt odczytujący), który, gdy koło się obracało, przebiegał wzdłuż stałego dziesięciosegmentowego kontaktu. Umożliwiło to uzyskanie elektrycznego odpowiednika cyfry zapisanej w danym bicie rejestru. Aby wykonać operację sumowania, między szczotkami pierwszego rejestru a mechanizmem przełączającym drugiego rejestru ustanowiono takie połączenia, że koła tego ostatniego były połączone z wałem na część okresu obrotu proporcjonalną do liczb w odpowiednich cyfry pierwszego rejestru. Wszystkie wyłączniki były automatycznie wyłączane pod koniec fazy dodawania, która zajmowała nie więcej niż połowę okresu rotacji. Sam mechanizm sumowania nie różnił się zasadniczo od sumatora tabulatorów Gollerytów. Mnożenie i dzielenie wykonano w osobnym urządzeniu. Ponadto maszyna miała wbudowane bloki do obliczania funkcji sin x, log x i kilku innych. Uśredniona szybkość wykonywania operacji arytmetycznych: dodawanie i odejmowanie – 0 sekundy, mnożenie – 3 sekundy, dzielenie – 5 sekundy. Oznacza to, że „Mark-7” odpowiadał około 15 operatorom pracującym na ręcznych maszynach liczących. Pracą „Marka-1” sterowały komendy wprowadzane za pomocą perforowanej taśmy. Każde polecenie zostało zakodowane poprzez wybicie otworów w 24 kolumnach biegnących wzdłuż taśmy i odczytane za pomocą szczotek kontaktowych. Wykrawanie na kartach dziurkowanych zostało zamienione na zestaw impulsów. Zbiór sygnałów elektrycznych uzyskanych w wyniku „sondowania” pozycji danego rzędu określał zachowanie maszyny na danym kroku obliczeniowym. Na podstawie tych poleceń urządzenie sterujące zapewniało automatyczne wykonanie wszystkich obliczeń w tym programie: pobierało liczby z komórek pamięci, wydawało polecenie wykonania wymaganej operacji arytmetycznej, wysyłało wyniki obliczeń do urządzenia pamięciowego itp. Aiken używał maszyn do pisania i dziurkaczy jako urządzenia wyjściowego. Po wprowadzeniu na rynek Mark 1, Aiken i jego pracownicy rozpoczęli prace nad Mark 2, które zakończyły się w 1947 roku. Maszyna ta nie miała już mechanicznych kół cyfrowych, a przekaźniki elektryczne służyły do zapamiętywania liczb, wykonywania operacji arytmetycznych i operacji kontrolnych – w sumie było ich 13 tys. Liczby w „Mark-2” były reprezentowane w postaci binarnej. System liczb binarnych został zaproponowany przez Leibniza, który uznał go za najwygodniejszy do stosowania w komputerach. (Traktat na ten temat powstał w 1703 r.) Rozwinął także arytmetykę liczb binarnych. W systemie binarnym, podobnie jak w systemie dziesiętnym, do którego jesteśmy przyzwyczajeni, znaczenie każdej cyfry zależy od jej położenia, tyle że zamiast zwykłego zestawu dziesięciu cyfr używane są tylko dwie: 0 i 1. Aby zrozumieć binarny zapis liczby, zobaczmy najpierw, jakie znaczenie ma dobrze znany zapis dziesiętny. Na przykład liczbę 2901 można przedstawić w następujący sposób:
Oznacza to, że liczby: 2, 9, 0, 1 wskazują, ile jednostek znajduje się w każdym z miejsc po przecinku liczby. Jeśli zamiast systemu dziesiętnego używany jest system binarny, każda cyfra będzie wskazywać, ile jednostek zawiera się w każdej z cyfr binarnych. Na przykład liczba 13 jest zapisywana binarnie w następujący sposób:
System binarny jest dość uciążliwy (na przykład liczba 9000 będzie miała 14 cyfr), ale jest bardzo wygodny podczas wykonywania operacji arytmetycznych. Cała tabliczka mnożenia w nim sprowadza się do jednej równości 1*1=1, a dodawanie ma tylko trzy zasady: 1) 0+0 daje 0; 2) 0+1 daje 1; 3) 1+1 daje 0 i przenosi 1 do najbardziej znaczącej cyfry. Na przykład: 01010 +
