Charles Babbage (1791-1871) - πρωτοπόρος στη δημιουργία υπολογιστικής τεχνολογίας, ο οποίος ανέπτυξε 2 κατηγορίες υπολογιστών - διαφορετικούς και αναλυτικούς. Το πρώτο από αυτά πήρε το όνομά του λόγω της μαθηματικής αρχής στην οποία βασίζεται - η μέθοδος των πεπερασμένων διαφορών. Η ομορφιά του έγκειται στην αποκλειστική χρήση της αριθμητικής πρόσθεσης χωρίς να χρειάζεται να καταφύγει σε πολλαπλασιασμό και διαίρεση, που είναι δύσκολο να εφαρμοστούν μηχανικά.
Περισσότερα από μια αριθμομηχανή
Το Babbage's Difference Engine είναι μια συσκευή μέτρησης. Χειρίζεται τους αριθμούς με τον μόνο τρόπο που μπορεί, αθροίζοντάς τους συνεχώς σύμφωνα με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών. Δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για γενικούς αριθμητικούς υπολογισμούς. Η Αναλυτική Μηχανή του Babbage είναι πολύ περισσότερα από μια απλή αριθμομηχανή. Σηματοδοτεί τη μετάβαση από την μηχανοποιημένη αριθμητική στην πλήρη κλίμακα υπολογιστών γενικού σκοπού. Σε διάφορα στάδια της εξέλιξης των ιδεών του Babbageυπήρχαν τουλάχιστον 3 έργα. Επομένως, οι αναλυτικοί κινητήρες του αναφέρονται καλύτερα στον πληθυντικό.
Ευκολία και αποτελεσματικότητα μηχανικής
Οι υπολογιστές του Babbage είναι δεκαδικοί με την έννοια ότι χρησιμοποιούν 10 ψηφία από το 0 έως το 9, και ψηφιακοί καθώς λειτουργούν μόνο με ακέραιους αριθμούς. Οι τιμές αντιπροσωπεύονται από γρανάζια και κάθε ψηφίο έχει τον δικό του τροχό. Εάν σταματήσει σε μια ενδιάμεση θέση μεταξύ ακεραίων τιμών, τότε το αποτέλεσμα θεωρείται απροσδιόριστο και το μηχάνημα μπλοκάρεται για να δείξει παραβίαση της ακεραιότητας των υπολογισμών. Αυτή είναι μια μορφή ανίχνευσης σφαλμάτων.
Ο Babbage εξέτασε επίσης τη χρήση συστημάτων αριθμών διαφορετικών από το δεκαδικό, συμπεριλαμβανομένων των δυαδικών και των βασικών 3, 4, 5, 12, 16 και 100. Ακολούθησε το δεκαδικό λόγω της εξοικείωσης και της μηχανικής του αποτελεσματικότητας, καθώς μειώνει σημαντικά ο αριθμός των κινούμενων μερών.
Difference Engine 1
Το 1821, ο Babbage άρχισε να αναπτύσσεται με έναν μηχανισμό που σχεδιάστηκε για τον υπολογισμό και την ταξινόμηση πολυωνυμικών συναρτήσεων. Ο συγγραφέας το περιγράφει ως μια συσκευή για τον αυτόματο υπολογισμό μιας ακολουθίας τιμών με αυτόματη εκτύπωση των αποτελεσμάτων με τη μορφή πίνακα. Αναπόσπαστο μέρος του σχεδίου είναι ένας εκτυπωτής που συνδέεται μηχανικά με το τμήμα υπολογισμού. Το Difference Engine 1 είναι το πρώτο ολοκληρωμένο σχέδιο για αυτόματο υπολογισμό.
