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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Rechenmaschine. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Die Mechanisierung und Mechanisierung von Rechenoperationen gehört zu den grundlegenden technischen Errungenschaften des zweiten Drittels des XNUMX. Jahrhunderts. So wie das Erscheinen der ersten Spinnmaschinen der Beginn der großen industriellen Revolution des XNUMX.-XNUMX. Jahrhunderts war, wurde die Schaffung eines elektronischen Computers zum Vorboten der grandiosen wissenschaftlichen, technischen und informationstechnischen Revolution der zweiten Hälfte des XNUMX. Jahrhunderts . Diesem wichtigen Ereignis ging eine lange Vorgeschichte voraus. Die ersten Versuche, eine Rechenmaschine zusammenzubauen, wurden bereits im XNUMX. Jahrhundert unternommen, und die einfachsten Rechengeräte, wie ein Abakus und ein Konto, tauchten noch früher auf - in der Antike und im Mittelalter.
Ein Rechenautomat gehört zwar zur Gattung der Maschinen, kann aber nicht mit Industriemaschinen, etwa einer Dreh- oder Webmaschine, gleichgesetzt werden, da er im Gegensatz zu diesen nicht mit physischem Material (Fäden oder Holzzuschnitte) arbeitet, aber mit idealen, die in der Natur nicht durch Zahlen existieren. Daher sieht sich der Schöpfer jeder Rechenmaschine (sei es die einfachste Rechenmaschine oder der neueste Supercomputer) mit spezifischen Problemen konfrontiert, die sich Erfindern in anderen Technologiebereichen nicht stellen. Sie können wie folgt formuliert werden: 1. Wie kann man Zahlen physikalisch (objektiv) in einer Maschine darstellen? 2. Wie gebe ich die anfänglichen numerischen Daten ein? 3. Wie simuliert man die Ausführung arithmetischer Operationen? 4. Wie werden die Eingabedaten und Berechnungsergebnisse dem Taschenrechner präsentiert? Einer der ersten, der diese Probleme überwand, war der berühmte französische Wissenschaftler und Denker Blaise Pascal. Er war 18 Jahre alt, als er begann, an der Entwicklung einer speziellen Maschine zu arbeiten, mit der eine Person, die nicht einmal mit den Rechenregeln vertraut war, vier grundlegende Aktionen ausführen konnte. Pascals Schwester, die seine Arbeit miterlebte, schrieb später: „Diese Arbeit ermüdete meinen Bruder, aber nicht wegen der Anstrengung der geistigen Tätigkeit und nicht wegen der Mechanismen, deren Erfindung ihm nicht viel Mühe bereitete, sondern weil die Arbeiter mit schwer, ihn zu verstehen." Und das ist nicht verwunderlich. Präzise Mechanik wurde gerade geboren, und die Qualität, die Pascal forderte, überstieg die Fähigkeiten seiner Meister. Daher musste der Erfinder oft selbst zur Feile und zum Hammer greifen oder rätseln, wie man ein interessantes, aber komplexes Design gemäß den Qualifikationen des Meisters ändert.
Das erste Arbeitsmodell der Maschine wurde 1642 fertiggestellt. Sie befriedigte Pascal nicht und er begann sofort, ein neues zu entwerfen. „Ich habe nicht gespart“, schrieb er später über sein Auto, „weder Zeit, noch Arbeit, noch Geld, um es in einen brauchbaren Zustand zu bringen … Ich hatte die Geduld, bis zu 50 verschiedene Modelle herzustellen … „Endlich, 1645, waren seine Bemühungen von vollem Erfolg gekrönt – Pascal baute ein Auto, das ihn in jeder Hinsicht zufriedenstellte. Was war dieser erste Computer der Geschichte und wie wurden die oben aufgeführten Aufgaben gelöst? Der Mechanismus der Maschine war in einem leichten Messingkasten eingeschlossen. Auf seiner oberen Abdeckung befanden sich 8 runde Löcher, um die jeweils eine kreisförmige Skala angebracht war. Die Skala des Lochs ganz rechts wurde in 12 gleiche Teile geteilt, die Skala des Lochs daneben wurde in 20 Teile geteilt, die restlichen sechs Löcher hatten eine Dezimalteilung. Eine solche Einteilung entsprach der Einteilung des Livre, der damals wichtigsten französischen Währungseinheit: 1 Sous = 1/20 Livre und 1 Denier = 1/12 Sous. In den Löchern waren Zahnradeinstellräder sichtbar, die sich unterhalb der Ebene der oberen Abdeckung befanden. Die Anzahl der Zähne jedes Rades war gleich der Anzahl der Skalenteilungen des entsprechenden Lochs.
Zahlen wurden wie folgt eingegeben. Jedes Rad drehte sich unabhängig voneinander um seine eigene Achse. Die Rotation erfolgte über einen Antriebsstift, der zwischen zwei benachbarte Zähne eingesetzt wurde. Der Stift drehte das Rad, bis er auf einen festen Anschlag traf, der an der Unterseite der Abdeckung befestigt war und in das Loch links von der Zahl "1" des Zifferblatts ragte. Wenn zum Beispiel ein Stift zwischen die Zähne 3 und 4 gesetzt wurde und das Rad ganz gedreht wurde, dann drehte es sich um 3/10 seines vollen Kreises. Die Drehung jedes Rades wurde durch einen internen Mechanismus auf zylindrische Trommeln übertragen, deren Achsen horizontal angeordnet waren. Auf der Seitenfläche der Trommeln wurden Zahlenreihen aufgebracht. Die Addition von Zahlen, wenn ihre Summe 9 nicht überstieg, war sehr einfach und entsprach der Addition von ihnen proportionalen Winkeln. Beim Addieren großer Zahlen musste eine Operation namens Übertragung von zehn auf die höchste Ziffer durchgeführt werden. Menschen, die in einer Spalte oder auf einem Abakus zählen, sollten dies in Gedanken tun. Pascals Maschine führte den Transfer automatisch durch, und das war ihr wichtigstes Unterscheidungsmerkmal. Die zur selben Kategorie gehörenden Elemente der Maschine waren das Stellrad N, die digitale Trommel I und das Zählwerk, bestehend aus vier Kronrädern B, einem Zahnrad K und einem Mechanismus zur Übertragung von Zehnern.
Beachten Sie, dass die Räder B1, B2 und K für den Betrieb der Maschine nicht von grundlegender Bedeutung sind und nur dazu dienten, die Bewegung des Stellrads N auf die Digitaltrommel I zu übertragen. Die Räder B3 und B4 waren jedoch integrale Bestandteile der Zähler und wurden daher "Zählräder" genannt. Die Zählräder zweier benachbarter Kategorien A1 und A2 waren starr auf den Achsen montiert. Der Mechanismus zum Übertragen von Zehnern, den Pascal "Schlinge" nannte, hatte das folgende Gerät. Auf dem Zählrad B1 der Junior-Kategorie in der Pascal-Maschine befanden sich Stangen C1, die bei Drehung der Achse A1 mit den Zähnen der Gabel M in Eingriff kamen, die sich am Ende des Zweikniehebels D1 befanden. Dieser Hebel drehte sich frei auf der A2-Achse der Seniorenkategorie, während die Gabel eine federbelastete Sperrklinke trug. Wenn das Rad B1 während der Drehung der Achse A1 die der Nummer 6 entsprechende Position erreicht, greifen die Stangen C1 in die Zähne der Gabel ein, und in dem Moment, in dem sie von 9 auf 0 übergeht, rutscht die Gabel heraus Eingriff und fiel unter der Wirkung seines eigenen Gewichts hin und schleifte einen Hund mit. Dieser hat gleichzeitig das Zählrad B2 höchster Ordnung um einen Schritt nach vorne geschoben (also zusammen mit der Achse A2 um 36 Grad gedreht). Der Hebel H, der in einem beilförmigen Zahn endet, spielte die Rolle eines Hakens, der verhinderte, dass sich das Rad B1 in die entgegengesetzte Richtung drehte, wenn die Gabel angehoben wurde. Der Übertragungsmechanismus arbeitete nur mit einer Drehrichtung der Zählräder und erlaubte nicht, dass der Subtraktionsvorgang durch Drehen der Räder in der entgegengesetzten Richtung durchgeführt werden konnte. Daher ersetzte Pascal die Subtraktion durch die Addition durch ein dezimales Komplement. Angenommen, es ist zum Beispiel notwendig, 532 von 87 zu subtrahieren. Die Additionsmethode führt zu den folgenden Aktionen: 532-87=532-(100-13)=(532+13)-100=445. Sie müssen nur daran denken, 100 abzuziehen. Auf einer Maschine, die eine bestimmte Anzahl von Ziffern hatte, konnte man sich darüber jedoch keine Gedanken machen. Lassen Sie uns tatsächlich 532-87 auf einer Sechs-Bit-Maschine subtrahieren. Dann 000532+999913=1000445. Aber die allererste Einheit wird von selbst verloren sein, da der Transfer aus der sechsten Kategorie nirgendwo hingehen kann. Multiplikation wird auch auf Addition reduziert. Wenn Sie beispielsweise 365 mit 132 multiplizieren wollten, mussten Sie die Addition fünfmal durchführen: 365 Da Pascals Maschine den Begriff jedoch jedes Mal neu einführte, war es äußerst schwierig, diese Rechenoperation damit durchzuführen. Die nächste Stufe in der Entwicklung der Computertechnologie ist mit dem Namen des berühmten deutschen Mathematikers Leibniz verbunden. 1672 besuchte Leibniz den niederländischen Physiker und Erfinder Huygens und erlebte, wie viel Zeit und Mühe ihm verschiedene mathematische Berechnungen abnahmen. Dann kam Leibniz auf die Idee, eine Rechenmaschine zu bauen. „Es ist solch wunderbaren Menschen unwürdig“, schrieb er, „wie Sklaven Zeit mit Rechenarbeit zu verschwenden, die jedem anvertraut werden könnte, der Maschinen verwendet.“ Die Schaffung einer solchen Maschine erforderte jedoch von Leibniz seinen ganzen Einfallsreichtum. Seine berühmte 12-stellige Rechenmaschine erschien erst 1694 und kostete eine runde Summe – 24000 Taler. Der Mechanismus der Maschine basierte auf der von Leibniz erfundenen Stufenwalze, bei der es sich um einen Zylinder mit darauf aufgebrachten Zähnen unterschiedlicher Länge handelte. In einer 12-Bit-Addiermaschine gab es 12 solcher Walzen – eine für jede Ziffer der Zahl.