Zatwierdzenie układu binarnego w technice komputerowej wynikało z istnienia prostych analogów technicznych cyfry binarnej - przekaźników elektrycznych, które mogły znajdować się w jednym z dwóch stanów stabilnych, z których pierwszy ustawiony był na 0, drugi na 1 Bardzo wygodne jest również przesyłanie liczby binarnej za pomocą impulsów elektrycznych z jednego urządzenia maszyny do drugiego. W tym celu wystarczą tylko dwa impulsy o różnych kształtach (lub nawet jeden, jeśli brak sygnału jest uważany za zero). Należy zauważyć, że maszyny przekaźnikowe, stworzone u zarania dziejów komputerów, nie były długo używane w technologii komputerowej, ponieważ działały stosunkowo wolno. Tak jak w maszynie mechanicznej prędkość obliczeń była określona przez prędkość, z jaką obracały się koła cyfrowe, tak czas działania obwodu złożonego z przekaźnika był równy czasowi zadziałania i zwolnienia przekaźnika. Tymczasem nawet najszybsze przekaźniki nie mogły wykonać więcej niż 50 operacji na sekundę. Na przykład w Mark-2 operacje dodawania i odejmowania zajmowały średnio 0,125 sekundy, a mnożenie 0,25 sekundy. Elektroniczne analogi przekaźników elektromechanicznych - wyzwalacze lamp próżniowych - miały znacznie większą prędkość. Stały się podstawowymi elementami pierwszej generacji komputerów.
Spust został wynaleziony w 1919 roku przez rosyjskiego inżyniera Bonch-Bruevicha i niezależnie przez Amerykanów Ecclesa i Jordana. Ten element elektroniczny zawierał dwie lampy iw każdej chwili mógł znajdować się w jednym z dwóch stanów stabilnych. Był to przekaźnik elektroniczny, to znaczy w obecności sygnału impulsu sterującego włączał pożądaną linię lub obwód prądu elektrycznego. Podobnie jak przekaźnik elektromechaniczny, może być używany do reprezentowania pojedynczej cyfry binarnej.
Rozważmy zasadę działania przekaźnika elektronicznego, składającego się z dwóch lamp próżniowych-triod L1 i L2, które mogą znajdować się w jednym cylindrze. Napięcie z anody L1 przez rezystancję R1 jest dostarczane do siatki L2, a napięcie z anody L2 jest dostarczane do siatki L1 przez rezystancję R2. W zależności od pozycji, w której znajduje się wyzwalacz, podaje niski lub wysoki poziom napięcia na wyjściu. Załóżmy najpierw, że lampa L1 jest otwarta, a L2 jest zamknięta. Wtedy napięcie na anodzie otwartej lampy jest małe w porównaniu z napięciem na anodzie lampy zamkniętej. Rzeczywiście, ponieważ otwarta lampa L1 przewodzi prąd, to większość napięcia anodowego spada (zgodnie z prawem Ohma u = i • R) przy wysokiej rezystancji anodowej Ra, a tylko niewielka część napięcia spada na samej lampie (podłączona w szeregu z nim). Odwrotnie, w zamkniętej lampie prąd anodowy wynosi zero, a całe napięcie źródła napięcia anodowego spada na lampie. Dlatego znacznie mniej napięcia spada z anody otwartej lampy L1 do siatki zamkniętej lampy niż z anody zamkniętej lampy L2 do siatki L1. Ujemne napięcie Ec przyłożone do siatek obu lamp jest dobrane tak, że pierwsza lampa L2 jest zamknięta, pomimo obecności małego napięcia dodatniego przyłożonego z anody otwartej lampy L1 do siatki L2. Lampa L1 jest początkowo otwarta, ponieważ dodatnie napięcie przyłożone do siatki z anody L2 jest znacznie większe niż