1840 Babbage Steam Computer oder Differenzmaschine

Irgendwann im 19. Jahrhundert erfand Charles Babbage den ersten Computer, dann hatte das Wort „Computer“ eine andere Bedeutung und er nannte seine Erfindung eine Differenzmaschine oder eine Analysemaschine. Der geniale Erfinder war seiner Zeit voraus, hat seine Erfindung aber leider nicht abgeschlossen, und nur hundert Jahre später wurde der erste echte Computer erfunden, aber das ist eine andere Geschichte. Und der heutige Artikel über die Babbage Analytical Engine.

Nach den Zeichnungen von Babbage sollte die Maschine aus folgenden Teilen bestehen:


1. Lager - Festplatte, Speicher; 2. Mühle - Prozessor; 3. Dampfmaschine - Stromversorgung; 4. Drucker - Drucker; 5. Karten der Operationen - Programme; 6. Variable Karten - Adressierungssystem; 7. Numerische Karten - zur Eingabe von Zahlen; 8. Steuertrommeln - Mikroprogramme.

Selbstberechnungsmaschine

In diesem Artikel werden wir versuchen, die Struktur der analytischen Maschine herauszufinden, aber zunächst sollte angemerkt werden, dass sie zur Familie der seit den 1740er Jahren weit verbreiteten „automatischen“ (Selbst-) Mechanismen gehört.



Obwohl Babbage die Verwendung dieses Konzepts vermieden hat, wurde es in den Nachrichten und Veröffentlichungen folgendermaßen beschrieben:

Beim Frühstück hatte ich das Vergnügen, neben Mr. Babbage zu sitzen, dem Erfinder der in unseren Kreisen bekannten selbstberechnenden Maschine. Sein Blick scheint so durchdringend, als ob er die Wissenschaft - oder jedes andere Objekt, das zum Objekt seiner Aufmerksamkeit geworden ist - durch und durch sieht.
Edie Sedgwick, 1841

Der Fliehkraftregler ist der erste der „selbsttätigen“ Mechanismen des Industriezeitalters. Er ist übrigens einer der bekanntesten Teile der Dampfmaschine.


Wenn der Motor beschleunigt, weichen die Kugeln unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft von der Achse ab. Dadurch bewegt sich die Kupplung und schränkt den Dampfstrom ein, und die Maschine verlangsamt sich. Durch Verlangsamung der Maschine werden die Kugeln abgesenkt und das Ventil geöffnet - der Dampfstrom öffnet sich, der Kreislauf wird geschlossen.

Das Design der Differenzmaschine selbst ähnelte Arithmometern, und wie Arithmometer bestand die Maschine aus einer langen Reihe von Zahnrädern, die Zahlen addieren und dann die Summe ausgeben.



Irgendwann im Jahr 1834 verbesserte Babbage das Design und dank der Rückgabe des Betrags an das Auto wurden komplexere Berechnungen verfügbar.

Die Arbeit der Analysemaschine basierte genau darauf, „ihren Schwanz zu verschlingen“, und das System funktionierte dank einer komplexen Kette von Zahnrädern, die von Lochkarten und Trommeln gesteuert wurden, die Mengen berechneten und die Ergebnisse an ein Lager schickten, das aus einer Reihe von Zahnrädern bestand.

Fast alles interagierte so:

1. Operationskarten (A) geben variable Karten (B) an, für die Sie Zahlen für Berechnungen anfordern müssen.
2. Zahlen werden von numerischen Karten (C) oder von einem Lager (D) eingegeben und kommen abwechselnd an der Eingabeachse (E) an;
3. Die Eingangsachse überträgt Zahlen auf die zentralen Räder (F);
4. Die Operationskarte gibt einen Befehl zum Addieren von Zahlen oder Multiplizieren oder auf andere Weise, und die Rollen (G) drehen sich in die Position, in der ihre Stifte der Operation entsprechen.
5. Die Trommeln aktivieren die Hebel, indem sie die Mühlenräder (H) mit den Zentralrädern verbinden. Und bereits in der Mühle sind bestimmte Geräte für Addition, Multiplikation und andere Aktionen verantwortlich.
6. Zahnräder führen die Multiplikation der ursprünglichen Zahlen durch;
7. Die Mühle kann bei Bedarf Aktionen schleifen und Befehle an verschiedene Abschnitte der Lochkarte übertragen.
8. Das Ergebnis fällt auf die Ausgangsachse (I).
9. Die Ausgabeachse überträgt Daten an den Drucker (D) oder sendet sie gemäß variablen Karten an das Lager.
10. Operationskarten geben einen Befehl zum Klingeln (J) und zum Stoppen der Maschine. Das ist alles!