Das Arithmometer bestand aus zwei Teilen - fest und beweglich. Der Haupt-12-Bit-Zähler und die Stufenwalze des Eingabegeräts wurden im festen platziert. Der Installationsteil dieses Geräts, das aus acht kleinen digitalen Kreisen bestand, befand sich im beweglichen Teil der Maschine. In der Mitte jedes Kreises befand sich eine Achse, auf der unter der Abdeckung der Maschine ein Zahnrad E montiert war, und auf der Abdeckung war ein Pfeil angebracht, der sich mit der Achse drehte. Das Ende des Pfeils könnte gegen eine beliebige Zahl des Kreises gesetzt werden.
Die Dateneingabe in die Maschine erfolgte über einen speziellen Mechanismus. Die Stufenrolle S war auf einer vierseitigen Achse mit Zahnstangengewinde gelagert. Diese Schiene griff in ein Zehnzahnrad E ein, auf dessen Umfang die Zahlen 0, 1 ... 9 aufgebracht waren. Wird dieses Rad so gedreht, dass die eine oder andere Zahl im Schlitz des Deckels erscheint, wird die Stufenrolle parallel zur Achse des Zahnrads F des Hauptzählers bewegt. Wenn danach die Rolle um 360 Grad gedreht wurde, wurden eins, zwei usw. mit dem Rad F in Eingriff gebracht. die längsten Schritte, abhängig von der Größe der Verschiebung. Dementsprechend drehte Rad F um 0, 1 ... 9 Teile einer vollen Umdrehung; dabei drehte sich auch die Scheibe oder Walze R. Bei der nächsten Umdrehung der Walze wurde die gleiche Zahl wieder auf den Zähler übertragen. Die Rechenmaschinen von Pascal und Leibniz sowie einige andere, die im XNUMX. Jahrhundert auftauchten, waren nicht weit verbreitet. Sie waren komplex, teuer, und der öffentliche Bedarf an solchen Maschinen war noch nicht sehr groß. Mit der Entwicklung von Produktion und Gesellschaft wurde ein solches Bedürfnis jedoch immer stärker spürbar, insbesondere bei der Erstellung verschiedener mathematischer Tabellen. Ende des XNUMX. - Anfang des XNUMX. Jahrhunderts verbreiteten sich in Europa arithmetische, trigonometrische und logarithmische Tafeln; Banken und Kreditbüros verwendeten Zinstabellen und Versicherungsunternehmen verwendeten Sterbetafeln. Aber astronomische und Navigationstafeln waren von absolut herausragender Bedeutung (insbesondere für England - die "große Seemacht"). Die Vorhersagen der Astronomen über die Position von Himmelskörpern waren damals das einzige Mittel, mit dem Seefahrer ihre Schiffe auf hoher See orten konnten. Diese Tabellen wurden in den jährlich erscheinenden "Marine Calendar" aufgenommen. Jede Ausgabe erforderte die enorme Arbeit von Dutzenden und Hunderten von Zählern. Unnötig zu erwähnen, wie wichtig es war, Fehler bei der Zusammenstellung dieser Tabellen zu vermeiden. Aber es gab noch Fehler. Hunderte und sogar Tausende von falschen Daten enthielten auch die gängigsten Tabellen - logarithmische. Die Herausgeber dieser Tabellen waren gezwungen, einen speziellen Korrektorenstab zu unterhalten, der die erhaltenen Berechnungen prüfte. Aber das bewahrte nicht vor Fehlern. Die Situation war so ernst, dass die britische Regierung – die erste der Welt – sich darum kümmerte, einen speziellen Computer zum Erstellen solcher Tabellen zu schaffen. Die Entwicklung der Maschine (sie wird Differenzmaschine genannt) wurde dem berühmten englischen Mathematiker und Erfinder Charles Babbage anvertraut. 1822 wurde ein Arbeitsmodell hergestellt. Da sowohl die Bedeutung der Erfindung von Babbage als auch die Bedeutung der von ihm entwickelten Methode der maschinellen Berechnung sehr groß sind, sollten wir uns näher mit dem Aufbau der Differenzmaschine befassen. Betrachten wir zunächst an einem einfachen Beispiel die von Babbage vorgeschlagene Methode zum Erstellen von Tabellen. Angenommen, Sie möchten die Tabelle der vierten Potenzen der Mitglieder der natürlichen Reihen 1, 2, 3 berechnen ...
Angenommen, eine solche Tabelle wurde bereits für einige Mitglieder der Reihe in Spalte 1 berechnet - und die resultierenden Werte werden in Spalte 2 eingetragen. Subtrahieren Sie den vorherigen Wert von jedem nachfolgenden Wert. Sie erhalten einen fortlaufenden Wert der ersten Unterschiede (Spalte 3). Nachdem wir die gleiche Operation mit den ersten Differenzen durchgeführt haben, erhalten wir die zweiten Differenzen (Spalte 4), die dritten (Spalte 5) und schließlich die vierten (Spalte 6). In diesem Fall erweisen sich die vierten Differenzen als konstant: Spalte 6 besteht aus der gleichen Zahl 24. Und das ist kein Zufall, sondern Folge eines wichtigen Satzes: Wenn eine Funktion (in diesem Fall eine Funktion y (x)=x4, wobei x zur Menge der natürlichen Zahlen gehört) ein Polynom n-ten Grades ist, dann sind in einer Tabelle mit konstanter Schrittweite seine n-ten Differenzen konstant. Nun ist leicht zu erraten, dass man die benötigte Tabelle anhand der ersten Zeile per Addition erhält. Um beispielsweise die angefangene Tabelle um eine weitere Zeile fortzusetzen, müssen Sie Additionen vornehmen: 156 + = 24 180 590 + = 180 770 1695 + = 770 2465 4096 + = 2465 6561 Die Differenzmaschine von Babbage verwendete die gleichen dezimalen Zählräder wie die von Pascal. Zur Anzeige der Nummer wurden Register verwendet, die aus einem Satz solcher Räder bestanden. Jede Spalte der Tabelle, mit Ausnahme von 1, die eine Reihe natürlicher Zahlen enthielt, hatte ihren eigenen Fall; insgesamt befanden sich sieben davon in der Maschine, da sie Funktionen mit konstanten Sextdifferenzen berechnen sollte. Jedes Register bestand aus 18 digitalen Rädern entsprechend der Anzahl der Ziffern der angezeigten Zahl und mehreren zusätzlichen, die als Umdrehungszähler für andere Hilfszwecke verwendet wurden. Wenn alle Maschinen gespeicherte Werte entsprechend der letzten Zeile unserer Tabelle registrieren, war es notwendig, um den nächsten Wert der Funktion in Spalte 2 zu erhalten, nacheinander eine Anzahl von Additionen durchzuführen, die der Anzahl von Additionen der verfügbaren Differenzen entspricht . Die Zugabe in den Differenzmotor erfolgte in zwei Stufen. Die Register mit den Begriffen wurden so verschoben, dass die Zähne der Zählräder ineinander griffen. Danach drehten sich die Räder eines der Register in die entgegengesetzte Richtung, bis jedes von ihnen Null erreichte. Diese Phase wurde als Zugabephase bezeichnet. Am Ende dieser Stufe wurde in jeder Ziffer des zweiten Registers die Summe der Ziffern dieser Ziffer erhalten, bisher jedoch ohne Berücksichtigung möglicher Übertragungen von Ziffer zu Ziffer. Die Übertragung erfolgte in der nächsten Phase, die als Übertragungsphase bezeichnet wurde, und wurde so durchgeführt. Beim Übergang jedes Rades in die Additionsphase von 9 auf 0 wurde bei dieser Entladung ein spezieller Riegel freigegeben. In der Transferphase wurden alle Riegel durch spezielle Hebel an ihren Platz zurückgebracht, wodurch gleichzeitig das Rad des nächsthöheren Ranges um einen Schritt gedreht wurde. Jede solche Drehung könnte wiederum einen Übergang von 9 auf 0 in einer der Ziffern und damit die Freigabe des Riegels verursachen, der wieder an seinen Platz zurückkehrt und eine Übertragung zur nächsten Ziffer bewirkt. Somit erfolgte die Rückkehr der Latches an ihren Platz sequentiell, beginnend mit der niedrigstwertigen Ziffer des Registers. Ein solches System nennt man Addition mit sukzessivem Transfer. Alle anderen Rechenoperationen wurden durch Addition durchgeführt. Beim Subtrahieren drehten sich die Zählräder in die entgegengesetzte Richtung (im Gegensatz zu Pascals Maschine erlaubte Babbages Differenzmaschine dies). Die Multiplikation wurde auf sequentielle Addition und die Division auf sequentielle Subtraktion reduziert. Mit dem beschriebenen Verfahren könnten nicht nur Polynome berechnet werden, sondern auch andere Funktionen, beispielsweise logarithmische oder trigonometrische, obwohl sie im Gegensatz zu Polynomen keine streng konstanten Leitdifferenzen aufweisen. Alle diese Funktionen können jedoch als unendliche Reihe, dh als einfaches Polynom, dargestellt (erweitert) werden, und die Berechnung ihrer Werte an jedem Punkt kann auf das bereits betrachtete Problem reduziert werden. Beispielsweise können sin x und cos x als unendliche Polynome dargestellt werden:
Diese Erweiterungen gelten für alle Funktionswerte von 0 bis p/4 (p/4=3, 14/4=0) mit sehr hoher Genauigkeit. Für Werte von x, die größer als p/785 sind, hat die Erweiterung eine andere Form, aber auf jedem dieser Abschnitte kann die trigonometrische Funktion als eine Art Polynom dargestellt werden. Die Anzahl der Termpaare in der Reihe, die bei den Berechnungen berücksichtigt werden, hängt von der gewünschten Genauigkeit ab. Wenn beispielsweise die Anforderungen an die Genauigkeit gering sind, können Sie sich auf die ersten zwei oder vier Glieder der Reihe beschränken und den Rest verwerfen. Aber Sie können mehr Terme nehmen und den Wert der Funktion an jedem Punkt mit beliebiger Genauigkeit berechnen. (Beachten Sie, dass 4!=2•1=2; 2!=3•1•2=3; 6!=4•1•2•3=4 usw.) Also die Berechnung der Werte einer beliebigen Funktion wurde von Babbage auf eine einfache arithmetische Operation reduziert - die Addition. Darüber hinaus hat die Differenz-Engine beim Wechseln von einem Abschnitt der Funktion zu einem anderen, wenn es notwendig war, den Wert der Differenz zu ändern, selbst einen Aufruf gegeben (sie hat aufgerufen, nachdem eine bestimmte Anzahl von Berechnungsschritten abgeschlossen war). Die bloße Schaffung einer Differenzmaschine hätte Babbage einen Ehrenplatz in der Geschichte der Computertechnik eingebracht. Er hörte hier jedoch nicht auf und begann, ein viel komplexeres Design zu entwickeln - eine Analysemaschine, die zum direkten Vorgänger aller modernen Computer wurde. Was war ihre Spezialität? Tatsache ist, dass die Differenzmaschine im Wesentlichen immer noch nur eine komplexe Addiermaschine blieb und für ihre Arbeit die ständige Anwesenheit einer Person erforderte, die das gesamte Schema (Programm) der Berechnungen im Kopf hatte und die Aktionen der Maschine entlang leitete den einen oder anderen Weg. Es ist klar, dass dieser Umstand eine gewisse Bremse in der Durchführung von Berechnungen war. Um 1834 kam Babbage auf die Idee: „Ist es nicht möglich, eine Maschine zu schaffen, die eine universelle Rechenmaschine wäre, d den weiteren Rechenweg wählen?" Im Wesentlichen bedeutete dies die Schaffung einer programmgesteuerten Maschine. Dieses Programm, das sich zuvor im Kopf des Bedieners befand, musste nun in eine Reihe einfacher und klarer Befehle zerlegt werden, die im Voraus in die Maschine eingegeben werden und deren Betrieb steuern. Niemand hatte jemals versucht, einen solchen Computer zu erstellen, obwohl die Idee von softwaregesteuerten Geräten bereits damals verwirklicht war. 1804 erfand der französische Erfinder Joseph Jacquard den computergesteuerten Webstuhl. Das Prinzip seiner Arbeit war wie folgt. Der Stoff ist, wie Sie wissen, eine Verflechtung von zueinander senkrechten Fäden. Dieses Weben wird auf einem Webstuhl durchgeführt, bei dem die Kettfäden (längs) durch die Ösen - Löcher in den Drahtschlaufen eingefädelt werden und die Querfäden in einer bestimmten Reihenfolge mit einem Schiffchen durch diese Kettfäden gezogen werden. Bei der einfachsten Bindung steigen die Schlaufen durch eine, und die durch sie hindurchgefädelten Kettfäden steigen entsprechend auf. Zwischen den angehobenen und verbliebenen Fäden entsteht eine Lücke, in die das Schiffchen den Schussfaden (quer) hinter sich herzieht. Danach werden die angehobenen Schlaufen abgesenkt und der Rest angehoben. Bei einem komplexeren Webmuster mussten die Fäden in verschiedenen anderen Kombinationen gehoben werden. Der Weber senkte und hob die Kettfäden manuell, was normalerweise viel Zeit in Anspruch nahm. Nach 30 Jahren hartnäckiger Arbeit erfand Jacquard einen Mechanismus, der es ermöglichte, die Bewegung von Schlaufen gemäß einem bestimmten Gesetz zu automatisieren, indem er einen Satz Kartonkarten mit darin gestanzten Löchern verwendete - Lochkarten. Bei der Jacquard-Maschine waren die Ösen mit langen Nadeln verbunden, die auf einer Lochkarte auflagen. Beim Auftreffen auf Löcher bewegten sich die Nadeln nach oben, wodurch sich die ihnen zugeordneten Augen hoben. Wenn die Nadeln an der Stelle auf den Karten ruhten, an der keine Löcher waren, blieben sie an Ort und Stelle und hielten die mit ihnen verbundenen Augen auf die gleiche Weise. So wurde die Lücke für das Schiffchen und damit das Webbild der Fäden durch eine Reihe von Löchern auf den entsprechenden Kontrollkarten bestimmt. Babbage beabsichtigte, das gleiche Prinzip der Kontrolle von Lochkarten in seiner Analysemaschine zu verwenden. Er arbeitete fast vierzig Jahre lang an seinem Gerät: von 1834 bis zu seinem Lebensende 1871, aber er konnte es nicht beenden. Doch nach ihm gab es mehr als 200 Zeichnungen der Maschine und ihrer einzelnen Komponenten, versehen mit vielen detaillierten Notizen, die ihre Arbeit erklärten. All diese Materialien sind von großem Interesse und eines der erstaunlichsten Beispiele für wissenschaftliche Voraussicht in der Geschichte der Technik. Laut Babbage hätte die Analytical Engine vier Hauptblöcke enthalten sollen.
Das erste Gerät, das Babbage die „Mühle“ nannte, wurde entwickelt, um vier grundlegende arithmetische Operationen auszuführen. Das zweite Gerät - "Lager" - war zum Speichern von Zahlen (Anfangs-, Zwischen- und Endergebnisse) vorgesehen. Die Anfangszahlen wurden an die Recheneinheit gesendet und daraus die Zwischen- und Endergebnisse gewonnen. Das Hauptelement dieser beiden Blöcke waren Register von Dezimalzählrädern. Jeder von ihnen konnte auf eine von zehn Stellen gesetzt werden und sich so eine Dezimalstelle „merken“. Der Speicher der Maschine musste 1000 Register mit jeweils 50 Zahlenrädern umfassen, das heißt, sie konnte 1000 fünfzigstellige Zahlen speichern. Die Geschwindigkeit der durchgeführten Berechnungen hing direkt von der Rotationsgeschwindigkeit der digitalen Räder ab. Babbage ging davon aus, dass das Addieren von zwei 50-Bit-Zahlen 1 Sekunde dauern würde. Um Zahlen aus dem Gedächtnis in ein Rechengerät und umgekehrt zu übertragen, sollte es Zahnstangen verwenden, die mit den Zähnen der Räder kämmen sollten. Jede Schiene bewegte sich, bis das Rad in der Nullposition war. Die Bewegung wurde über Stangen und Verbindungen auf ein Rechenwerk übertragen, wo sie mittels einer weiteren Schiene dazu benutzt wurde, eines der Registerräder in die gewünschte Position zu bringen. Die grundlegende Operation der analytischen Engine war, wie auch die Differenz, die Addition, und der Rest wurde darauf reduziert. Um viele Zahnräder zu drehen, war eine erhebliche äußere Kraft erforderlich, die Babbage durch den Einsatz einer Dampfmaschine zu erreichen hoffte. Das dritte Gerät, das den Ablauf der Operationen, die Übertragung der Nummern, an denen die Operationen durchgeführt wurden, und die Ausgabe der Ergebnisse steuerte, waren strukturell zwei Jacquard-Lochkartenmechanismen. Die Lochkarten von Babbage unterschieden sich von den Lochkarten von Jacquard, die nur einen Vorgang steuerten – das Anheben des Fadens, um das gewünschte Muster im Stoffherstellungsprozess zu erhalten. Die Steuerung der Arbeit der analytischen Engine umfasste verschiedene Arten von Operationen, von denen jede eine spezielle Art von Lochkarten erforderte. Babbage identifizierte drei Haupttypen von Lochkarten: betriebsbereit (oder Betriebskarten), variabel (oder variable Karten) und numerisch. Betriebslochkarten steuerten die Maschine. Gemäß den auf ihnen ausgeschlagenen Befehlen fanden Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division von Zahlen statt, die sich im Rechengerät befanden. Eine der weitsichtigsten Ideen von Babbage war die Einführung eines bedingten Verzweigungsbefehls in den Befehlssatz, der durch die Folge von operativen Lochkarten gegeben wird. Die Programmsteuerung allein (ohne die Verwendung eines bedingten Sprungs) würde nicht ausreichen, um komplexe Rechenarbeit effizient zu implementieren. Der lineare Arbeitsablauf ist an allen Stellen fest vorgegeben. Diese Straße ist bis zum Ende in allen Einzelheiten bekannt. Das Konzept des "bedingten Sprungs" bedeutet den Übergang des Computers zu einem anderen Abschnitt des Programms, wenn zuvor eine bestimmte Bedingung erfüllt ist. Durch die Möglichkeit, eine bedingte Verzweigungsanweisung zu verwenden, musste der Compiler des Computerprogramms nicht wissen, in welchem Stadium der Berechnung sich das Attribut, das die Wahl des Berechnungsverlaufs beeinflusst, ändern wird. Die Verwendung eines bedingten Übergangs ermöglichte es, die aktuelle Situation an jeder Weggabelung zu analysieren und auf dieser Grundlage den einen oder anderen Weg zu wählen. Bedingte Befehle können eine ganz andere Form haben: Vergleichen von Zahlen, Auswählen der erforderlichen Zahlenwerte, Bestimmen des Vorzeichens einer Zahl usw. Die Maschine führte Rechenoperationen durch, verglich die erhaltenen Zahlen miteinander und führte entsprechend weitere Operationen durch. Somit könnte die Maschine zu einem anderen Teil des Programms gehen, einen Teil der Befehle überspringen oder zur Ausführung eines Teils des Programms zurückkehren, d. h. einen Zyklus organisieren. Die Einführung des bedingten Verzweigungsbefehls markierte den Beginn der Verwendung logischer und nicht nur rechnerischer Operationen in der Maschine.