Ec. Tak więc, dzięki połączeniu między lampami poprzez rezystancje R1 i R2, stan początkowy jest stabilny i będzie trwał tak długo, jak chcesz. Zastanówmy się teraz, co stanie się w obwodzie, jeśli ujemne napięcie zostanie przyłożone z zewnątrz do siatki otwartej lampy L1 w postaci krótkiego impulsu prądu o takiej wielkości, że go zamknie. Wraz ze spadkiem prądu anodowego i1, napięcie na anodzie lampy L1 gwałtownie wzrośnie, a w konsekwencji dodatnie napięcie na siatce L2 wzrośnie. Spowoduje to pojawienie się prądu anodowego i2 przez lampę L2, przez co napięcie anodowe na lampie L2 zmniejszy się. Obniżenie dodatniego napięcia na siatce L1 doprowadzi do jeszcze większego spadku prądu w L1 itd. W wyniku takiego lawinowego procesu narastania prądu malejącego w L1 i zwiększającego prąd w L2, lampa L1 zamknie się, a lampa L2 będzie otwarta. W ten sposób obwód przejdzie do nowej stabilnej pozycji równowagi, która będzie utrzymywana przez dowolnie długi czas: impuls przyłożony do wejścia 1 jest „zapamiętywany”. Przywrócenie przekaźnika elektronicznego do stanu pierwotnego można wykonać poprzez przyłożenie do wejścia ujemnego impulsu napięcia. Wyzwalacz ma zatem dwie stabilne pozycje równowagi: początkową, w której L1 jest otwarte, a L2 zamknięte, oraz tzw. stan „wzbudzony”, w którym L1 jest zamknięty, a L2 jest otwarty. Czas na przeniesienie wyzwalacza z jednego stanu do drugiego jest bardzo krótki. Kondensatory C1 i C2 służą do przyspieszenia działania lampy. Pomysł komputera, w którym lampy próżniowe miałyby służyć jako urządzenie do przechowywania danych, należy do amerykańskiego naukowca Johna Mauchly'ego. W latach 30. wykonał kilka prostych urządzeń komputerowych na wyzwalaczach. Jednak po raz pierwszy inny amerykański matematyk, John Atanasov, użył lamp elektronicznych do stworzenia komputera. Jego samochód był już prawie gotowy w 1942 roku. Ale z powodu wojny odcięto fundusze na pracę. W następnym roku, 1943, pracując w Moore School of Electrical Engineering na University of Pennsylvania, Mauchly wraz z Presperem Eckertem opracował własny projekt komputera elektronicznego. Pracami tymi zainteresował się amerykański Departament Ordnance, który zlecił budowę maszyny z University of Pennsylvania. Kierownikiem prac został Mauchli. Aby mu pomóc, oddano jeszcze 11 inżynierów (w tym Eckert), 200 techników i dużą liczbę robotników. Przez dwa i pół roku, do 1946 roku, zespół ten pracował nad stworzeniem „elektronicznego cyfrowego integratora i kalkulatora” – ENIAC. Była to ogromna konstrukcja, zajmująca powierzchnię 135 metrów kwadratowych, o masie 30 ton i zużyciu energii 150 kilowatów. Maszyna składała się z czterdziestu paneli zawierających 18000 1500 lamp próżniowych i 0 przekaźników. Jednak zastosowanie lamp próżniowych zamiast elementów mechanicznych i elektromechanicznych umożliwiło radykalne zwiększenie prędkości. ENIAC spędził tylko 0028 sekundy na mnożenie i 0 sekundy na dodawanie, czyli pracował tysiąc razy szybciej niż najbardziej zaawansowane maszyny przekaźnikowe. Urządzenie ENIAC w ujęciu ogólnym wyglądało następująco. Co dziesięć wyzwalaczy było w nim połączonych w pierścień, tworzący licznik dziesiętny, który działał jak koło zliczające maszyny mechanicznej. Dziesięć takich pierścieni plus dwa wyzwalacze reprezentujące znak liczby tworzą rejestr pamięci. W sumie ENIAC posiadał dwadzieścia takich