История автоматических вычислителей: программируемая механика

Лекция курса "Языки и методы программирования"
История автоматических вычислителей: программируемая механика
- Аль-Джазари
- Шарманки, музыкальные шкатулки, механическое пианино
- Граммофон
- Ткацкий станок на перфокартах - Бушон, Вокансон, Жаккард

4 октября 2023 (ранние версии: осень 2021, 2022)

Transcript

1. История автоматических
   вычислителей:
   механические вычислители на
   шестеренках,
   часть-2
   

   View Slide

2. Программируемая механика:
   шарманка, граммофон,
   ткацкий станок Бушона/Жаккарда
   

   View Slide

3. Разделение программы и
   исполнительного механизма,
   автоматизация вычислений
   

   View Slide

4. Материалы
   ●
   Computing before computers, под редакцией
   William Aspray, 1990, в числе авторов Allan G.
   Bromley
   ●
   От абака до компьютера, Р. С. ГУТЕР
   Ю.Л.ПОЛУНОВ, 1981
   ●
   A History of Mechanical Inventions, Revised
   Edition, Abbott Payson Usher, 1954
   

   View Slide

5. Ресурсы
   ●
   Archive.org
   ●
   Library Genesis (LibGen): libgen.is, libgen.lc
   (через VPN, любое зеркало)
   ●
   Скайхаб sci-hub.ru
   ●
   Google Books books.google.com
   ●
   Остальной интернет
   

   View Slide

6. View Slide

7. Арифмометр «Феликс»
   (отзыв пользователя)
   ●
   А вообще у нас был последний курс, у которого были лабораторные по математике с
   Феликсом. Следующий год уже был без арифмометра, только Минск-32 и Фортран.
   ●
   Все лабораторные не помню, но вот одна была вычисление определенного интеграла
   методом Лагранжа, что ли. И у меня всё время была ошибка, то в 32 знаке, то в 38,
   то в 40-м. И уже мне светила родная СА, когда товарищ мне дал совет : Вот тебе
   телефончик, ребята считают лабы на ЭВМ, 2 рубля за лабу.
   [...]
   ●
   Феликс нормальный, сложности были при вычислении корней. Пять раз в одну
   сторону, восемь обратно, сдвинуть на разряд, шесть раз крутануть, сдвинуть на
   разряд, но в другую сторону,и так триста раз.....Это для наперсточников, а не для
   инженеров. Хотя в 90-е могло пригодиться.
   ●
   interier, 1i7.livejournal.com/173231.html?thread=759471#t759471
   

   View Slide

8. ●
   Арифметические счетные машины позволяют
   автоматизировать выполнение математических операций
   ●
   Это облегчает труд и уменьшает вероятность ошибиться,
   например, при работе с большими многоразрядными
   числами
   ●
   Но обычно процесс вычислений математической
   формулы подразумевает последовательность
   вычислений, когда для того, чтобы получить финальный
   результат, требуется выполнить не одну, а несколько
   последовательных операций
   

   View Slide

9. ●
   При использовании арифмометра такой процесс требует
   постоянного вмешательства человека: сохранение и ввод
   промежуточных значений для последующих действий,
   контроль последовательности действий
   ●
   Как следствие: низкая производительность труда, высокая
   вероятность ошибиться
   ●
   Вывод: для еще более глубокой автоматизации
   вычислений требуются новые механизмы автоматизации,
   которые позволят уменьшить (или полностью исключить)
   вовлечённость человека в процесс вычислений в том
   числе на промежуточных этапах
   

   View Slide

10. ●
    Devices for the automatic control of mechanisms have a much
    longer history, leading back to the ancient Greek civilizations.
    ●
    Automatic mechanisms were extensively developed in the great
    astronomical clocks of the Renaissance and the automata of the
    eighteenth century.
    ●
    Two devices of particular importance to our story, the pin barrel
    music box and the punched card Jacquard loom, were well
    established by the early nineteenth century.
    ●
    Of considerable importance, but in a more abstract intellectual
    sense, was the development by Stephenson of the ball governor
    for the steam engine and the idea of feedback that it embodies.
    

