Провозвестники компьютерной эры

Впервые состав и назначение функциональных средств автоматической вычислительной машины определил в 1834 г. английский математик и экономист Ч. Бэббидж (1792—1871) в своем неосуществленном проекте аналитической машины. Проект содержал более 200 чертежей различных узлов. Нужно особо отметить такие механические составные части, как хранилище для чисел (в современном понятии — память); устройство для производства арифметических действий над числами (Бэббидж назвал его «фабрикой»); устройство, управляющее операциями машины в нужной последовательности, включая перенос чисел из одного места в другое (Бэббидж не дал названия этой части, теперь это устройство управления); устройство для ввода и вывода чисел.

С 1834 г. и до конца жизни Бэббидж работал над проектом аналитической машины, не пытаясь построить ее. Только в 1906 г. сын Ч. Бэббиджа выполнил демонстрационные модели некоторых частей машины [58, с. 110]. Если бы аналитическая машина была завершена, то, по оценкам Бэббиджа, на сложение и вычита­ние потребовалось 2 с, на умножение и деление — 1 мин [58, с. 75]. Что касается возможности существования такой машины, то можно привести слова одного из пионеров ЭВМ М. Уилкса: «В лучшем случае она будет часто ломаться. Но это же можно сказать о ранних электронных компьютерах, которые были построены спустя 100 лет» [2]. Бэббидж не составил полного описания своей машины и методов ее использования. Тем не менее в 1842 г. в Женеве была опубликована небольшая рукопись итальянского военного инженера «Как только аналитическая машина начнет свое существование, она неизбежно станет элементом, определяющим будущее развития науки».

Ч. Бэббидж Л. Ф. Менабреа «Очерк об аналитической машине, изобретенной Чарлзом Бэббиджем», написанная на основе лекций, прочитанных Бэббиджем в 1840 г. в Турине. Рукопись Менабреа с одобрения Бэббиджа перевела на английский язык его ученица и помощница, дочь поэта Дж. Г. Байрона, Ада Лавлейс, сопроводив перевод подробнейшими комментариями, которые по сути своей были посвящены проблемам использования аналитической машины, т. е., собственно говоря, проблемам программирования. Поэтическое восприятие мира передалось ей от отца. «Аналитическая машина ткет алгебраические образы» — эти слова принадлежат гра¬фине Лавлейс. При участии Бэббиджа она составила первые программы для решения систем двух линейных уравнений и для вычисления чисел Бернулли.

Заслуги Бэббиджа и Лавлейс трудно переоценить, они стали провозвестниками компьютерной эры, наступившей только через столетие. Их вклад в вычислительную науку значителен. В чем суть их достижений?

Во-первых, главное — это предложенная Бэббиджем идея программного управления* процессом вычислений. Во-вторых, предполагалось использование перфокарт для ввода и вывода данных и для целей управления, а также для обмена и передачи чисел в самой машине. В-третьих, изобретена система предварительного переноса для ускорения вычислений. В-четвертых, применен способ изменения хода вычислений, который в дальнейшем получил название команды условного перехода. В-пятых, введены понятия циклов операций и рабочих ячеек.

Надо также отметить, что в творческом наследии Бэббиджа и комментариях Лавлейс мы находим наметки таких понятий, как подпрограмма и библиотека под­программ, модификация команд и индексный регистр, которые стали употребляться только в 50-х годах XX в. Кстати сказать, термин «библиотека» впервые был введен Бэббиджем, а термины программирования «рабочая ячейка», «цикл» предложила первая в мире программистка А. Лавлейс [3].

После Бэббиджа значительный вклад в технику автоматизации обработки информации внес американский изобретатель Г. Голлерит. Голлерит является основоположником счетно-перфорационной техники — непосредственной предшественницы релейных машин Занимаясь в 80-х годах прошлого столетия вопросами обработки статистических данных (данных переписи населения), он создал систему, автоматизирующую процесс обработки. Голлерит впервые (1890 г.) построил ручной перфоратор, который был использован для нанесения цифровых данных на перфокарты (на карте пробивались отверстия), и ввел механическую сортировку для раскладки этих перфокарт в зависимости от места пробивок. Им построена суммирующая машина, названная табулятором, которая прощупывала отверстия на перфокартах, воспринимала их как соответствующие числа и подсчитывала эти числа. Носитель данных Голлерита — 80-колонная перфокарта — не претерпела существенных изменений до настоящего времени.

