Аналитическая машина - Analytical Engine


Из Википедии, свободной энциклопедии
Пробная модель части аналитической машины, построенный Бэббидж, как показано в Научном музее (Лондон)

Аналитическая машина была предложена механическая компьютер общего назначения разработан английским математиком и пионера компьютерных Чарльза Бэббиджа . Впервые он был описан в 1837 году в качестве преемника Бэббиджа разностного двигателя , конструкция для более простого механического компьютера.

Аналитическая машина включена в арифметико - логическое устройство , поток управления в виде условного ветвления и петель , и встроенной памяти , что делает его первый дизайн для компьютера общего назначения , которые могут быть описаны в современных терминах как Тьюринг-полный . Другими словами, логическая структура аналитической машины была по существу такой же , как то , что доминировал компьютерный дизайн в электронную эру .. Аналитическая система является одним из самых успешных достижений Чарльза Бэббиджа.

Бэббидж не смог завершить строительство любого из своих машин из - за конфликтов с его главным инженером и недостаточным финансированием. Он не был до конца 1940 - х годов , что первые компьютеры общего назначения , на самом деле были построены, более века после того, как Бэббидж предложил новаторскую аналитическую машину в 1837 году.

дизайн

Два типа перфокарт , используемых для программирования машины. Передний план: «операционные карты», для ввода инструкций ; фон: «переменные карты», для ввода данных

Первая попытка Бэббиджа на механическом вычислительном устройстве, то Difference Engine , был специальный универсальный станок предназначен для табулирования логарифмов и тригонометрических функций путем оценки конечных разностей для создания аппроксимирующих полиномов . Строительство этой машины не было завершено; Бэббидж конфликтовал со своим главным инженером Джозефом Климентом , и в конечном счете , британское правительство отозвало свое финансирование проекта.

В ходе этого проекта, он понял, что гораздо более общий дизайн, Analytical Engine, был возможен. Работа по проектированию аналитической машины началась в с. 1833.

Вход, состоящий из программ и данных ( «формул» и «данных») должны был быть предоставлен к машине с помощью перфокарт , метод используется в то время , чтобы направить механические ткацкие станки , такие как жаккардовый ткацкий станок . Для вывода, машина будет иметь принтер, плоттер и кривой колокола. Машина также будет иметь возможность пробивать номера на карты , чтобы прочитать позже. Она использовала обычную основанию 10 арифметику с фиксированной запятой.

Был быть магазин (то есть, запоминающее устройство) , способный удерживать 1000 числа 40 десятичных цифр каждая (приблизительно 16.2 кБ ). Арифметическое устройство (далее «мельница») будет иметь возможность выполнять все четыре арифметических операции , плюс сравнение и необязательно квадратные корни . Изначально (1838) он был задуман как разница двигателя изогнут назад на себя, в общем , кольцевой планировки, с тех пор магазин , выходящий на одну сторону. Более поздние рисунки (1858) изображают регуляризованный макет сетки. Как и центральный процессор (CPU) в современном компьютере, мельница будет опираться на своих собственных внутренние процедуры , которые будут храниться в виде штифтов , вставленных в вращающиеся барабанах называемых «бочками», чтобы выполнить некоторые из более сложных инструкций программа пользователя может указать.

Язык программирования использоваться пользователями было сродни современным день языков ассемблера . Циклы и условные переходы были возможны, и поэтому язык , как задумано было бы Тьюрингу , как позже определено Алан Тьюринг . Были использованы три различных типа перфокарт: один для арифметических операций, один для числовых констант, и один для загрузки и сохранения операций, передачи номера из магазина в арифметическом блоке или обратно. Существовали три отдельных читателей для трех типов карт. Бэббидж разработал около двух десятков программ для аналитической машины между 1837 и 1840 годами, и одна программой позже. Эти программы лечения полиномы, итерационные формулы, Гаусса и чисел Бернулли .

В 1842 году итальянский математик Менабреа опубликовал описание двигателя , основанный на лекции Бэббиджа на французском языке. В 1843 году, описание было переведено на английский язык и широко прокомментировано Ада Лавлейс , который заинтересовался в двигателе восемь лет назад. В знак признания ее дополнения к статье Menabrea, который включал в себя способ для вычисления чисел Бернулли , используя машину (широко считается первой полной компьютерной программы), она была описана как первый компьютерный программист .

строительство

Генри Аналитическая машина Бэббиджа мельница, построенная в 1910 году в Научном музее (Лондон)

В конце своей жизни, Бэббидж искал способы построения упрощенной версии машины, и собрал небольшую часть его до своей смерти в 1871 году.