Mit Hilfe der zweiten Art von Lochkarten - Variablen (oder in der Terminologie von Babbage "Variablenkarten") wurden Zahlen zwischen Speicher und einem Rechengerät übertragen. Diese Karten zeigten nicht die Nummern selbst an, sondern nur die Nummern der Speicherregister, dh Zellen zum Speichern einer Nummer. Babbage nannte Speicherregister "Variablen", was darauf hinweist, dass sich der Inhalt des Registers in Abhängigkeit von der darin gespeicherten Zahl ändert. Die Analytical Engine von Babbage verwendete drei Arten von Variablenkarten: zum Übertragen einer Zahl an eine arithmetische Einheit und zum weiteren Speichern im Speicher, für eine ähnliche Operation, jedoch ohne Speichern im Speicher, und zum Eingeben einer Zahl in den Speicher. Sie heißen: 1) "Nullkarte" (die Nummer wird aus dem Speicherregister aufgerufen, danach wird das Register auf Null gesetzt); 2) "Speicherkarte" (die Nummer wird aus dem Speicher angerufen, ohne den Inhalt des Registers zu ändern); 3) "Empfangskarte" (die Zahl wird von der Recheneinheit in den Speicher übertragen und in eines der Register geschrieben). Bei laufender Maschine waren es durchschnittlich drei variable Karten pro einsatzbereiter Lochkarte. Sie gaben die Nummern der Speicherzellen (Adressen, in moderner Terminologie) an, in denen die beiden ursprünglichen Zahlen gespeichert waren, und die Nummer der Zelle, in die das Ergebnis geschrieben wurde.
Numerische Lochkarten stellten den Haupttyp von Lochkarten der analytischen Maschine dar. Mit ihrer Hilfe wurden erste Zahlen zur Lösung eines bestimmten Problems und neue Daten eingegeben, die im Laufe der Berechnungen erforderlich sein könnten. Nach Durchführung der vorgeschlagenen Berechnungen klopfte die Maschine die Antwort auf eine separate Lochkarte. Der Bediener fügte diese Lochkarten in der Reihenfolge ihrer Nummern hinzu und verwendete sie später in seiner Arbeit (sie waren sozusagen ihr externes Gedächtnis). Wenn zum Beispiel die Maschine im Verlauf von Berechnungen den Wert des Logarithmus 2303 benötigte, zeigte sie ihn in einem speziellen Fenster und rief an. Der Bediener fand die benötigte Lochkarte mit dem Wert dieses Logarithmus und gab sie in die Maschine ein. „Alle Karten“, schrieb Babbage, „können, wenn sie einmal für eine Aufgabe verwendet und erstellt wurden, zur Lösung derselben Probleme mit anderen Daten verwendet werden, sodass es nicht erforderlich ist, sie ein zweites Mal vorzubereiten – sie können sorgfältig für die zukünftige Verwendung aufbewahrt werden; Im Laufe der Zeit wird die Maschine Ihre eigene Bibliothek haben. Der vierte Block war für den Empfang von Anfangszahlen und die Ausgabe von Endergebnissen vorgesehen und bestand aus mehreren Geräten, die E / A-Operationen bereitstellen. Die Anfangszahlen wurden von der Bedienungsperson in die Maschine eingegeben und in ihre Speichervorrichtung eingegeben, aus der die endgültigen Ergebnisse extrahiert und ausgegeben wurden. Die Antwort könnte die Maschine auf einer Lochkarte ausgeben oder auf Papier ausdrucken. Abschließend sei darauf hingewiesen, dass, wenn die Entwicklung der analytischen Engine-Hardware ausschließlich mit dem Namen Babbage verbunden ist, die Programmierung der Problemlösung auf dieser Maschine mit dem Namen seiner guten Freundin - Lady Ada Lovelace, der Tochter von - erfolgt der große englische Dichter Byron, der Mathematik leidenschaftlich liebte und sich in komplexen wissenschaftlichen und technischen Problemen perfekt auskannte. 1842 wurde in Italien ein Artikel des jungen Mathematikers Menabrea veröffentlicht, in dem Babbages analytische Maschine beschrieben wurde. 1843 übersetzte Lady Lovelace diesen Artikel mit ausführlichen und profunden Kommentaren ins Englische. Um die Funktionsweise der Maschine zu veranschaulichen, fügte Lady Lovelace dem Artikel ein Programm bei, das sie zur Berechnung der Bernoulli-Zahlen zusammengestellt hatte. Ihr Kommentar ist im Wesentlichen die allererste Arbeit über Programmierung. Die Analytical Engine erwies sich als sehr teures und komplexes Gerät. Die britische Regierung, die Babbages Arbeit zunächst finanzierte, weigerte sich bald, ihm zu helfen, sodass er seine Arbeit nie abschließen konnte. War die Komplexität dieser Maschine gerechtfertigt? Nicht in allem. Viele Operationen (insbesondere die Eingabe und Ausgabe von Zahlen und deren Übertragung von einem Gerät zum anderen) würden stark vereinfacht, wenn Babbage elektrische Signale verwenden würde. Allerdings war seine Maschine als rein mechanisches Gerät ohne elektrische Elemente konzipiert, was ihren Erfinder oft in eine sehr schwierige Lage brachte. Inzwischen war das elektromechanische Relais, das später zum Hauptelement von Computern wurde, bereits zu dieser Zeit erfunden worden: Es wurde 1831 gleichzeitig von Henry und Salvatore dal Negro erfunden. Die Verwendung elektromechanischer Relais in der Computertechnik geht auf die Erfindung des Amerikaners Herman Gollerith zurück, der eine Reihe von Geräten zur Verarbeitung großer Datenmengen (z. B. Volkszählungsergebnisse) entwickelte. Der Bedarf an einer solchen Maschine war sehr groß. Beispielsweise wurden die Ergebnisse der Volkszählung von 1880 in den USA 7 Jahre lang verarbeitet. Ein so bedeutender Zeitraum erklärt sich aus der Tatsache, dass es notwendig war, eine große Anzahl von Karten (eine für jeden der 5 Millionen Einwohner) mit einem sehr großen - 50 Überschriften - Satz von Antworten auf die in der Karte gestellten Fragen zu sortieren. Gollerith kannte diese Probleme aus erster Hand – er selbst war Mitarbeiter des US Census Bureau – einer statistischen Behörde, die für die Durchführung von Volkszählungen und die Aufbereitung ihrer Ergebnisse zuständig war. Gollerith arbeitete viel am Sortieren von Karten und kam auf die Idee, diesen Prozess zu mechanisieren. Zuerst ersetzte er die Karten durch Lochkarten, d.h. anstatt die Antwortmöglichkeit mit Bleistift zu markieren, kam er auf ein Loch. Dazu entwickelte er eine spezielle 80-spaltige Lochkarte, auf der alle bei der Volkszählung erfassten Informationen einer Person in Form von Lochungen aufgebracht wurden. (Die Form dieser Lochkarte hat sich seither nicht wesentlich verändert.) Üblicherweise wurde ein Lochkartenstreifen zur Beantwortung einer Frage verwendet, was es ermöglichte, zehn Antworten festzulegen (z. B. auf eine Frage zur Religion). In einigen Fällen (z. B. bei der Frage nach dem Alter) konnten zwei Spalten verwendet werden, die hundert Antworten ergaben. Golleriths zweite Idee war eine Konsequenz aus der ersten – er schuf den weltweit ersten Zähl- und Lochkomplex, der einen Eingabelocher (zum Lochen) und einen Tabulator mit einer Vorrichtung zum Sortieren von Lochkarten umfasste. Die Perforation wurde manuell an einem Locher durchgeführt, der aus einem gusseisernen Körper mit einer Aufnahme für eine Karte und dem Locher selbst bestand. Über dem Empfänger wurde eine Platte mit mehreren Lochreihen platziert; Wenn der Lochergriff über einen von ihnen gedrückt wurde, wurde die Karte unter der Platte in der erforderlichen Weise gestanzt. Ein komplexer Stempel durchbohrte die allgemeinen Daten auf einer Gruppe von Karten mit einer Berührung der Hand. Die Sortiermaschine bestand aus mehreren Kisten mit Deckel. Die Karten wurden von Hand zwischen Federstifte und mit Quecksilber gefüllte Tanks geschoben. Als der Stift in das Loch fiel, berührte er das Quecksilber und schloss den Stromkreis. Gleichzeitig wurde der Deckel einer bestimmten Kiste angehoben und der Bediener legte dort eine Karte ein. Der Tabulator (oder die Addiermaschine) fühlte Löcher auf Lochkarten, nahm sie als die entsprechenden Zahlen und zählte sie. Das Funktionsprinzip ähnelte einer Sortiermaschine und basierte auf der Verwendung eines elektromechanischen Relais (als solche wurden auch Federstifte und Becher mit Quecksilber verwendet). Wenn die Stäbe während der Bewegung von Lochkarten durch die Löcher in Becher mit Quecksilber fielen, wurde der Stromkreis geschlossen und ein elektrisches Signal an den Zähler gesendet, der der darin enthaltenen Zahl eine neue Einheit hinzufügte. Jeder Zähler hatte ein Zifferblatt mit einem Pfeil, der sich um eine Skaleneinheit bewegte, wenn ein Loch erkannt wurde. Wenn der Tabulator 80 Zähler hätte, könnte er gleichzeitig die Ergebnisse für 8 Fragen (mit jeweils zehn möglichen Antworten) berechnen. Um die Ergebnisse für die nächsten 8 Fragen zu berechnen, wurde dieselbe Lochkarte noch einmal von ihrem anderen Abschnitt durch den Tabulator geführt. Bis zu 1000 Karten pro Stunde wurden in einem Lauf sortiert. Das erste Patent (für eine Idee) erhielt Gollerith 1884. 