Κατά καιρούς η Babbage άλλαζε τη λειτουργικότητα της συσκευής. Ένα σχέδιο του 1830 απεικονίζει μια μηχανή σχεδιασμένη για 16 ψηφία και 6 τάξεις διαφοράς. Το μοντέλο αποτελούνταν από 25 χιλιάδες μέρη, μοιρασμένα εξίσου μεταξύ του τμήματος υπολογιστών και του εκτυπωτή. Αν είχε κατασκευαστεί η συσκευή, θα είχε εκτιμώμενο βάρος 4 τόνους και θα είχε ύψος 2,4 μέτρα. Οι εργασίες στον κινητήρα Διαφοράς του Babbage σταμάτησαν το 1832 μετά από μια διαμάχη με τον μηχανικό Joseph Clement. Η κρατική χρηματοδότηση τελείωσε τελικά το 1842
Analytic Engine
Όταν οι εργασίες στη συσκευή διαφοράς σταμάτησαν, το 1834 ο Babbage συνέλαβε μια πιο φιλόδοξη συσκευή, η οποία αργότερα έγινε γνωστή ως Αναλυτική Καθολική Προγραμματιζόμενη Μηχανή Υπολογιστών. Οι δομικές ιδιότητες της μηχανής του Babbage αντιστοιχούν σε μεγάλο βαθμό στα βασικά δομικά στοιχεία ενός σύγχρονου ψηφιακού υπολογιστή. Ο προγραμματισμός γίνεται με διάτρητες κάρτες. Αυτή η ιδέα λήφθηκε από τον αργαλειό ζακάρ, όπου χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία πολύπλοκων μοτίβων υφασμάτων.
Η λογική δομή της Αναλυτικής Μηχανής του Babbage αντιστοιχεί βασικά στον κυρίαρχο σχεδιασμό των υπολογιστών της ηλεκτρονικής εποχής, που συνεπάγεται την παρουσία μνήμης ("κατάστημα"), διαχωρισμένη από την κεντρική μονάδα επεξεργασίας ("μύλο"), διαδοχική εκτέλεση λειτουργιών και εγκαταστάσεων για εισαγωγή και έξοδο δεδομένων και εντολών. Ως εκ τούτου, ο συγγραφέας της ανάπτυξης έλαβε επάξια τον τίτλο του πρωτοπόρου της τεχνολογίας υπολογιστών.
Μνήμη και CPU
Το μηχάνημα της Babbage διαθέτει ένα "κατάστημα" όπου αποθηκεύονται οι αριθμοί και τα ενδιάμεσα αποτελέσματα, καθώς και ένα ξεχωριστό "μύλο" όπου γίνεται η αριθμητική επεξεργασία. Είχε ένα σύνολο 4 αριθμητικών συναρτήσεων και μπορούσε να εκτελέσει άμεσο πολλαπλασιασμό και διαίρεση. Επιπλέον, η συσκευή ήταν ικανή να εκτελεί λειτουργίες που τώρα ονομάζονται διακλάδωση υπό όρους, βρόχος (επανάληψη), μικροπρογραμματισμός, παράλληλη επεξεργασία, στερέωση, διαμόρφωση παλμού κ.λπ. Ο ίδιος ο συγγραφέας δεν χρησιμοποίησε τέτοια ορολογία.
Η CPU της αναλυτικής μηχανής του Charles Babbage, την οποία ονόμασε "μύλο", παρέχει:
- αποθήκευση αριθμών, οι πράξεις στους οποίους εκτελούνται αμέσως, σε καταχωρητές;
- έχει το υλικό για να εκτελέσει βασικές αριθμητικές πράξεις σε αυτές;
- μεταφορά εξωτερικών οδηγιών προσανατολισμένων στον χρήστη σε λεπτομερή εσωτερικό έλεγχο;
- σύστημα χρονισμού (ρολόι) για την εκτέλεση εντολών σε μια προσεκτικά επιλεγμένη σειρά.