rejestrów. Każdy rejestr był wyposażony w obwody do przesyłania dziesiątek i mógł być używany do sumowania i odejmowania. Inne operacje arytmetyczne wykonywano w specjalnych blokach. Liczby były przesyłane z jednej części maszyny do drugiej za pomocą grup 11 przewodów - po jednym na każde miejsce dziesiętne i znak liczby. Wartość przesyłanej liczby była równa liczbie impulsów przepływających przez ten przewodnik. Działaniem poszczególnych bloków maszyny sterował oscylator nadrzędny, który generował sekwencję określonych sygnałów, które „otwierały” i „zamykały” odpowiednie bloki maszyny elektronicznej. Wprowadzanie numerów do maszyny odbywało się za pomocą kart dziurkowanych. Sterowanie oprogramowaniem odbywało się za pomocą wtyczek i pól składowych (płytka rozdzielcza) - w ten sposób poszczególne bloki maszyny zostały ze sobą połączone. Był to jeden z istotnych mankamentów opisywanej konstrukcji. Przygotowanie maszyny do pracy zajęło kilka dni - łączenie bloków na tablicy rozdzielczej, przy czym zadanie czasami rozwiązywano w kilka minut. Ogólnie rzecz biorąc, ENIAC nadal był raczej zawodnym i niedoskonałym komputerem. Często zawodziło, a poszukiwanie usterki czasami opóźniało się o kilka dni. Ponadto ta maszyna nie mogła przechowywać informacji. Aby wyeliminować ostatnią wadę, Eckert w 1944 wysunął ideę programu przechowywanego w pamięci. Było to jedno z najważniejszych odkryć technicznych w historii informatyki. Jego istotą było to, że polecenia programu musiały być przedstawiane w postaci kodu numerycznego, czyli zakodowane w systemie binarnym (podobnie jak liczby) i wprowadzone do maszyny, gdzie byłyby przechowywane wraz z oryginalnymi liczbami. Aby zapamiętać te polecenia i operacje za ich pomocą, miał używać tych samych urządzeń - wyzwalaczy, co do akcji z liczbami. Z pamięci poszczególne instrukcje miały być pobierane do jednostki sterującej, gdzie ich zawartość była dekodowana i wykorzystywana do przenoszenia liczb z pamięci do jednostki arytmetycznej w celu wykonania na nich operacji i przesłania wyników z powrotem do pamięci. Tymczasem po zakończeniu II wojny światowej zaczęły pojawiać się kolejne komputery elektroniczne. W 1948 roku Brytyjczycy Kilburn i Williams z University of Manchester stworzyli maszynę MARK-1, w której po raz pierwszy zrealizowano ideę zapisanego programu. W 1947 Eckert i Mouchli założyli własną firmę, a w 1951 rozpoczęli seryjną produkcję swoich maszyn UNIVAC-1. W 1951 roku pojawił się pierwszy radziecki komputer MESM autorstwa akademika Lebiediewa. Wreszcie, w 1952 roku, IBM wypuścił swój pierwszy komputer przemysłowy, IBM 701. Wszystkie te maszyny miały wiele wspólnego w swojej konstrukcji. Porozmawiamy teraz o tych ogólnych zasadach działania wszystkich komputerów pierwszej generacji. Jak wiadomo, komputery elektroniczne dokonały prawdziwej rewolucji w dziedzinie zastosowania matematyki do rozwiązywania najważniejszych problemów fizyki, mechaniki, astronomii, chemii i innych nauk ścisłych. Te procesy, które wcześniej były całkowicie nieobliczalne, zaczęły być z powodzeniem modelowane na komputerach. Rozwiązanie dowolnego problemu zostało zredukowane do następujących następujących po sobie kroków: 1) na podstawie wartości fizycznej, chemicznej i innej istoty dowolnego badanego procesu, problem został sformułowany w postaci wzorów algebraicznych, równań różniczkowych