1887 wurde seine Maschine in Baltimore bei der Erstellung von Sterbetafeln der Bevölkerung getestet. 1889 fand der entscheidende Test des Systems statt – in vier Bezirken der Stadt San Louis wurde eine Probezählung durchgeführt. Golleriths Maschine war den beiden konkurrierenden manuellen Systemen weit voraus (sie arbeitete 10-mal schneller). Danach schloss die US-Regierung mit Gollerith eine Vereinbarung über die Lieferung von Ausrüstung für die Volkszählung von 1890. Die Ergebnisse dieser Volkszählung wurden dank des Tabulators in nur zwei Jahren verarbeitet. Dadurch erlangte die Maschine sehr schnell internationale Anerkennung und wurde in vielen Ländern bei der Verarbeitung von Volkszählungsdaten eingesetzt. 1902 schuf Gollerith einen automatischen Tabulator, bei dem Karten nicht manuell, sondern automatisch zugeführt wurden, und modernisierte seine Sortiermaschine. 1908 schuf er ein grundlegend neues Modell der Rechenmaschine. Anstelle von Bechern mit Quecksilber wurden hier Kontaktbürsten verwendet, mit deren Hilfe die Stromkreise von Elektromagneten geschlossen wurden. Letzteres sorgte für die Verbindung und Trennung der kontinuierlich rotierenden Welle mit den digitalen Rädern des Summenzählers. Die digitalen Räder drehten sich durch Zahnräder von einer sich kontinuierlich drehenden Welle, die von Elektromagneten gesteuerte Rutschkupplungen trug. Als ein Loch unter der Kontaktbürste gefunden wurde, wurde der Stromkreis des entsprechenden Elektromagneten geschlossen und die Kupplung eingeschaltet, die das digitale Rad mit der rotierenden Welle verband, woraufhin der Inhalt des Zählers in dieser Kategorie um a erhöht wurde Zahl proportional zu einer Umdrehung des Rades. Die Übertragung von Zehnern wurde ähnlich wie in Babbages Differenzmaschine durchgeführt. Die von Gollerith begonnene Arbeit dauert bis heute an. Bereits 1896 gründete er die Tabulayting Machine Company, ein Unternehmen, das sich auf die Herstellung von Lochmaschinen und Lochkarten spezialisierte. 1911, nachdem Gollerith die unternehmerische Tätigkeit aufgegeben hatte, fusionierte seine Firma mit drei anderen und wurde in den heute weltweit bekannten Konzern IBM, den größten Entwickler auf dem Gebiet der Computertechnologie, umgewandelt. Der Gollerith-Tabulator war der erste, der elektromechanische Elemente verwendete. Die Weiterentwicklung der Computertechnik war mit einer breiten und vielseitigen Anwendung der Elektrizität verbunden. 1938 schuf der deutsche Ingenieur Konrad Zuse den ersten elektronischen Relaiscomputer Z1 auf Telefonrelais (das darin enthaltene Aufzeichnungsgerät blieb mechanisch). 1939 erschien ein weiterentwickeltes Z2-Modell, und 1941 stellte Zuse den weltweit ersten funktionierenden Computer mit Programmsteuerung zusammen, der ein Binärsystem verwendete. Alle diese Maschinen starben während des Krieges und hatten daher keinen großen Einfluss auf die nachfolgende Geschichte des Rechnens. Unabhängig von Zuse war Howard Aiken in den USA mit dem Bau von Relaiscomputern beschäftigt. Als Doktorand an der Harvard University musste Aiken während der Arbeit an seiner Dissertation viele komplexe Berechnungen durchführen. Um die Rechenarbeit zu verkürzen, begann er, einfache Maschinen zur automatischen Lösung bestimmter Probleme zu erfinden. Am Ende kam ihm die Idee eines automatischen Universalcomputers, der in der Lage ist, eine Vielzahl wissenschaftlicher Probleme zu lösen. 1937 interessierte sich IBM für sein Projekt. Ein Team von Ingenieuren wurde beauftragt, Aiken zu helfen. Bald begannen die Arbeiten am Bau der Mark-1-Maschine. Relais, Zähler, Ein- und Ausgabegeräte für Kontakt- und Lochkarten waren Standardteile der von IBM hergestellten Tabulatoren. 1944 wurde das Auto zusammengebaut und der Harvard University gespendet. "Mark-1" blieb eine Übergangsmaschine. Es wurden in großem Umfang mechanische Elemente zur Darstellung von Zahlen und elektromechanische Elemente zur Steuerung des Betriebs der Maschine verwendet. Wie in Babbages Analytical Engine wurden die Zahlen in Registern gespeichert, die aus Zehnzahn-Zählrädern bestanden. Insgesamt hatte "Mark-1" 72 Register und zusätzlich einen zusätzlichen Speicher von 60 Registern, der durch mechanische Schalter gebildet wurde. In diesen zusätzlichen Speicher wurden manuell Konstanten eingetragen – Zahlen, die sich während der Berechnung nicht verändert haben. Jedes Register enthielt 24 Räder, von denen 23 zur Darstellung der Zahl selbst und eines zur Darstellung ihres Zeichens verwendet wurden. Register hatten einen Mechanismus zum Übergeben von Zehnern und wurden daher nicht nur zum Speichern von Zahlen verwendet, sondern auch zum Ausführen von Operationen an ihnen: Eine Zahl, die sich in einem Register befand, konnte in ein anderes übertragen und zu der dort befindlichen Zahl addiert (oder von ihr subtrahiert) werden. Diese Operationen wurden wie folgt durchgeführt. Durch die das Register bildenden Zählräder ging eine sich ständig drehende Welle, an die jedes Rad mit Hilfe elektromechanischer Schalter für einen bestimmten Teil seiner Umdrehung gekoppelt werden konnte. An jeder Zahl war eine Bürste (Lesekontakt) angebracht, die bei Drehung des Rades an einem feststehenden Zehnersegment entlang lief. Dadurch war es möglich, das elektrische Äquivalent der Ziffer zu erhalten, die in einem bestimmten Bit des Registers gespeichert ist. Um die Summationsoperation durchzuführen, wurden solche Verbindungen zwischen den Bürsten des ersten Registers und dem Schaltmechanismus des zweiten Registers hergestellt, dass die Räder des letzteren mit der Welle für einen Teil der Rotationsperiode verbunden waren, die proportional zu den Zahlen im entsprechenden war Ziffern des ersten Registers. Alle Schalter wurden am Ende der Zugabephase, die nicht mehr als die Hälfte der Umsatzperiode einnahm, automatisch ausgeschaltet. Der Summationsmechanismus selbst unterschied sich nicht wesentlich von dem Addierer der gollerischen Tabulatoren. Multiplikation und Division wurden in einem separaten Gerät durchgeführt. Darüber hinaus verfügte die Maschine über eingebaute Blöcke zur Berechnung der Funktionen sin x, log x und einiger anderer. Die Geschwindigkeit der Durchführung arithmetischer Operationen im Durchschnitt: Addition und Subtraktion - 0 Sekunden, Multiplikation - 3 Sekunden, Division - 5 Sekunden. Das heißt, "Mark-7" entsprach ungefähr 15 Bedienern, die mit manuellen Rechenmaschinen arbeiteten. Die Arbeit des "Mark-1" wurde durch Befehle gesteuert, die mit einem Lochband eingegeben wurden. Jeder Befehl wurde codiert, indem Löcher in 24 Spalten gestanzt wurden, die entlang des Bandes liefen, und unter Verwendung von Kontaktbürsten gelesen wurden. Das Lochen auf Lochkarten wurde in eine Reihe von Impulsen umgewandelt. Der Satz elektrischer Signale, der als Ergebnis des "Sondierens" der Positionen einer gegebenen Reihe erhalten