Speicher: Lager

Jeder Computer, Dampf oder Elektronik, erfordert die Fähigkeit, Daten zu speichern. In Babbages Erfindung wurde es als Lagerhaus bezeichnet und bestand wie fast die gesamte Maschine aus Zahnrädern in hohen Säulen. In jeder der Spalten wurde nur eine Nummer nicht länger als fünfzig Stellen gespeichert, und das obere Rad wurde positiv oder negativ bestimmt.

Nach meinen Schätzungen wird es lange dauern, bis diese Beschränkungen nicht mehr den Bedürfnissen der Wissenschaft entsprechen.
Charles Babbage

In Babbages Zeichnungen bestand das Lager aus zwei parallelen Reihen mit hohen numerischen Spalten, in denen jeweils eine Nummer gespeichert war. Eine der Seiten des Lagers kommunizierte mit der Mühle.

Zusätzlich zu Zahnrädern könnten Zahlen in Form von Lochkombinationen in numerischen Diagrammen gespeichert werden:

In seinen Diagrammen stellte Charles eine Reihe von Spalten dar, die über den Rand des Blattes hinausgingen, und gab nicht die endgültige Anzahl von Zahlen an, an die sich die endgültige Version der Maschine erinnern konnte.

Reiki und variable Karten für die Datenübertragung

Für die Übertragung von Nummern vom Lager zum Auto verwendete Babbage erneut die Zahnräder des Racks mit langen Zähnen. Jedes der numerischen Räder des Lagers wurde unter Verwendung von Zahnrädern mit den Schienen verbunden, und mit ihrer Hilfe wurden die Werte auf eine spezielle Ringsäule zwischen der Mühle und dem Lager übertragen, und auf die gleiche Weise wurden die Nummern zurück in das Lager übertragen.


Die Räder von Lager A sind durch ein Zahnrad mit der Schiene B verbunden. Beim Nullstellen dreht das Salatrad die Eingangsachse in die Position der übertragenen Nummer.


Um die Nummer vom anderen Ende des Lagers zu übertragen, war eine mehrere Meter lange Zahnstange erforderlich.

Variable Karten zeigen Adressen im Lager, aus denen Nummern entnommen werden. Dieselben Karten können so programmiert werden, dass sie Werte von numerischen Karten empfangen.
Jede Adresse ist auf der variablen Karte in Form von Löchern markiert, und ihre Kombination schaltet bestimmte Hebel um:




Befindet sich kein Loch in der Karte, ist der Hebel nicht eingerastet. Sobald das Loch angezeigt wurde, verband der Hebel das Zahnrad mit der Halterung. Und das mit der Halterung ansteigende Zahnrad verband das Eingangsrad mit der Zahnstange.

Mühlencomputer

Nachdem die Zahlen in die Mühle gelangt sind, beginnt der Hauptteil der Arbeit der Maschine - arithmetische Operationen, die immer wieder ausgeführt werden.

Von Babbage wurden einzelne Knoten für Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division sowie einer seiner Lieblingsmechanismen entwickelt - die Vorübersetzung.

In seinen Veröffentlichungen humanisierte Babbage die Maschine und schrieb über „End-to-End-Transfer“:

Im Falle einer End-to-End-Übertragung kann die Maschine antizipieren und entsprechend antizipieren.
Charles Babbage

Bevor die Nummer übertragen wurde, musste sie natürlich hinzugefügt werden, und das geschah folgendermaßen:



Rad A wird auf Null zurückgesetzt und die erste Nummer darauf gesetzt. Die zweite Zahl wird auf Rad B eingestellt, das mit Rad A gekoppelt ist. Wenn Sie das erste Rad auf Null setzen, wird die darin enthaltene Zahl zum Wert auf Rad B addiert.

Nehmen Sie zum Beispiel:



Erinnern Sie sich an die Schularithmetik, nämlich das Hinzufügen in einer Spalte und Transfereinheiten. Wenn Sie die Ziffern beider Zahlen wie in der Maschine in Spalten platzieren und sie durch Ziffern hinzufügen, erfolgt im ersten Fall keine Übertragung, im zweiten Fall wird die Einheit übertragen, und im dritten Fall beträgt die Summe 9, aber die zuvor übertragene Einheit leitet die Übertragung ein.

Wenn die Differenzmaschine in Betrieb ist, können wellenförmige Bewegungen der Übertragungshebel an der Rückseite der Maschine beobachtet werden. Wellen treten aufgrund aufeinanderfolgender Übertragungen von Einheiten von unten nach oben auf, wobei überprüft wird, ob neue Übertragungen eingeleitet wurden.


Dieses Ding trägt das Gerät einzeln von unten nach oben!

Programme

Zu dieser Zeit gab es keine Programme, oder besser gesagt, sie wurden bereits erfunden, aber dann wurden sie Operationskarten genannt und sahen ungefähr so ​​aus:


Operations Map

Die Programme wurden von Ada Lovelace behandelt, und wie echte Aristokraten gaben sie den Trommeln und variablen Karten Befehle, ohne die Arbeitsmechanismen zu kontaktieren. Selbst das einfache Hinzufügen beinhaltete viele Details, und mit Hilfe einer großen Trommel konnte ein Hebel einen beliebigen Wert für achtzig andere Hebel einstellen.

Entsprechend den Löchern auf den Karten dreht sich die Trommel in verschiedenen Abschnitten zu den Hebeln, die einen bestimmten Code enthalten und unterschiedliche Hebelsätze verwenden.



Und obwohl die Trommeln Laufrädern ähneln, verhalten sie sich anders. Anstelle einer kontinuierlichen Drehung dreht sich die Trommel in eine bestimmte Position und bewegt sich dann vorwärts, wobei der Satz der erforderlichen Hebel gedrückt und aktiviert wird.



Operationskarten steuern sowohl Walzen als auch variable Karten und sehen ungefähr so ​​aus:

Lochkarten

Das erste Lochkartensystem war eine Jacquardmaschine, und es war Babbage, der sich davon inspirieren ließ.


Karte von Jacquard, 1850

Das Prinzip ihrer Funktionsweise ist gleichzeitig einfach und genial: Der Lochkartenhaltehebel wird abgesenkt und die Karte auf den Satz federbelasteter horizontaler Stifte gedrückt. Wenn sich unter dem Stift kein Loch befindet, verschiebt die Karte den Stift und kippt die Stange mit dem Haken so, dass sie am Stift haftet. Dann bewegen sich die Stifte mit daran eingehakten Haken nach oben.

Logik und Zyklen

Lochkarten und Zahnräder sind großartig, aber sie machen die Differenzmaschine nicht zu einem Computer. Von einem Gerät zur Berechnung der Dezimalarithmetik verwandelt sich die Maschine dank eines kleinen Teils - eines bedingten Hebels - in einen Computer.



Dieser Hebel wird automatisch abgesenkt, wenn das Ergebnis der Berechnung weitere Maßnahmen des Programms erfordert. Befindet sich ein Stift an einer bestimmten Position der Trommel und wird dann der Hebel abgesenkt, wird ein neuer Berechnungszyklus gestartet.

Somit schließt der bedingte Hebel den Zyklus und die Maschine „frisst ihren eigenen Schwanz“: Lochkarten steuern die Walzen, die Walzen Maschine, die Maschinenwalzen und die Walzen sind Lochkarten.





Dazu werde ich den heutigen Artikel beenden. Wenn Sie Ergänzungen haben, werde ich gerne in den Kommentaren diskutieren.

Ich wünsche Ihnen einen schönen Tag und genaue Berechnungen!



Referenzen:
„Die unglaublichen Abenteuer von Lovelace und Babbage. Die fast wahre Geschichte des ersten Computers "
Gepostet von: Sidney Padua
Herausgeber: Mann, Ivanov und Ferber, 2017
ISBN: 978-5-00100-943-6