lub całkowych, lub inne zależności matematyczne; 2) za pomocą metod numerycznych problem sprowadzono do ciągu prostych działań arytmetycznych; 3) skompilowano program, który określał ścisłą kolejność wykonywania czynności w ustalonej kolejności. (Komputer wykonał w zasadzie tę samą procedurę, co osoba pracująca na maszynie sumującej, ale tysiące lub dziesiątki tysięcy razy szybciej.) Instrukcje skompilowanego programu zostały napisane przy użyciu specjalnego kodu. Każde z tych poleceń określało jakieś konkretne działanie ze strony maszyny. Każde polecenie, z wyjątkiem kodu wykonywanej operacji, zawierało adresy. Zwykle były trzy - numery komórek pamięci, z których zostały pobrane dwie początkowe liczby (adres 1. i 2.), a następnie numer komórki, do której przesłano wynik (adres 3.). I tak np. polecenie +/17/25/32 wskazało, że liczby w komórce 17 i 25 należy dodać, a wynik przesłać do komórki 32. Można również użyć polecenia emisji pojedynczej. W tym przypadku, aby wykonać operację arytmetyczną na dwóch liczbach i przesłać wynik, potrzebne były trzy polecenia: pierwsze polecenie wywoływało jedną z liczb z pamięci do jednostki arytmetycznej, następne polecenie wywoływało drugą liczbę i wykonywało określoną operację na liczby, trzecie polecenie wysłało wynik do pamięci. Tak więc praca komputera odbywała się na poziomie programu. Procesy obliczeniowe przebiegały w następujący sposób. Działanie komputera było sterowane za pomocą kluczy i przełączników elektronicznych, zwanych obwodami logicznymi, a każdy klucz elektroniczny, po otrzymaniu sygnału impulsu napięcia sterującego, włączał żądaną linię lub obwód prądu elektrycznego. Najprostszym kluczem elektronicznym może być już trójelektrodowa lampa elektronowa, która jest blokowana, gdy do jej siatki zostanie przyłożone duże napięcie ujemne, i otwiera się, gdy do siatki zostanie przyłożone napięcie dodatnie. W tym przypadku jego działanie można przedstawić jako zawór sterujący, który przepuszcza przez siebie impuls A, gdy na jego drugie wejście podawany jest impuls sterujący B. Gdy jest tylko jeden impuls prądu A lub B, zawór jest zamknięty, a impuls nie nie przechodzi na jego wyjście. Zatem tylko wtedy, gdy oba impulsy A i B zbiegają się w czasie, na wyjściu pojawi się impuls. Taki obwód nazywany jest obwodem koincydencji lub obwodem logicznym „i”. Wraz z nim w komputerze wykorzystywany jest cały zestaw innych obwodów logicznych. Na przykład obwód „lub”, który daje impuls wyjściowy, gdy pojawia się na linii A lub B, lub jednocześnie na obu liniach. Innym logicznym schematem jest schemat „nie”. Przeciwnie, zabrania przejścia impulsu przez zawór, jeśli jednocześnie zostanie zastosowany inny impuls hamujący, blokując lampę. Korzystając z tych dwóch obwodów, możesz złożyć jednobitowy sumator. Załóżmy, że impulsy A i B są jednocześnie przesyłane do obwodów „no” i „i”, a magistrala „sum” (przewód) jest podłączona do obwodu „nie”, a magistrala „carry” do obwodu „i” . Załóżmy, że impuls (czyli jeden) jest odbierany na wejściu A, ale żaden sygnał wejściowy nie jest odbierany na wejściu B. Wtedy „nie” przegapi impuls do magistrali „sum”, a obwód „i” go nie przegapi, to znaczy, że bit odczyta „1”, co odpowiada regule dodawania binarnego. Załóżmy, że wejścia A i B odbierają impulsy w tym samym czasie. Oznacza to, że kod numeru A to „1”, a kod B to także „1”. Obwód „nie” nie ominie dwóch sygnałów, a wyjście „suma” będzie wynosić „0”. Ale obwód „i” je pominie, a na magistrali „transfer” pojawi się impuls, czyli „1 ” zostanie przeniesiony do sumatora sąsiedniego bitu. W pierwszych komputerach wyzwalacze służyły jako główny element pamięci i sumator arytmetyczny. Obwód wyzwalający, jak pamiętamy, miał dwa stabilne stany równowagi. Przypisując wartość kodu „0” do jednego stanu i wartość kodu „1” do innego, możliwe było użycie komórek wyzwalających do tymczasowego przechowywania kodów. W układach sumujących przyłożenie impulsu do wejścia zliczającego wyzwalacza przechodzi z jednego stanu równowagi do drugiego, co w pełni odpowiada regułom sumowania dla jednej cyfry binarnej (0+0=0; 0+1=1; 1+0=1; 1+1 =0 i przeniesienie jednego do najbardziej znaczącego bitu). W tym przypadku początkową pozycję spustu uznano za kod pierwszej liczby, a przyłożony impuls uznano za kod drugiej liczby. Wynik powstał na komórce wyzwalającej. Aby zaimplementować obwód sumujący dla kilku cyfr binarnych, konieczne było zapewnienie przeniesienia jednostki z jednej cyfry na drugą, co zostało przeprowadzone przez specjalny obwód. Sumator był główną częścią jednostki arytmetycznej maszyny. Sumator do równoległego dodawania kodów liczbowych na raz dla wszystkich cyfr miał tyle sumatorów jednocyfrowych, ile kod liczbowy zawierał cyfry binarne. Dodane liczby A i B weszły do sumatora z urządzeń pamięci i były tam przechowywane za pomocą przerzutników. Rejestry składały się również z szeregu połączonych ze sobą przerzutników T1, T2, T3, T'1, T'2 itd., do których kod liczbowy był podawany z urządzenia rejestrującego równolegle dla wszystkich cyfr. Każdy flip-flop przechowywał kod jednocyfrowy, więc n przekaźników elektronicznych musiało przechowywać liczbę z n cyframi binarnymi. Kody numerów zapisanych w rejestrach dodawano jednocześnie dla każdej cyfry za pomocą sumatorów S1, S2, S3 itd., których liczba była równa liczbie cyfr. Każdy jednobitowy sumator miał trzy wejścia. Na pierwsze i drugie wejście wprowadzono kody o numerach A i B o tej samej cyfrze. Trzecie wejście służyło do przesłania kodu przelewu z poprzedniej cyfry.
W wyniku dodawania kodów danego bitu uzyskano kod sumy na szynie wyjściowej sumatora, a kod „1” lub „0” do przeniesienia na następny bit uzyskano na szynie „transfer”. Niech na przykład trzeba było dodać dwie liczby A=5 (w kodzie binarnym 0101) i B=3 (w kodzie binarnym 0011). Gdy liczby te zostały dodane równolegle, kody A1=2, A3=1, A1=2, A0=3 i B1=4, B0=1, B1=2, B1=3 zostały odpowiednio zastosowane do wejść A0, A4 i A0 sumatora. W wyniku zsumowania kodów pierwszej cyfry w sumatorze S1 otrzymujemy 1+1=0 oraz kod przeniesienia „1” na kolejną cyfrę. Sumator S2 dodał trzy kody: kody A2, B2 oraz kod przeniesienia z poprzedniego sumatora S1. W efekcie otrzymujemy 0+1+1=0 i kod przelewu „1” do następnej trzeciej cyfry. Sumator S3 dodaje kody trzeciej cyfry liczb A i B oraz kod przeniesienia „1” z drugiej cyfry, czyli będziemy mieli 1+0+1=0 i ponownie przejdziemy do następnej czwartej cyfry. W wyniku dodania na oponach „sumy” otrzymujemy kod 1000, co odpowiada liczbie 8. W 1951 roku Joy Forrester dokonał istotnego ulepszenia w konstrukcji komputera, opatentowając pamięć na rdzeniach magnetycznych, która mogła zapamiętywać i przechowywać przyłożone do nich impulsy przez dowolnie długi czas.