wird, bestimmt die Aktionen der Maschine bei einem gegebenen Berechnungsschritt. Basierend auf diesen Befehlen sorgte das Steuergerät für die automatische Ausführung aller Berechnungen in diesem Programm: Es holte Zahlen aus Speicherzellen, gab den Befehl für die erforderliche arithmetische Operation, schickte die Ergebnisse der Berechnungen an einen Speicher usw. Aiken verwendete Schreibmaschinen und Locher als Ausgabegeräte. Nach dem Start des Mark 1 begannen Aiken und seine Mitarbeiter mit der Arbeit am Mark 2, die 1947 endete. Diese Maschine hatte keine mechanischen Digitalräder mehr, und elektrische Relais wurden verwendet, um Zahlen zu speichern, Rechenoperationen durchzuführen und Operationen zu steuern - insgesamt gab es 13 davon. Zahlen in "Mark-2" wurden in binärer Form dargestellt. Das binäre Zahlensystem wurde von Leibniz vorgeschlagen, der es für das bequemste für die Verwendung in Computern hielt. (Eine Abhandlung zu diesem Thema wurde 1703 verfasst.) Er entwickelte auch die Arithmetik binärer Zahlen. Im Binärsystem wird, genau wie im Dezimalsystem, das wir gewohnt sind, die Bedeutung jeder Ziffer durch ihre Position bestimmt, nur dass anstelle der üblichen zehn Ziffern nur zwei verwendet werden: 0 und 1. Zum Verständnis Um die binäre Schreibweise einer Zahl zu verstehen, wollen wir zunächst sehen, welche Bedeutung die bekannte dezimale Schreibweise hat. Beispielsweise kann die Zahl 2901 wie folgt dargestellt werden:
Das heißt, die Zahlen 2, 9, 0, 1 geben an, wie viele Einheiten sich in jeder Dezimalstelle der Zahl befinden. Wenn das Binärsystem anstelle des Dezimalsystems verwendet wird, gibt jede Ziffer an, wie viele Einheiten in jeder der Binärziffern enthalten sind. Beispielsweise wird die Zahl 13 binär wie folgt geschrieben:
Das Binärsystem ist ziemlich umständlich (z. B. hat die Zahl 9000 14 Ziffern), ist aber bei der Durchführung arithmetischer Operationen sehr praktisch. Die gesamte darin enthaltene Multiplikationstabelle wird auf eine einzige Gleichheit 1*1=1 reduziert, und für die Addition gelten nur drei Regeln: 1) 0+0 ergibt 0; 2) 0+1 ergibt 1; 3) 1+1 ergibt 0 und setzt 1 auf die höchstwertige Ziffer. Zum Beispiel: 01010 +
Die Anerkennung des Binärsystems in der Computertechnologie war auf die Existenz einfacher technischer Analoga einer Binärziffer zurückzuführen - elektrische Relais, die sich in einem von zwei stabilen Zuständen befinden konnten, von denen der erste mit 0, der andere mit 1 in Einklang gebracht wurde Sehr bequem ist auch die Übertragung einer Binärzahl durch elektrische Impulse von einem Maschinengerät zum anderen. Dazu reichen nur zwei Pulse unterschiedlicher Form aus (oder sogar einer, wenn das Fehlen eines Signals als Null angesehen wird). Es sei darauf hingewiesen, dass Relaismaschinen, die zu Beginn der Computergeschichte entwickelt wurden, in der Computertechnologie nicht lange verwendet wurden, da sie relativ langsam arbeiteten. So wie bei einer mechanischen Maschine die Geschwindigkeit der Berechnungen durch die Geschwindigkeit bestimmt wurde, mit der die digitalen Räder gedreht wurden, so war die Betriebszeit einer Schaltung, die aus einem Relais bestand, gleich der Zeit, die das Relais benötigte, um zu schalten und abzufallen. Inzwischen konnten selbst die schnellsten Relais nicht mehr als 50 Operationen pro Sekunde ausführen. In Mark-2 beispielsweise dauerten Additions- und Subtraktionsoperationen durchschnittlich 0,125 Sekunden, und Multiplikationen dauerten 0,25 Sekunden. Elektronische Analoga von elektromechanischen Relais - Vakuumlampenauslöser - hatten eine viel höhere Geschwindigkeit. Sie wurden zu den Grundelementen der ersten Computergeneration.
Der Abzug wurde bereits 1919 vom russischen Ingenieur Bonch-Bruevich und unabhängig von den Amerikanern Eccles und Jordan erfunden. Dieses elektronische Element enthielt zwei Lampen und konnte sich jederzeit in einem von zwei stabilen Zuständen befinden. Es war ein elektronisches Relais, dh es schaltete bei Vorhandensein eines Steuerimpulssignals die gewünschte Leitung oder den gewünschten Stromkreis ein. Wie ein elektromechanisches Relais könnte es verwendet werden, um eine einzelne Binärziffer darzustellen.
Betrachten wir das Funktionsprinzip eines elektronischen Relais, das aus zwei Vakuumröhren-Trioden L1 und L2 besteht, die sich in einem Zylinder befinden können. Die Spannung von der Anode L1 wird über den Widerstand R1 dem Gitter L2 zugeführt, und die Spannung von der Anode L2 wird dem Gitter L1 über den Widerstand R2 zugeführt. Abhängig von der Position, in der sich der Trigger befindet, gibt er am Ausgang einen niedrigen oder hohen Spannungspegel aus. Nehmen wir zunächst an, dass Lampe L1 offen und L2 geschlossen ist. Dann ist die Spannung an der Anode einer offenen Lampe klein gegenüber der Spannung an der Anode einer geschlossenen Lampe. Da nämlich die offene Lampe L1 Strom leitet, fällt bei einem hohen Anodenwiderstand Ra der größte Teil der Anodenspannung (nach dem Ohmschen Gesetz u = i · R) und nur ein kleiner Teil der Spannung an der Lampe selbst (angeschlossen in Reihe dazu). Umgekehrt ist bei einer geschlossenen Lampe der Anodenstrom Null und die gesamte Spannung der Anodenspannungsquelle fällt über der Lampe ab. Daher fällt von der Anode einer offenen Lampe L1 zum Gitter einer geschlossenen Lampe viel weniger Spannung ab als von der Anode einer geschlossenen Lampe L2 zum Gitter L1. Die an die Gitter beider Lampen angelegte negative Spannung Ec wird so gewählt, dass zuerst die Lampe L2 geschlossen ist, trotz des Vorhandenseins einer kleinen positiven Spannung, die von der Anode der offenen Lampe L1 an das Gitter L2 angelegt wird. Die Lampe L1 ist anfänglich offen, da die von der Anode L2 an das Gitter angelegte positive Spannung viel größer als Ec ist. Durch die Verbindung zwischen den Lampen über die Widerstände R1 und R2 ist der Ausgangszustand also stabil und bleibt beliebig lange erhalten. Betrachten wir nun, was in der Schaltung passiert, wenn von außen eine negative Spannung in Form eines kurzen Stromimpulses von einer solchen Größe an das Gitter einer offenen Lampe L1 angelegt wird, dass sie geschlossen wird. Bei einer Abnahme des Anodenstroms i1 steigt die Spannung an der Anode der Lampe L1 stark an und folglich steigt die positive Spannung am Gitter L2 an. Dies bewirkt, dass der Anodenstrom i2 durch die Lampe L2 erscheint, wodurch die Anodenspannung an der Lampe L2 abnimmt. Das Absenken der positiven Spannung am L1-Gitter führt zu einer noch stärkeren Abnahme des Stroms in L1 usw. Als Ergebnis eines solchen lawinenartigen Wachstumsprozesses mit abnehmendem Strom in L1 und zunehmendem Strom in L2 schließt die Lampe L1 und die Lampe L2 wird geöffnet. Dadurch bewegt sich die Schaltung in eine neue stabile Gleichgewichtslage, die beliebig lange gehalten wird: Der am Eingang 1 anliegende Impuls wird „erinnert“. Das Zurücksetzen des elektronischen Relais in seinen ursprünglichen Zustand kann durch Anlegen eines negativen Spannungsimpulses an den Eingang erfolgen. Der Auslöser hat daher zwei stabile Gleichgewichtspositionen: die anfängliche, in der L1 offen und L2 geschlossen ist, und den sogenannten "erregten" Zustand, in dem L1 geschlossen und L2 offen ist. Die Zeit zum Übertragen eines Triggers von einem Zustand in einen anderen ist sehr kurz. Die Kondensatoren C1 und C2 dienen dazu, den Betrieb der Lampe zu beschleunigen. Die Idee eines Computers, in dem Vakuumröhren als Speicher verwendet werden, gehört dem amerikanischen Wissenschaftler John Mauchly. In den 30er Jahren stellte er mehrere einfache Computergeräte auf Triggern her. Zum ersten Mal verwendete jedoch ein anderer amerikanischer Mathematiker, John Atanasov, elektronische Röhren, um einen Computer zu bauen. Sein