В 1878 году комитет по Британской ассоциации содействия развитию науки описал Analytical Engine , как «чудо механической изобретательности», но рекомендовал строить его. Комитет признал полезность и ценность машины, но не смог оценить стоимость строительства, и не были уверены , будет ли машина работать правильно после того, как строится.

Intermittently с 1880 по 1910 году , сын Бэббиджа Генри Прево Бэббидж строил часть мельницы и печатающее устройство. В 1910 году он был в состоянии вычислить (неисправный) список кратных р . Это составляло лишь небольшую часть всего двигателя; он не был программируемым и не было хранения. (Популярные изображения этого раздела иногда было неправильно маркированы, подразумевая , что это была вся мельница или даже весь двигатель.) Генри Бэббидж «Аналитическая машина мельница» на выставке в Музее науки в Лондоне. Генри также предложил построить демонстрационный вариант полного двигателя, с меньшим объемом памяти: «возможно , для первой машины десять (столбцов) будет делать, с пятнадцатью колес в каждом». Такой вариант может управлять 20 номеров 25 цифр каждый, и что это может быть сказано , чтобы сделать с этими номерами все еще может быть впечатляющим. «Это всего лишь вопрос о картах и времени», пишет Генри~d Бэббидж в 1888 году,»... и нет никаких причин , почему (двадцать тысяч) карт не должны использоваться , если это необходимо, в аналитической машине для целей математики ».

В 1991 году в Лондоне Музей науки построили полный и рабочие образец Бэббиджа Разница двигателя № 2 , дизайн , который включал уточнений Бэббидж , обнаруженные в ходе разработки аналитической машины. Эта машина была построена с использованием материалов и инженерные допусков , которые были бы доступны для Бэббиджа, подавляя предположение , что проекты Бэббиджа не могли быть произведены с использованием технологии изготовления своего времени.

В октябре 2010 года Джон Грэм-Камминг начал «план 28» кампанию по сбору средств на «открытой подписке» , чтобы включить серьезное историческое и научное исследование планов Бэббиджа, с тем чтобы затем построить и протестировать полностью работающую виртуальную конструкцию , которая будет затем в свою очередь , позволит строительство физической аналитической машины. По состоянию на май 2016 года, само строительство не было предпринято, так как не соответствует пониманию еще не могло быть получено из оригинальных чертежей Бэббиджа. В частности , было неясно , сможет ли он справиться с индексированные переменные , которые были необходимы для Бернулли программы Лавлейс. К 2017 году усилие «План 28» сообщило , что поисковая база данных все каталогизирован материал были доступны, и первоначальный обзор Бэббиджа объемистых строчат книги были завершен.

Набор инструкций

План-схема аналитической машины от 1840 г.

Бэббидж не известен, записал явный набор инструкций для двигателя в виде современного процессора руководства. Вместо этого он показал свои программы, как списки государств во время их исполнений, показывая, что оператор был запущен на каждый шаг с небольшим указанием того, как поток управления будет руководствоваться.

Алан Г. Бромли предположил , что колода может быть прочитана вперед и назад направление , как функция условного ветвления после тестирования для условий, которые сделали бы двигатель Тьюринг-полным:

... карты могут быть заказаны для перемещения вперед и назад (и, следовательно, петли) ...

Введение в первый раз, в 1845 году, операций пользователя для различных сервисных функций, в том числе и, что самое главное, эффективной системы управления пользовательской зацикливание в пользовательских программах. Там нет никаких указаний, как указано направление поворота операции и переменных карт. При отсутствии других доказательств, мне пришлось принять минимальное предположение по умолчанию, как операции и переменных карты можно повернуть только в обратном направлении, как это необходимо для выполнения петель, используемых в программах выборочного Бэббиджа. Там не было бы никакой механической или микропрограммной трудности в размещении направления движения под контролем пользователя.

В их эмуляторе двигателя, Fourmilab сказать:

Card Reader двигателя не ограничивается просто обрабатывать карты в цепи один за другим от начала до конца. Он может, кроме того, направлен на самих картах он читает и советовал активизирован ли разбег рычаг мельницы, либо заранее цепь карты вперед, пропуская промежуточные карты, или в обратном направлении, в результате чего ранее чтения карт, подлежащая обработке снова.

Этот эмулятор не предусматривает письменную символический набор инструкций, хотя это было построено его авторами, а не на основе оригинальных работ Бэббиджа. Например, факториал программа будет записана в виде:

N0 6
N1 1
N2 1
×
L1
L0
S1
-
L0
L2
S0
L2
L0
CB?11

где СВ является команда условного перехода или «комбинация карт» используется, чтобы сделать скачок потока управления, в этом случае в обратном направлении на 11 карт.