Машины Голлерита были использованы в обработке данных переписи в США, Австрии, Канаде, Норвегии и в других странах [2]. Они использовались при первой Всероссийской переписи населения в 1897 г., причем Голлерит приезжал в Россию для организации этой работы. В 1896 г. Голлерит основал всемирно известную фирму Computer Tabulating Recording, специализирующуюся на выпуске счетно-перфорационных машин и перфокарт, которые стали широко применяться на транспорте, в торговле, в статистических управлениях, в страховых обществах и т. п. В дальнейшем эта фирма была преобразована в фирму International Business Machines (IBM), которая ныне, как известно, является крупнейшим разработчиком вычислительных систем. Заметим, что Г. Айкен, автор одной из первых действующих вычислительных машин с программным управлением («Марк-1», 1944 г.), создавал свою машину на базе стандартных деталей перфорационных устройств, выпускавшихся в то время фирмой IBM [2].

Развитие счетно-перфорационных машин происхо­дило сравнительно медленно: автоматическая загрузка перфокарт была введена в 1900 г., первые печатающие и накапливающие табуляторы были изобретены в 1913 г. В 1929 г. советский изобретатель Г. Лозовский создал первую в мире конструкцию итогового перфоратора, а в 1934—1935 гг. В. Агаповым (тоже СССР) были разработаны принципы использования фотоэлемента в перфорационных устройствах [4, с. 6].

Наиболее часто на ЭВМ выполняются комбинаторные задачи, и в частности задачи сортировки. Сортировка, как известно, далеко не тривиальна как с практической, так и с теоретической точки зрения. Так вот, поиск истоков современных методов сортировки приводит нас к машинам Голлерита, а именно к его сортировальной машине. Принципы работы сортировочной машины легли в основу поразрядной сортировки, используемой в электронных машинах.

Двенадцатипозиционный двоичный код ЕС ЭВМ для пробивки перфокарт восходит опять же к Г. Голлериту. В ФОРТРАНе, широко распространенном языке программирования, для вывода на печать сообщений, являющихся комментариями к полученным результатам, используется специальный тип спецификации оператора FORMAT, называемый спецификацией Голлерита.

А были ли в докомпьютерный период ученые и изобретатели, которые пытались создать то, что не удалось Бэббиджу? Один из них — дублинский бухгалтер П. Лудгейт, который в 1903 г. спроектировал аналитическую машину. Его арифметическое и запоминающее устройства настолько отличались от соответствующих узлов конструкции Бэббиджа, что не остается никакого сомнения в том, что он работал самостоятельно. Лудгейт пошел дальше Бэббиджа — он понял значение условных переходов и впервые ввел трехадресные команды, а также разработал принцип распределения адресов по ячейкам запоминающего устройства [5]. Неизвестно, когда Лудгейт узнал о принципиальных особенностях машины Бэббиджа, но, вероятно, эти принципы способствовали созданию механизма управления последовательностью действий — работа его машины управлялась с помощью перфоленты. Кроме того, изобретатель предусмотрел в своей машине возможность автоматической распечатки результатов вычислений. О работе над аналитической машиной Лудгейта мы знаем немного. Пожалуй, кроме опубликованной рукописи с планом постройки этой машины [5], сведений о ее практической реализации мы не имеем.

Испанский инженер и изобретатель Л. Торрес де Кеведо также известен своими работами по созданию аналитической машины. Наиболее важной опубликованной его работой были «Очерки по автоматике», в которых он впервые употребил термин «автоматика». В этой работе (1914 г.) автор приводит схематический план своего проекта машины, используя достижения электромеханики тех лет. Машина имела устройство программного управления и схему условного перехода. Другой вариант схемы электромеханической аналитической вычислительной машины он создал в 1920 г. В этом варианте впервые предпринята попытка представления чисел в форме с «плавающей запятой».

Известны и другие попытки создания аналитической машины. Например, французский ученый Л. Куффиньял в 1938 г. описал двоичное электромеханическое устройство с программным управлением.

Аркадий Петрович Частиков
"Вычислительная техника и ее применение" 1988/1