Auto war 1942 bereits fast fertig. Doch wegen des Krieges wurde die Finanzierung der Arbeiten eingestellt. Im folgenden Jahr, 1943, entwickelte Mauchly während seiner Tätigkeit an der Moore School of Electrical Engineering an der University of Pennsylvania zusammen mit Presper Eckert sein eigenes Projekt für einen elektronischen Computer. Das US Ordnance Department interessierte sich für diese Arbeit und gab den Bau der Maschine bei der University of Pennsylvania in Auftrag. Mauchli wurde zum Leiter der Arbeit ernannt. Um ihm zu helfen, wurden 11 weitere Ingenieure (einschließlich Eckert), 200 Techniker und eine große Anzahl von Arbeitern gestellt. Zweieinhalb Jahre lang, bis 1946, arbeitete dieses Team an der Schaffung eines "elektronischen digitalen Integrators und Rechners" - ENIAC. Es war eine riesige Struktur mit einer Fläche von 135 Quadratmetern, einer Masse von 30 Tonnen und einem Energieverbrauch von 150 Kilowatt. Die Maschine bestand aus vierzig Platten mit 18000 Vakuumröhren und 1500 Relais. Die Verwendung von Vakuumröhren anstelle von mechanischen und elektromechanischen Elementen ermöglichte jedoch eine dramatische Erhöhung der Geschwindigkeit. ENIAC benötigte nur 0 Sekunden für die Multiplikation und 0028 Sekunden für die Addition, das heißt, es arbeitete tausendmal schneller als die fortschrittlichsten Relaismaschinen. Das ENIAC-Gerät war im Allgemeinen wie folgt. Alle zehn Auslöser waren darin zu einem Ring verbunden und bildeten einen Dezimalzähler, der als Zählrad einer mechanischen Maschine fungierte. Zehn solcher Ringe plus zwei Trigger zum Darstellen des Vorzeichens einer Zahl bildeten ein Speicherregister. Insgesamt hatte ENIAC zwanzig solcher Register. Jedes Register war mit einer Schaltung zur Übertragung von Zehnern ausgestattet und konnte zur Durchführung von Summierungen und Subtraktionen verwendet werden. Andere arithmetische Operationen wurden in speziellen Blöcken durchgeführt. Zahlen wurden von einem Teil der Maschine zum anderen durch Gruppen von 11 Leitern übertragen - einer für jede Dezimalstelle und jedes Vorzeichen der Zahl. Der Wert der übertragenen Zahl war gleich der Anzahl von Impulsen, die durch diesen Leiter flossen. Der Betrieb einzelner Blöcke der Maschine wurde von einem Hauptoszillator gesteuert, der eine Folge bestimmter Signale erzeugte, die die entsprechenden Blöcke der elektronischen Maschine "öffneten" und "schlossen". Die Eingabe von Zahlen in die Maschine erfolgte mit Lochkarten. Die Softwaresteuerung erfolgte über Stecker und Setzfelder (Schaltpult) – so wurden die einzelnen Blöcke der Maschine miteinander verbunden. Dies war einer der signifikanten Mängel des beschriebenen Designs. Es dauerte bis zu mehreren Tagen, die Maschine für die Arbeit vorzubereiten – das Verbinden der Blöcke auf der Schalttafel, während die Aufgabe manchmal in nur wenigen Minuten gelöst war. Im Allgemeinen war ENIAC noch ein ziemlich unzuverlässiger und unvollkommener Computer. Oft schlug es fehl, und die Suche nach einer Störung verzögerte sich manchmal um mehrere Tage. Außerdem konnte diese Maschine keine Informationen speichern. Um den letzten Nachteil zu beseitigen, stellte Eckert 1944 die Idee eines gespeicherten Programms im Gedächtnis vor. Es war eine der wichtigsten technischen Entdeckungen in der Geschichte der Informatik. Der Kern bestand darin, dass die Programmbefehle in Form eines Zahlencodes dargestellt werden mussten, dh im Binärsystem codiert (wie Zahlen) und in die Maschine eingegeben wurden, wo sie zusammen mit den ursprünglichen Zahlen gespeichert wurden. Um diese Befehle und Operationen mit ihnen zu speichern, sollten dieselben Geräte verwendet werden - Auslöser wie für Aktionen mit Zahlen. Aus dem Speicher sollten einzelne Anweisungen in die Steuereinheit abgerufen werden, wo ihr Inhalt decodiert und verwendet wurde, um Zahlen aus dem Speicher an eine Recheneinheit zu übertragen, um Operationen an ihnen durchzuführen und die Ergebnisse an den Speicher zurückzusenden. In der Zwischenzeit, nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs, tauchten nach und nach neue elektronische Computer auf. 1948 schufen die Briten Kilburn und Williams von der University of Manchester die MARK-1-Maschine, in der erstmals die Idee eines gespeicherten Programms umgesetzt wurde. 1947 gründeten Eckert und Mouchli ihr eigenes Unternehmen und starteten 1951 mit der Serienproduktion ihrer UNIVAC-1-Maschinen. 1951 erschien der erste sowjetische Computer MESM von Akademiker Lebedew. Schließlich brachte IBM 1952 seinen ersten Industriecomputer heraus, den IBM 701. Alle diese Maschinen hatten viel gemeinsam in ihrem Design. Wir werden jetzt über diese allgemeinen Funktionsprinzipien aller Computer der ersten Generation sprechen. Elektronische Computer haben, wie Sie wissen, eine echte Revolution auf dem Gebiet der Anwendung der Mathematik gemacht, um die wichtigsten Probleme der Physik, Mechanik, Astronomie, Chemie und anderer exakter Wissenschaften zu lösen. Prozesse, die zuvor völlig unberechenbar waren, wurden recht erfolgreich am Computer modelliert. Die Lösung eines Problems wurde auf die folgenden aufeinanderfolgenden Schritte reduziert: 1) Basierend auf dem Wert des physikalischen, chemischen und anderen Wesens eines untersuchten Prozesses wurde das Problem in Form von algebraischen Formeln, Differential- oder Integralgleichungen formuliert oder andere mathematische Beziehungen; 2) mit numerischen Methoden wurde das Problem auf eine Folge einfacher arithmetischer Operationen reduziert; 3) Es wurde ein Programm zusammengestellt, das die strikte Reihenfolge der Ausführung von Aktionen in der festgelegten Reihenfolge festlegte. (Der Computer führte im Prinzip das gleiche Verfahren aus wie eine Person, die an einer Rechenmaschine arbeitet, aber tausend- oder zehntausendmal schneller.) Die Anweisungen des kompilierten Programms wurden unter Verwendung eines speziellen Codes geschrieben. Jeder dieser Befehle bestimmte eine bestimmte Aktion seitens der Maschine. Jeder Befehl, mit Ausnahme des Codes der ausgeführten Operation, enthielt Adressen. Normalerweise gab es drei davon - die Nummern der Speicherzellen, aus denen die beiden Anfangsnummern entnommen wurden (1. und 2. Adresse), und dann die Nummer der Zelle, an die das Ergebnis gesendet wurde (3. Adresse). So gibt beispielsweise der Befehl +/17/25/32 an, dass die Zahlen in der 17. und 25. Zelle addiert und das Ergebnis an die 32. Zelle gesendet werden sollen. Es könnte auch ein Unicast-Befehl verwendet werden. Um in diesem Fall eine arithmetische Operation mit zwei Zahlen durchzuführen und das Ergebnis zu senden, waren drei Befehle erforderlich: Der erste Befehl rief eine der Zahlen aus dem Speicher an die Recheneinheit, der nächste Befehl rief die zweite Zahl auf und führte die angegebene Operation durch Zahlen, der dritte Befehl schickte das Ergebnis in den Speicher. Die Arbeit des Computers wurde also auf Programmebene ausgeführt. Die Berechnungsprozesse liefen wie folgt ab. Der Betrieb des Computers wurde unter Verwendung von elektronischen Tasten und Schaltern, Logikschaltungen genannt, gesteuert, und jede elektronische Taste schaltete beim Empfang eines Steuerspannungsimpulssignals die gewünschte Leitung oder den elektrischen Stromkreis ein. Der einfachste elektronische Schlüssel könnte bereits eine Drei-Elektroden-Elektronenlampe sein, die gesperrt wird, wenn eine große negative Spannung an ihr Gitter angelegt wird, und öffnet, wenn eine positive Spannung an das Gitter angelegt wird. In diesem Fall kann sein Betrieb als ein Steuerventil dargestellt werden, das Impuls A durch sich selbst leitet, wenn ein Steuerimpuls B an seinen zweiten Eingang angelegt wird.Wenn es nur einen Stromimpuls A oder B gibt, ist das