Влияние

Прогнозируемое влияние

Бэббидж понял , что существование автоматического компьютера будет разжигать интерес в области , теперь известная как алгоритмическая эффективность , пишущий в его цитатах из жизни философа , «Как только существует аналитический двигатель, он обязательно будет вести дальнейший ход наука. Всякий раз , когда какой - либо результат разыскивается его помощью, тогда возникнет-к вопросу , какой курс расчета могут ли эти результаты быть достигнуты с помощью машины в кратчайших сроках

Информатика

С 1872 года Генри продолжал усердно с работой отца, а затем с перерывами на пенсию в 1875 году.

Percy Ludgate писал о двигателе в 1914 году и создал свой собственный аналитический двигатель (он был составлен в деталях, но никогда не строил) около 1907-1909. Двигатель Лудгейт был бы значительно меньше , чем Бэббиджа около 8 кубических футов (230  л ), и гипотетически был бы способен умножения двух 20-десятичной цифры числа примерно через шесть секунд.

Torres у Quevedo писал о двигателях Бэббиджа в Очерках Автоматики (1913). Книга содержит конструкцию для электромеханической машины , способной вычисления полностью автоматически значение функции.

Ванневар Буш бумаги «s Инструментальный анализ (1936) включал в себя несколько ссылок на работы Бэббиджа. В том же году начал Rapid Арифметическая машина проекта по изучению проблем построения электронного цифрового компьютера.

Несмотря на это наработок, работа Бэббиджа упал в исторической неизвестности, и аналитическая машина была неизвестна строителям электро-механических и электронных вычислительных машин , в 1930 - х и 1940 - х годах , когда они начали свою работу, что приводит к необходимости заново изобретать многие архитектурные инновации предложил Бэббидж. Говард Айкен , который построил быстро-Снятый с электромеханическим калькулятором, в Harvard Mark I , в период между 1937 и 1945, похвалил работу Бэббиджа вероятной как способ повышения его собственный роста, но ничего не знал архитектуры аналитической машины во время строительства Mark I и считал его визит к построенной части аналитической машины «Самое большое разочарование в моей жизни». Mark I не показал никакого влияния от аналитической машины и не хватал наиболее пророческой архитектурную особенности в Аналитическом двигателе, условные ветвящийся . J. Преспер Эккерт и Джон У. Мочли так же не были осведомлены о деталях аналитической работы двигателя Бэббиджа до завершения их разработки для первого электронного компьютера общего назначения, в ENIAC .

Сравнение с другими ранними компьютерами

Если была построена аналитическая машина, это был бы цифровой , программируемой и Тьюринг . Было бы, однако, очень медленно. Менабреа сообщили в Эскиз аналитической машины : «Г - н Бэббидж считает , что он может, его двигатель, образуют произведение двух чисел, каждое из которых содержит двадцать цифр, через три минуты». Для сравнения : Harvard Mark I мог выполнять ту же задачу всего за шесть секунд. Современный компьютер может делать то же самое в хорошо под миллиардной секунды.

название Первый операционный цифра система механизм вычисления программирование Тьюринга объем памяти
Difference Engine Не построен до 1990-х годов Десятичный механический Не программируется; начальные числовые константы полиномиальных различий установлены физически нет Физическое состояние колес в осях
Аналитическая машина Пока не построен Десятичный механический Программно-управляемый с помощью перфокарт да Физическое состояние колес в осях
Бомбы (Польша, Великобритания, США) 1939 ( польский ), март 1940 (Великобритания), май 1943 (США) Символьные вычисления Электро-механический Не программируется; шифров параметры ввода, указанные соединительные кабели нет Физическое состояние роторов
Цузе Z3 (Германия) Май 1941 Binary с плавающей точкой Электро-механический Программно-управляемый с помощью перфорированной 35 мм пленки на складе В принципе Механические реле
Атанасов-Берри Computer (США) 1942 двоичный Электронный Не программируется; Коэффициенты линейной системы ввода с помощью перфокарт нет Регенеративная память конденсатора
Colossus Mark 1 (UK) декабрь 1943 двоичный Электронный Программно-управляемый с помощью соединительных кабелей и коммутаторов нет Термоэмиссионные клапаны (вакуумные трубки) и тиратроны
Harvard Mark I  - IBM ASCC (США) Май 1944 Десятичный Электро-механический Программно-управляемый с помощью 24-канальной перфоленты (но не условного перехода) нет Механические реле
Цузе Z4 (Германия) Март 1945 (или 1948) Binary с плавающей точкой Электро-механический Программно-управляемый с помощью перфорированной 35 мм кинопленки да Механические реле
ENIAC (США) Июль 1946 Десятичный Электронный Программно-управляемый с помощью соединительных кабелей и коммутаторов да Вакуумные трубки триода флип-флоп
Manchester младенец (UK) 1948 двоичный Электронный Binary программа вводится в память клавиатуры (первая электронная предоплаченной программа цифрового компьютера) да Williams электронно-лучевая трубка