Το
Ο μηχανισμός ελέγχου της αναλυτικής μηχανής εκτελεί αυτόματα λειτουργίες και αποτελείται από δύο μέρη: ένα χαμηλότερο επίπεδο που ελέγχεται από τεράστια τύμπανα που ονομάζονται βαρέλια και ένα υψηλό επίπεδο που χρησιμοποιεί διάτρητες κάρτες που σχεδιάστηκαν από τον Jacquard για αργαλειούς που χρησιμοποιούνται ευρέως στις αρχές του 1800.
Συσκευές εξόδου
Το αποτέλεσμα των υπολογισμών εμφανίζεται με διάφορους τρόπους, όπως εκτύπωση, διάτρητη κάρτα, σχεδίαση καιαυτόματη παραγωγή στερεοτύπων - δίσκοι μαλακών υλικών στους οποίους αποτυπώνεται το αποτέλεσμα, ικανοί να χρησιμεύσουν ως καλούπι για χύτευση πλακών για εκτύπωση.
Νέο σχέδιο
Η πρωτοποριακή εργασία του Babbage στην Αναλυτική Μηχανή ολοκληρώθηκε σε μεγάλο βαθμό το 1840 και άρχισε να αναπτύσσει μια νέα συσκευή. Μεταξύ 1847 και 1849, ολοκλήρωσε την ανάπτυξη του Difference Engine No. 2, που ήταν μια βελτιωμένη έκδοση του πρωτότυπου. Αυτή η τροποποίηση σχεδιάστηκε για λειτουργίες με αριθμούς 31-bit και μπορούσε να καταγράψει οποιοδήποτε πολυώνυμο 7ης τάξης. Ο σχεδιασμός ήταν εξαιρετικά απλός, απαιτούσε μόνο το ένα τρίτο των ανταλλακτικών του αρχικού μοντέλου, παρέχοντας ταυτόχρονα ίση επεξεργαστική ισχύ.
Οι μηχανές διαφοράς και ανάλυσης του Charles Babbage χρησιμοποίησαν τον ίδιο σχεδιασμό της συσκευής εξόδου, η οποία όχι μόνο έκανε εκτυπώσεις σε χαρτί, αλλά δημιουργούσε αυτόματα στερεότυπα και εκτελούσε ανεξάρτητα μορφοποίηση σύμφωνα με τη διάταξη σελίδας που καθορίζει ο χειριστής. Ταυτόχρονα, ήταν δυνατή η προσαρμογή του ύψους της γραμμής, του αριθμού στηλών, του πλάτη των πεδίων, της αυτόματης αναδίπλωσης γραμμών ή στηλών και της διάταξης των κενών γραμμών για αναγνωσιμότητα.
Legacy
Εκτός από μερικά μερικώς δημιουργημένα μηχανικά συγκροτήματα και δοκιμαστικά μοντέλα μικρών τμημάτων εργασίας, κανένα από τα σχέδια δεν υλοποιήθηκε πλήρως κατά τη διάρκεια της ζωής του Babbage. Το κύριο μοντέλο που συναρμολογήθηκε το 1832 ήταν το 1/7 του Difference Engine No. 1, το οποίο αποτελούσεαπό περίπου 2 χιλιάδες μέρη. Λειτουργεί άψογα μέχρι σήμερα και είναι η πρώτη επιτυχημένη αυτόματη υπολογιστική συσκευή που υλοποιεί μαθηματικούς υπολογισμούς σε μηχανισμό. Ο Babbage πέθανε ενώ το μικρό πειραματικό μέρος της Αναλυτικής Μηχανής συναρμολογούνταν. Έχουν διατηρηθεί πολλές λεπτομέρειες της κατασκευής, καθώς και ένα πλήρες αρχείο σχεδίων και σημειώσεων.
Τα σχέδια του Babbage για τεράστιους μηχανικούς υπολογιστές θεωρούνται ένα από τα εκπληκτικά πνευματικά επιτεύγματα του 19ου αιώνα. Μόνο τις τελευταίες δεκαετίες το έργο του έχει μελετηθεί λεπτομερώς και η σημασία αυτού που έχει κάνει γίνεται ολοένα και πιο εμφανής.