Ventil geschlossen und der Impuls tut es nicht an seinen Ausgang übergeben. Nur wenn also beide Impulse A und B zeitlich zusammenfallen, erscheint am Ausgang ein Impuls. Eine solche Schaltung wird Koinzidenzschaltung oder logische "und"-Schaltung genannt. Daneben wird im Computer eine ganze Reihe weiterer logischer Schaltungen verwendet. Zum Beispiel die "oder"-Schaltung, die einen Ausgangsimpuls ausgibt, wenn er auf Leitung A oder B oder gleichzeitig auf beiden Leitungen erscheint. Ein weiteres logisches Schema ist das "Nein"-Schema. Im Gegensatz dazu verhindert es den Durchgang des Impulses durch das Ventil, wenn gleichzeitig ein anderer Sperrimpuls angelegt wird, wodurch die Lampe blockiert wird. Mit diesen beiden Schaltungen können Sie einen Ein-Bit-Addierer zusammenbauen. Angenommen, die Impulse A und B werden gleichzeitig an die "Nein"- und "Und"-Schaltungen übertragen, und der "Summen"-Bus (Draht) ist mit der "Nein"-Schaltung und der "Übertrags"-Bus mit der "Und"-Schaltung verbunden . Angenommen, an Eingang A wird ein Impuls (d. h. eins) empfangen, aber an Eingang B wird keine Eingabe empfangen. Dann wird "nein" den Impuls zum "Summen"-Bus verpassen, und die "und"-Schaltung wird ihn nicht verpassen, das heißt, das Bit wird "1" lesen, was der binären Additionsregel entspricht. Angenommen, die Eingänge A und B erhalten gleichzeitig Impulse. Das bedeutet, dass der Code von Nummer A „1“ ist und der Code von B ebenfalls „1“. Der „Nein“-Schaltung werden keine zwei Signale entgehen und der „Summen“-Ausgang wird „0“ sein, aber die „Und“-Schaltung wird sie überspringen, und es wird einen Impuls auf dem „Übertragungs“-Bus geben, d. h. „1 " wird an den Addierer des benachbarten Bits übergeben. In den ersten Computern dienten Trigger als Hauptelement des Speichers und als arithmetischer Addierer. Wie wir uns erinnern, hatte die Triggerschaltung zwei stabile Gleichgewichtszustände. Indem einem Zustand ein Codewert von "0" und einem anderen ein Codewert von "1" zugewiesen wurde, war es möglich, Triggerzellen zum vorübergehenden Speichern von Codes zu verwenden. Wenn in Summierschaltungen ein Impuls an den Zähleingang des Triggers angelegt wird, geht dieser von einem Gleichgewichtszustand in einen anderen über, der die Additionsregeln für eine Binärziffer (0 + 0 = 0; 0 + 1 = 1; 1+0=1; 1+1=0 und Übergabe von Eins an das höchstwertige Bit). In diesem Fall wurde die Anfangsposition des Auslösers als Code der ersten Zahl betrachtet, und der angelegte Impuls wurde als Code der zweiten Zahl betrachtet. Das Ergebnis wurde auf der Triggerzelle gebildet. Um eine Summierschaltung für mehrere Binärziffern zu realisieren, musste die Übertragung einer Einheit von einer Ziffer zur anderen sichergestellt werden, was durch eine spezielle Schaltung durchgeführt wurde. Der Addierer war der Hauptteil der Recheneinheit der Maschine. Der Addierer zur parallelen Addition von Zahlencodes auf einmal für alle Ziffern hatte so viele einstellige Addierer, wie der Zahlencode Binärziffern enthielt. Die addierten Zahlen A und B kamen aus Speichergeräten in den Addierer und wurden dort mit Hilfe von Flip-Flops gespeichert. Die Register bestanden ebenfalls aus mehreren miteinander verbundenen Flip-Flops T1, T2, T3, T'1, T'2 usw., in die der Zahlencode für alle Ziffern parallel vom Aufzeichnungsgerät eingespeist wurde. Jedes Flip-Flop speicherte einen einstelligen Code, sodass n elektronische Relais erforderlich waren, um eine Zahl mit n Binärziffern zu speichern. Die in den Registern gespeicherten Zahlencodes wurden gleichzeitig für jede Ziffer unter Verwendung von Addierern S1, S2, S3 usw. addiert, deren Anzahl gleich der Anzahl der Ziffern war. Jeder einstellige Addierer hatte drei Eingänge. Dem ersten und zweiten Eingang wurden die Codes der Zahlen A und B der gleichen Ziffer zugeführt. Der dritte Eingang diente zur Übertragung des Transfercodes der vorherigen Ziffer.
Als Ergebnis der Addition der Codes eines gegebenen Bits wurde der Summencode auf dem Ausgangsbus des Addierers erhalten, und der Code "1" oder "0" für die Übertragung zum nächsten Bit wurde auf dem "Übertragungs"-Bus erhalten. Nehmen wir zum Beispiel an, es wäre erforderlich, zwei Zahlen A = 5 (im Binärcode 0101) und B = 3 (im Binärcode 0011) zu addieren. Als diese Zahlen parallel addiert wurden, wurden die Codes A1 = 2, A3 = 1, A1 = 2, A0 = 3 und B1 = 4, B0 = 1, B1 = 2, B1 = 3 jeweils an die Eingänge A0, A4 angelegt und A0 des Addierers. Als Ergebnis der Addition der Codes der ersten Ziffer im Addierer S1 erhalten wir 1+1=0 und den Transfercode "1" zur nächsten Ziffer. Der Addierer S2 fügte drei Codes hinzu: die Codes A2, B2 und den Übertragscode von dem vorherigen Addierer S1. Als Ergebnis erhalten wir 0+1+1=0 und den Transfercode „1“ zur nächsten dritten Ziffer. Der Addierer S3 addiert die Codes der dritten Ziffer der Zahlen A und B und den Transfercode "1" von der zweiten Ziffer, das heißt, wir haben 1+0+1=0 und übertragen wieder auf die nächste vierte Ziffer. Als Ergebnis der Addition auf die „Summe“-Reifen erhalten wir den Code 1000, der der Zahl 8 entspricht. Im Jahr 1951 machte Joy Forrester eine wichtige Verbesserung im Design des Computers, indem sie den Speicher auf Magnetkernen patentierte, die an ihnen angelegte Impulse für eine beliebig lange Zeit speichern und speichern konnten.
Die Kerne wurden aus Ferrit hergestellt, das durch Mischen von Eisenoxid mit anderen Verunreinigungen erhalten wurde. Es gab drei Wicklungen auf dem Kern. Die Wicklungen 1 und 2 dienten dazu, den Kern in die eine oder andere Richtung zu magnetisieren, indem sie mit Impulsen unterschiedlicher Polarität beaufschlagt wurden. Wicklung 3 war die Ausgangswicklung der Zelle, in der der Strom induziert wurde, wenn der Kern ummagnetisiert wurde. In jedem Kern wurde durch seine Magnetisierung eine Aufzeichnung eines Impulses gespeichert, der einer Ziffer einer Zahl entspricht. Aus den in einer bestimmten Reihenfolge verbundenen Adern konnte immer schnell die gewünschte Anzahl ausgewählt werden. Wenn also ein positives Signal durch die Kernwicklung angelegt wurde, dann ist der Kern positiv magnetisiert, bei einem negativen Signal war die Magnetisierung negativ. Somit wurde der Zustand des Kerns durch das aufgezeichnete Signal charakterisiert. Beim Lesen durch die Wicklung wurde ein Signal einer bestimmten Polarität angelegt, beispielsweise positiv. Wenn der Kern zuvor negativ magnetisiert war, wurde er neu magnetisiert - und in der Ausgangswicklung entstand ein elektrischer Strom (gemäß dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion), der vom Verstärker verstärkt wurde. Wenn der Kern positiv magnetisiert war, änderte sich sein Zustand nicht - und in der Ausgangswicklung erschien kein elektrisches Signal. Nach Auswahl des Codes musste der ursprüngliche Zustand des Kerns wiederhergestellt werden, was durch eine spezielle Schaltung durchgeführt wurde. Diese Art von Speichergerät ermöglichte das Abtasten von Zahlen in wenigen Mikrosekunden. Große Mengen an Informationen wurden auf externen Medien wie Magnetbändern gespeichert. Die Aufzeichnung von elektrischen Impulsen ähnelte hier der Aufzeichnung von Ton auf einem Tonbandgerät: Stromimpulse wurden durch die Magnetköpfe geleitet, die die entsprechenden Stellen des vorbeilaufenden Bandes magnetisierten. Beim Lesen induziert das Restmagnetisierungsfeld, das unter den Köpfen hindurchgeht, elektrische Signale in ihnen, die verstärkt und in die Maschine eingespeist werden. Auf die gleiche Weise wurden Informationen auf einer Magnettrommel aufgezeichnet, die mit einem ferromagnetischen Material bedeckt war. In diesem Fall könnten Informationen schneller gefunden werden. Autor: Ryzhov K.V.
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