Charles Babbage (1791-1871) – průkopník ve vytváření výpočetní techniky, který vyvinul 2 třídy počítačů – rozdílový a analytický. První z nich získal svůj název díky matematickému principu, na kterém je založen – metodě konečných diferencí. Jeho krása spočívá v jeho výhradním použití aritmetického sčítání, aniž by bylo nutné uchýlit se k násobení a dělení, které je obtížné mechanicky implementovat.
Více než kalkulačka
Babbage's Difference Engine je počítací zařízení. Manipuluje s čísly jediným možným způsobem, neustále je sčítá podle metody konečných rozdílů. Nelze jej použít pro obecné aritmetické výpočty. Babbage's Analytical Engine je mnohem víc než jen kalkulačka. Představuje přechod od mechanizované aritmetiky k univerzálním počítačům v plném rozsahu. V různých fázích vývoje Babbageových myšlenekbyly tam minimálně 3 projekty. Proto se jeho analytické motory nejlépe označují v množném čísle.
Pohodlí a technická efektivita
Babbageovy počítače jsou desítkové v tom smyslu, že používají 10 číslic od 0 do 9, a digitální v tom, že pracují pouze s celými čísly. Hodnoty jsou reprezentovány ozubenými koly a každá číslice má své vlastní kolo. Pokud se zastaví v mezilehlé poloze mezi celočíselnými hodnotami, pak je výsledek považován za neurčitý a stroj je zablokován, aby ukázal narušení integrity výpočtů. Toto je forma detekce chyb.
Babbage také zvažoval použití jiných číselných soustav než desítkových, včetně binárních a základních 3, 4, 5, 12, 16 a 100. Rozhodl se pro desetinnou soustavu kvůli její znalosti a technické účinnosti, protože značně snižuje počet pohyblivých částí.
Rozdílový motor 1
V roce 1821 začal Babbage vyvíjet mechanismus určený k výpočtu a tabelování polynomiálních funkcí. Autor jej popisuje jako zařízení pro automatický výpočet posloupnosti hodnot s automatickým tiskem výsledků ve formě tabulky. Nedílnou součástí návrhu je tiskárna mechanicky propojená s výpočtovou sekcí. Difference Engine 1 je první kompletní návrh pro automatický výpočet.
Čas od času Babbage změnil funkčnost zařízení. Návrh z roku 1830 zobrazuje stroj navržený pro 16 číslic a 6 rozdílů. Model se skládal z 25 tisíc dílů, rozdělených rovným dílem mezi výpočetní část a tiskárnu. Kdyby bylo zařízení postaveno, vážilo by odhadem 4 tuny a bylo by vysoké 2,4 m. Práce na Babbageově diferenciálním motoru byly zastaveny v roce 1832 po sporu s inženýrem Josephem Clementem. Vládní financování nakonec skončilo v roce 1842
Analytický stroj
Když se práce na rozdílovém aparátu zastavily, Babbage v roce 1834 vymyslel ambicióznější zařízení, které se později stalo známým jako analytický univerzální programovatelný výpočetní stroj. Konstrukční vlastnosti Babbageova stroje do značné míry odpovídají základním stavebním prvkům moderního digitálního počítače. Programování se provádí pomocí děrných štítků. Tento nápad byl převzat ze žakárového stavu, kde se používají k vytváření složitých textilních vzorů.
Logická struktura Babbageova analytického enginu v zásadě odpovídá dominantnímu návrhu počítačů elektronického věku, který implikuje přítomnost paměti ("úložiště"), oddělené od centrální procesorové jednotky ("mlýnek"), sekvenční provádění operací a zařízení pro vstup a výstup dat a instrukcí. Autor vývoje proto získal titul průkopníka výpočetní techniky zcela zaslouženě.
Paměť a CPU
Babbageův stroj má „úložiště“, kde se ukládají čísla a mezivýsledky, a také samostatný „mlýn“, kde se provádí aritmetické zpracování. Měla sadu 4 aritmetických funkcí a uměla provádět přímé násobení a dělení. Kromě toho bylo zařízení schopno provádět operace, které se dnes nazývají podmíněné větvení, smyčka (iterace), mikroprogramování, paralelní zpracování, fixace, tvarování pulzů atd. Sám autor takovou terminologii nepoužil.
CPU analytického motoru Charlese Babbage, který nazval „mlýn“, poskytuje:
- ukládání čísel, se kterými se operace provádějí okamžitě, v registrech;
- má hardware k provádění základních aritmetických operací;
- převedení uživatelsky orientovaných externích instrukcí na podrobnou vnitřní kontrolu;
- systém časování (hodiny) pro provádění pokynů v pečlivě zvoleném pořadí.
Řídící mechanismus analytického enginu provádí operace automaticky a skládá se ze dvou částí: nižší úroveň ovládaná masivními bubny zvanými sudy a vysoká úroveň pomocí děrných štítků navržených Jacquardem pro tkalcovské stavy široce používané na počátku 19. století.
Výstupní zařízení
Výsledek výpočtů se zobrazuje různými způsoby, včetně tisku, děrných štítků, vykreslování aautomatická výroba stereotypů - podnosy z měkkého materiálu, na které se tiskne výsledek, schopné sloužit jako forma pro odlévání desek pro tisk.
Nový design
Babbageova průkopnická práce na analytickém motoru byla z velké části dokončena v roce 1840 a začala vyvíjet nové zařízení. V letech 1847 až 1849 dokončil vývoj Difference Engine č. 2, což byla vylepšená verze originálu. Tato modifikace byla navržena pro operace s 31bitovými čísly a mohla tabelovat libovolný polynom 7. řádu. Konstrukce byla výjimečně jednoduchá, vyžadovala pouze třetinu počtu dílů původního modelu a přitom poskytovala stejný výpočetní výkon.
Rozdíl a analytické motory Charlese Babbage využívaly stejný design výstupního zařízení, které nejen vytvářelo tisky na papír, ale také automaticky vytvářelo stereotypy a nezávisle provádělo formátování podle rozvržení stránky určeného operátorem. Zároveň bylo možné upravit výšku řádku, počet sloupců, šířku polí, automatické skládání řádků či sloupců a uspořádání prázdných řádků pro čitelnost.
Legacy
Kromě několika částečně vytvořených mechanických sestav a testovacích modelů malých pracovních sekcí nebyl žádný z návrhů plně realizován za Babbageovy životnosti. Hlavním modelem sestaveným v roce 1832 byl 1/7 diferenciálního motoru č. 1, který sestávalz cca 2 tisíc dílů. Bezchybně funguje dodnes a je prvním úspěšným automatickým výpočetním zařízením, které do mechanismu implementuje matematické výpočty. Babbage zemřel, když byla sestavována malá experimentální část analytického motoru. Zachovalo se mnoho detailů stavby a také kompletní archiv nákresů a poznámek.
Babbageovy návrhy obrovských mechanických počítačů jsou považovány za jeden z úžasných intelektuálních úspěchů 19. století. Teprve v posledních desetiletích byla jeho práce podrobně studována a důležitost toho, co udělal, je stále zjevnější.