    View Slide

11. Программируемая механика
    

    View Slide

12. Аль-Джазари
    ●
    механик-изобретатель, математик, астроном
    исламского возрождения (VIII-XIII век)
    ●
    В 1206 году написал трактат «Китаб фи марифат аль-
    хиял аль-хандасийя» (Книга знаний об остроумных
    механических устройствах),
    ●
    где описал конструкцию около 50 механизмов
    ●
    ru.wikipedia.org/wiki/Аль-Джазари
    ●
    en.wikipedia.org/wiki/Ismail_al-Jazari
    

    View Slide

13. Группа «роботов»-музыкантов
    ●
    четыре человекоподобных робота, которых Аль-
    Джазари усадил в лодку и заставил играть на
    барабанах и цимбалах.
    ●
    Во время монарших вечеринок их обычно запускали в
    озеро, и те играли простую музыку.
    ●
    Одна система, задействованная в этих устройствах,
    использовала зажимы и кулачки, помещённые в
    деревянный ящик в определённых местах, которые
    последовательно задействовали рычаги, которые,
    в свою очередь, управляли ударными инструментами.
    

    View Slide

14. View Slide

15. View Slide

16. ●
    The Book of Knowledge of Ingenious Mechanical
    Devices, by Ibn al-Razzaz aI-Jazari
    ●
    Translated and annotated by Donald R. Hill
    Chartered Engineer, B.Sc., M.Litt., Ph.D., 2012
    ●
    archive.org/details/cover_20200113_2057/mode/2up
    ●
    archive.org/details/content_202101/mode/2up
    

    View Slide

17. Шарманка,
    музыкальная шкатулка,
    механическое пианино
    

    View Slide

18. View Slide

19. View Slide

20. View Slide

21. View Slide

22. View Slide

23. View Slide

24. View Slide

25. View Slide

26. View Slide

27. ●
    ru.wikipedia.org/wiki/Шарманка
    ●
    Созданный во Франции в XVII веке примитивный
    экземпляр мог воспроизводить только одну
    мелодию
    ●
    служил для обучения певчих птичек, и название
    было подходящее — «птичий органчик».
    ●
    Наверное, это первый экземпляр, сохранившийся и
    дошедший до нас.
    

    View Slide

28. ●
    soundtimes.ru/starinnye-muzykalnye-instrumenty/sharmanka
    ●
    О применении кулачковых устройств, которые служат для
    образования звука в шарманке, было известно еще с
    античных времен.
    ●
    использовали в конструкциях различного рода
    развлекательных механизмах.
    ●
    в Древней Греции были театры, представляющие
    самодвижущиеся фигурки, которые назывались андроидами и
    передвигались под сопровождение звуков, извлекаемых
    механическим способом.
    

    View Slide

29. ●
    soundtimes.ru/starinnye-muzykalnye-instrumenty/sharmanka
    ●
    китайский философ Конфуций, живший в VI столетии до
    нашей эры, целую неделю, не прерываясь, слушал звучание
    мелодий, извлекаемых из устройства, называемого «ребрами
    тигра», и состоящего из пластин, издающих звуки разной
    высоты. Возможно, этот музыкальный механизм и был
    прародителем шарманки.
    ●
    пневматический орган, изобретенный в III веке до рождества
    Христова знаменитым древнегреческим изобретателем
    Ктезибием, имел косвенное отношение к появлению шарманки.
    

    View Slide

30. ●
    soundtimes.ru/starinnye-muzykalnye-
    instrumenty/sharmanka
    ●
    В эпоху Возрождения механизмы для извлечения
    звука продолжали совершенствоваться и для
    утехи знати уже создавались механические
    музыкальные инструменты, воспроизводящие
    мелодии:
    ●
    шарманки, музыкальные шкатулки и табакерки.
    

    View Slide

31. View Slide

32. View Slide

33. View Slide

34. View Slide

35. View Slide

36. View Slide

37. View Slide

38. View Slide

39. View Slide

40. View Slide

41. View Slide

42. Шкатулка с секретом
    ●
    Валик (барабан) с штырями
    ●
    Штыри оттягивают молоточки
    ●
    Молоточки бьют по колокольчикам
    ●
    Порядок расположения штырей на валике
    определяет мелодию
    ●
    Валик крутит пружина
    ●
    Чтобы завести пружину, нужен храповик («лишняя
    деталь» в сюжете мультика)
    

    View Slide

43. View Slide

44. View Slide

45. View Slide

46. View Slide

47. View Slide

48. View Slide

49. View Slide

50. View Slide

51. View Slide

52. View Slide

53. Мир дикого запада
    ●
    Механическое пианино (в заставке и фон внутри серий)
    ●
    Отсылка-1: антураж времени
    ●
    Отсылка-2: философский подтекст
    ●
    Пианино — это программируемый автомат
    ●
    В контексте фильма — тоже робот, только из эпохи, в
    которую играют роботы будущего (которые тоже есть
    программируемые автоматы)
    ●
    (т. е. в некотором роде потомки этого пианино)
    

    View Slide

54. ●
    Программа здесь: мелодия,
    последовательность нот (идея)
    ●
    Носитель программы: валик с штырями,
    бумажная лента с отверстиями (перфолента)
    — материальный объект
    ●
    Исполнительное устройство (механизм):
    остальная часть инструмента (молоточки,
    колокольчики, струны, меха, клапаны и т. п.)
    

    View Slide

55. ●
    Носитель программы подключается к
    исполнительному устройству в качестве
    составной детали
    ●
    Изменять носитель программы легко,
    ●
    изменять исполнительное устройство
    целиком сложно
    

    View Slide

56. Еще: граммофон
    

    View Slide

57. View Slide

58. View Slide

59. View Slide

60. View Slide

61. View Slide

62. View Slide

63. View Slide

64. Граммофон
    ●
    Патефон — портативный граммофон (по названию фирмы-
    производителя)
    ●
    Носитель «программы»: пластинка с канавками
    ●
    Рельеф канавок определяет колебания иголки,
    ●
    колебания иголки определяют колебания мембраны динамика
    (раструб — рупор усиливает звук)
    ●
    «Программа» не цифровая (о вычислениях речи не идет) и даже
    не дискретная (как в шарманке); можно назвать её
    непрерывной или аналоговой, пожалуй
    ●
    Ручка заводит пружину, кстати
    

    View Slide

65. Ткацкие станки
    

    View Slide

66. ●
    Первые конструкции — древние времена
    ●
    (Египет — 2000 до н.э., Древняя Греция, Древний
    Рим)
    ●
    Свидетельства о продвинутых конструкциях — 6-й
    век н.э.
    ●
    Станок, во-первых, должен сплести из ниток ткань
    ●
    Во-вторых, хорошо, если цветные нитки получится
    сплести так, что на ткани появится узор
    

    View Slide

67. ●
    Чем сложнее узор, тем сложнее станок
    ●
    В частности, сложность узора определяется
    тем, каким количеством отдельных нитей
    станок может управлять
    ●
    Механика с ручным управлением
    ●
    Элементы конструкции: рычаги, педали, гири
    на отдельных нитках
    ●
    Формирование узора: вручную
    

    View Slide

68. View Slide

69. View Slide

70. View Slide

71. View Slide

72. Базиль Бушон (Basile Bouchon)
    ●
    ru.wikipedia.org/wiki/Бушон%2C_Базиль
    ●
    Франция, Лион
    ●
    Ткач или торговец
    ●
    Даты жизни неизвестны
    ●
    Упоминается в 1725-м году как изобретатель
    ткацкого станка
    

    View Slide

73. Жан-Батист Фалькон
    ●
    ru.wikipedia.org/wiki/Фалькон,_Жан-Батист
    ●
    Франция, Лион
    ●
    Ткач по шелку (master silk weaver)
    ●
    Упоминается в 1727 (1737?) году как
    ассистент Базиля Бушона
    ●
    Внес ряд улучшений в конструкцию Бушона
    

    View Slide

74. ●
    1725: Базиль Бушон (Basile Bouchon), приставка к
    ткацкому станку, значительно облегчавшая
    процесс формирования узора
    ●
    Жан-Батист Фалькон (Falcon, ткач по шелку),
    подключился к работе в 1737 (в 1727?)
    ●
    Доработали конструкцию вместе
    ●
    Вариант Бушона: перфолента (бумага с
    отверстиями)
    ●
    Вариант Фалькона: перфокарты (картонки с
    отверстиями)
    

    View Slide

75. ●
    в 1755-м году проекту порезали
    государственное финансирование
    ●
    Но нашли (по линии Фалькона) немного
    частных денег
    ●
    В 1762-м году завершили, опять получили
    поддержку правительства
    ●
    Оборудовали около 40 станков в течение
    нескольких лет
    

    View Slide

76. View Slide

77. View Slide

78. ●
    Главное экономическое преимущество лежит в
    упрощении процесса смены шаблона рисунка на
    ткацком станке
    ●
    Механизм выбора узора управлялся
    последовательностью карт
    ●
    Один и тот же станок можно было перенастроить
    на производство ткани с новым узором простой
    вставкой нового набора перфорированных карт
    (перфокарт)
    (перевод с англ.)
    