В популярной культуре

  • В киберпанке романисты Уильям Гибсон и Брюс Стерлинг является соавтор стимпанк романа альтернативной истории под названием The Difference Engine , в котором разница и аналитические Двигатели Бэббиджа стали доступны для викторианского общества. Роман исследует последствия и последствия раннего введения вычислительной техники.
  • Существует также упоминание о аналитической машины (или Заводной Уроборос , как это также известно там) в Книге войны , в Faction Paradox антологии под редакцией Лоуренса Майлза . Эта машина была использована для расчета пути в «Одиннадцать Дне Империю». Его использование привело к разрушению первоначальных палат парламента .
  • В романе Street Station Пердиды , британский автор Китай Miéville , двигатели , аналогичные Бэббиджа служат «мозгами» для роботизированных конструкций города Нью - Кробюзон. Один такой двигатель развивает даже разумную мысль в связи с рекурсивным алгоритмического цикла.
  • Британская империя из Пешавара Улан по С.М. Стирлинг имеет массивную воду с питанием от аналитического двигателя на Оксфорде , используемый двумя главных героев. Следует отметить , что большинство двигателей работают на паром, и что еще больше один находится в стадии строительства в британской столице в Дели .
  • В Michael Flynn роман В стране слепых , тайное общество , называющее себя Бэббидж Общество тайно финансировало строительство Бэббиджа двигателей в середине 19-го века. В романе, Общество использует двигатели Бэббиджа вместе со статистической наукой под названием Cliology для прогнозирования и управления будущей истории. В процессе, они прогнозируют рост нацистов и случайно начали Гражданскую войну в США.
  • В Neal Stephenson романе Алмазный века , повсеместная молекулярная нанотехнология описываются использовать «стержневую логику» , аналогичной воображают конструкциями Бэббиджа для аналитической машины.
  • Мориарти по модему , короткий рассказ Джека Nimersheim, описывает альтернативную историю , где Аналитическая машина Бэббиджа был действительно завершена , и была сочтена строго засекреченным британским правительством. Персонажи Шерлок Холмса и Мориарти были на самом деле были множеством прототипов программ , написанных для аналитической машины. Этот короткий рассказ следует Холмсу, его программа реализована на современных компьютерах , и он вынужден конкурировать с его Немезидом еще раз в современных двойниках Аналитической машины Бэббиджа.
  • Подобная установка используется Сидней Падуе в комикс Захватывающее Приключения Лавлейс и Бэббидж . Он имеет альтернативную историю , где Ада Лавлейс и Бэббидж построили аналитическую машину и использовать его для борьбы с преступностью в Queen Victoria запроса «s. Комиксы основаны на тщательных исследованиях по биографии и переписки между Бэббиджем и Лавлейсом, который затем скручен для юмористического эффекта.
  • Грузия на My Mind является новелла от Чарльза Шеффилда , который включаетсебя две основные темы: вдовства и поиски легендарного Бэббиджа компьютера.
  • Хью Кук «ы фантазии романы Wishstone и чудотворцы и везирь и колдунья оснащены Analytical Engine , созданный ученым Иван Петров. Он используется для расчета налога на прибыль.
  • В Arm Ориона онлайн проект включает Machina Babbagenseii , полностью чувствующий Бэббидж вдохновил механические компьютеры. Каждый размер крупного астероида, способного только выжить в условиях микрогравитации, и обрабатывает данные на уровне 0,5% скорость человеческого мозга.
  • Летающие корабли в аниме Last Exile видели , чтобы иметь аналитические двигатели внутри них. Хотя некоторые из них более продвинутых технологий, общие корабли используют аналитические двигатели, и даже некоторые из самых современных кораблей видели , чтобы иметь механизмы заводных , а также.
  • Рабочая версия аналитической машины, созданный вымышленный изобретатель Эрнест Хардинг (и на основе концепции Бэббиджа) был показан на Murdoch Mysteries (также называемый Ловкий детектив), в сезон 5, серия 9, изобретение Конвенции .

Рекомендации

Список используемой литературы

внешняя ссылка