Rdzenie wykonano z ferrytu, który uzyskano przez zmieszanie tlenku żelaza z innymi zanieczyszczeniami. Na rdzeniu były trzy uzwojenia. Uzwojenia 1 i 2 służyły do namagnesowania rdzenia w jednym lub drugim kierunku poprzez przyłożenie do nich impulsów o różnej polaryzacji. Uzwojenie 3 było uzwojeniem wyjściowym ogniwa, w którym indukowany był prąd podczas ponownego magnesowania rdzenia. W każdym rdzeniu za pomocą jego namagnesowania zapisany był zapis jednego impulsu, odpowiadający jednej cyfrze jakiejś liczby. Z rdzeni połączonych w określonej kolejności zawsze można było z dużą prędkością wybrać żądaną liczbę. Jeśli więc przez uzwojenie rdzenia został podany sygnał dodatni, to rdzeń jest namagnesowany dodatnio, przy sygnale ujemnym namagnesowanie było ujemne. Tak więc stan rdzenia został scharakteryzowany przez zarejestrowany sygnał. Podczas odczytu przez uzwojenie zastosowano sygnał o określonej polaryzacji, na przykład dodatni. Jeśli wcześniej rdzeń został namagnesowany ujemnie, to został ponownie namagnesowany - iw uzwojeniu wyjściowym powstał prąd elektryczny (zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej), który został wzmocniony przez wzmacniacz. Jeśli rdzeń był namagnesowany dodatnio, to nie nastąpiła zmiana jego stanu - a w uzwojeniu wyjściowym nie pojawił się sygnał elektryczny. Po wybraniu kodu konieczne było przywrócenie pierwotnego stanu rdzenia, co zostało przeprowadzone przez specjalny obwód. Tego typu urządzenie pamięci pozwalało na próbkowanie liczb w ciągu kilku mikrosekund. Duże ilości informacji były przechowywane na nośnikach zewnętrznych, takich jak taśma magnetyczna. Rejestracja impulsów elektrycznych była tutaj podobna do rejestracji dźwięku na magnetofonie: impulsy prądu przepuszczano przez głowice magnetyczne, które namagnesowały odpowiednie miejsca przechodzącej taśmy. Podczas odczytu szczątkowe pole namagnesowania, przechodząc pod głowicami, indukuje w nich sygnały elektryczne, które są wzmacniane i podawane do maszyny. W ten sam sposób informacje zostały zapisane na bębnie magnetycznym pokrytym materiałem ferromagnetycznym. W takim przypadku informacje można znaleźć szybciej. Autor: Ryzhov K.V.
▪ Shuttle i promy kosmiczne Buran
Hałas drogowy opóźnia rozwój piskląt
06.05.2024 Bezprzewodowy głośnik Samsung Music Frame HW-LS60D
06.05.2024 Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi
05.05.2024
▪ Nowy mikroprzełącznik serii V9 ▪ Samochód elektryczny Citroen e-C4 ▪ Przewidywanie dużych rozbłysków słonecznych ▪ Księżyc, deszcz i trzęsienia ziemi
▪ sekcja serwisu Bezpieczeństwo elektryczne, bezpieczeństwo przeciwpożarowe. Wybór artykułów ▪ artykuł Błogosławieństwo powietrza. Popularne wyrażenie ▪ artykuł Gdzie mieszka kobieta, która pływa ze sztucznym ogonem syreny? Szczegółowa odpowiedź ▪ artykuł o amarantusie. Legendy, uprawa, metody aplikacji ▪ artykuł Prosty regulator prądu. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki ▪ artykuł Flying Cup. Sekret ostrości
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Polecamy ciekawe artykuły Sekcja 
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony