Чарльз Беббідж (1791-1871) – піонер створення обчислювальної техніки, який розробив 2 класу обчислювальних машин – різницеві і аналітичні. Перший з них отримав свою назву завдяки математичним принципом, на якому базується методом кінцевих різниць. Його краса полягає у виключному використанні арифметичного додавання без необхідності вдаватися до множенню і діленню, які складно реалізувати механічно.

Більше ніж калькулятор

Різницева машина Беббіджа являє собою рахунковий пристрій. Вона оперує числами єдиним способом, на який здатна, постійно складаючи їх у відповідності з методом кінцевих різниць. Її не можна використовувати для загальних арифметичних розрахунків. Аналітична ж машина Беббіджа набагато більше, ніж просто калькулятор. Вона знаменує перехід від механізованої арифметики до повномасштабних обчислень загального призначення. На різних етапах еволюції ідей Беббіджа налічувалося щонайменше 3 проекту. Тому на його аналітичні машини краще посилатися у множині.

Зручність та інженерна ефективність

Обчислювальні машини Беббіджа є десятеричними пристроями в тому сенсі, що вони використовують 10 цифр від 0 до 9 і цифровими тому, що оперують тільки з цілими числами. Значення представлені шестернями, а кожному розряду відведено своє колесо. Якщо воно зупиняється в проміжному положенні між цілими значеннями, то результат вважається невизначеним, а робота машини блокується, щоб показати порушення цілісності розрахунків. Це є своєрідною формою виявлення помилок.


Беббідж також розглядав використання систем числення, відмінних від десятеричной, в т. ч. двійковій і з основою 345 1216 і 100. Він зупинився на десятеричной через її звичності та інженерної ефективності, оскільки завдяки їй значно зменшується кількість рухомих частин.

Різницева машина №1

У 1821 р. Беббідж почав з розробки механізму, призначеного для розрахунку і табуляції поліноміальних функцій. Автор описує його як пристрій для автоматичного обчислення послідовності значень з автоматичною печаткою результатів у вигляді таблиці. Інтегральною частиною конструкції є принтер, механічно пов'язаний з розрахунковою секцією. Різницева машина №1 являє собою першу повноцінну конструкцію для автоматичного виконання розрахунків. Час від часу Беббідж міняв функціональні можливості пристрою. Дизайн 1830 р. зображує машину, розраховану на 16 цифр і 6 порядків різниці. Модель складалася з 25 тис. частин, розділених порівну між обчислювальної секцією і принтером. Якби пристрій було побудовано, то важило, за оцінками, 4 т і мало б висоту 24 м. Робота по створенню різницевої машини Беббіджа була зупинена в 1832 р., після суперечки з інженером Джозефом Клементом. Державне фінансування остаточно припинилося в 1842 р.

Аналітична машина

Коли робота над різницевим апаратом застопорилася, в 1834 році Беббідж задумав більш амбітне пристрій, яке пізніше отримало назву аналітичного універсального програмованого обчислювального механізму. Структурні властивості машини Беббіджа багато в чому відповідають основним блокам сучасного цифрового комп'ютера. Програмування здійснюється за допомогою перфокарт. Ця ідея була запозичена у жакардового ткацького верстата, де вони служать для створення складних текстильних візерунків.
Логічна структура аналітичної машини Беббіджа в основному відповідає домінуючому дизайну комп'ютерів електронної ери, який передбачає наявність пам'яті («магазин»), відокремленою від центрального процесора («млини»), послідовне виконання операцій та засоби для введення і виведення даних та інструкцій. Тому звання піонера обчислювальної техніки автор розробки отримав цілком заслужено.

Пам'ять і центральний процесор

У машини Беббіджа є «магазин», де зберігаються числа і проміжні результати, а також окрема «млин», де виконувалася арифметична обробка. Вона мала набір з 4 арифметичних функцій і могла виконувати пряме множення і ділення. Крім того, пристрій здатне робити операції, які тепер отримали назви умовного розгалуження, цикли (ітерації), мікропрограмування, паралельної обробки, фіксації, формування імпульсів і т. п. Сам автор таку термінологію не використовував. ЦПУ аналітичної машини Чарльза Беббіджа, яке він називав «млином», забезпечує:

зберігання чисел, операції над якими проводяться негайно, в регістрах;

має апаратні засоби для виконання з ними основних арифметичних операцій;

передачу орієнтованих на користувача зовнішніх інструкцій у детальне внутрішнє управління;

систему синхронізації (такт) для виконання інструкцій ретельно підібраною послідовності.

Механізм управління аналітичної машини виконує операції автоматично і складається з двох частин: нижнього рівня, контрольованого масивними барабанами, званими бочками, і високого рівня, що використовує перфокарти, розробленими Жаккардом для ткацьких верстатів, які широко застосовувалися на початку 1800-х років.

Пристрої виводу

Результат обчислень виводиться різними способами, включаючи друк, перфокарти, побудова графіків і автоматичне виробництво стереотипів – лотків з м'якого матеріалу, на яких виробляється відбиток результату, здатних служити формою для відливання пластин для друку.

Нова конструкція

Новаторську роботу над аналітичною машиною Беббідж в основному завершив до 1840 р. і почав розробляти новий пристрій. У період з 1847 по 1849 рік він закінчив розробку різницевої машини №2 що представляла собою поліпшену версію оригіналу. Ця модифікація була розрахована на операції з 31-розрядними числами і могла привести в табличну форму будь-поліном 7-го порядку. Дизайн був вишукано простим і вимагав лише третю частину від кількості деталей первісної моделі, забезпечуючи рівну з нею обчислювальну потужність. У різницевої та аналітичної машини Чарльза Беббіджа використовувалася одна і та ж конструкція пристрою виведення, яке не тільки робило роздрук на папері, але і автоматично створювало стереотипи і самостійно виробляло форматування згідно заданому оператором макету сторінки. При цьому передбачалася можливість налаштування висоти рядка, числа стовпців, ширини полів, забезпечувалися автоматичне згортання рядків або стовпців і розстановка порожніх рядків для зручності читання.

Спадщина

Крім декількох частково створених механічних збірок і тестових моделей невеликих робочих секцій, ні одна з конструкцій не була реалізована повністю протягом життя Беббіджа. Основна зібрана в 1832 р. модель була 1/7 частиною різницевої машини №1 яка складалася приблизно з 2 тис. деталей. Вона бездоганно працює донині і є першим успішним автоматичним обчислювальним пристроєм, який реалізує математичні розрахунки в механізмі. Беббідж помер, коли збиралася невелика експериментальна частина аналітичної машини. Багато деталей конструкції збереглися, як і повний архів креслень і записок. Проекти величезних механічних обчислювальних машин Беббіджа вважаються одним з приголомшливих інтелектуальних досягнень XIX століття. Тільки в останні десятиліття його робота була детально вивчена, і ступінь важливості того, що він зробив, стає все більш очевидною.