    View Slide

79. Жак де Вокансон (1709 — 1782)
    ●
    ru.wikipedia.org/wiki/Вокансон,_Жак_де
    ●
    Франция, Гренобль — Париж
    ●
    Механик и изобретатель
    ●
    Конструировал механические игрушки —
    аниматроников (механическая утка)
    ●
    (этим, в основном, прославился)
    

    View Slide

80. ●
    При том, что устройство Бушона и Фалькона
    было, в целом, работоспособное, у него был ряд
    конструкционных недостатков, которые мешали
    его внедрить совсем массово
    ●
    В 1747-м году Жак де Вакансон предложил ряд
    значимых улучшений в рамках своей работы
    над механизмами шелковой промышленности
    ●
    Однако и его предложения остались в статусе
    проектов и прототипов, законченное улучшенное
    устройство не было построено
    

    View Slide

81. Жаккардовый ткацкий станок,
    жаккардова ткань
    

    View Slide

82. Жозе́ф Мари́ Жакка́р,
    1752 — 1834
    ●
    ru.wikipedia.org/wiki/Жаккар,_Жозеф_
    Мари
    ●
    Франция, Лион
    ●
    Торговец, ткач, изобретатель
    ●
    Остался в истории как изобретатель
    программируемого ткацкого станка,
    который может плести узорчатую
    ткань
    

    View Slide

83. Ткацкий станок Жаккара
    ●
    Начал работать в 1800-м
    ●
    Получил поддержку от республиканского правительства
    ●
    Первая рабочая модель — 1804-й год
    ●
    Основана на конструкциях Вакансона и Фалькона (значит и
    Бушона?)
    ●
    Даёт возможность раздельно управлять каждой нитью
    основы или небольшой их группой, создавая тем самым
    узоры на ткани
    ●
    Для формирования узора использует сменные перфокарты
    

    View Slide

84. View Slide

85. View Slide

86. View Slide

87. View Slide

88. View Slide

89. View Slide

90. View Slide

91. View Slide

92. View Slide

93. View Slide

94. View Slide

95. View Slide

96. View Slide

97. View Slide

98. View Slide

99. View Slide

100. Принцип работы
     ●
     Отверстие в перфокарте пропускает иголку-спицу, если
     отверстия нет — иголка упирается в картон
     ●
     Геометрия спиц, вошедших внутрь и не прошедших в
     отверстия, определяет, какие из нитей будут подняты наверх
     специальным механизмом, а какие останутся в базовом
     горизонтальном положении
     ●
     Между поднятыми и неподнятыми нитями пропускается
     перпендикулярная нитка, как при обычной операции
     плетения на ткацком станке
     ●
     Конфигурация поднятых-неподнятых нитей на каждом шаге
     определяет узор
     

     View Slide

101. Итак
     

     View Slide

102. ●
     Ткацкие станки — не простое развлечение (как в случае с
     шарманкой)
     ●
     Текстильная промышленность — важная часть экономики
     ●
     Один из двигателей промышленной революции
     ●
     Автоматизация, массовое производство, рынки сырья,
     рынки сбыта, мировая торговля
     ●
     Повышение производительности труда здесь даёт эффект
     в масштабах мировой экономики
     ●
     (к примеру, может обеспечивать экономический фундамент
     для сохранения или уничтожения института рабовладения)
     

     View Slide

103. ●
     Перфокарта — это носитель информации
     ●
     Подключается к исполнительному механизму
     (ткацкому станку) в качестве составной детали
     ●
     Определяет то, как будет работать станок (какой
     узор сплетёт)
     ●
     Программа здесь — последовательность действий
     для получения желаемого узора (идея),
     закодированная (сформулированная на
     специальном языке) в отверстиях перфокарты
     (записанная на материальный носитель)
     

     View Slide

104. ●
     Станки с перфокартным управлением —
     программируемые станки, станки с программным
     управлением
     ●
     Но это НЕ числовое управление, т. к. речь идет об
     управлении, но не о вычислениях
     ●
     Программа из отверстий на карте дискретна — это
     делает её похожей на двоичный код современных
     вычислителей, но речи о двоичной логике (булевой
     алгебре), здесь всё еще не идёт
     ●
     (от логики есть «да»/«нет», операций «и»/«или» нет)
     

     View Slide

105. ●
     Ткацкие станки Бушона/Жаккара иногда называют первыми
     программируемыми компьютерами (вычислительными
     устройствами)
     ●
     Скорее всего потому, что в нашем мире сейчас
     программируемая техника ассоциируется с
     программируемыми вычислениями
     ●
     Но, конечно, это не так
     ●
     Станки не производили математических операций, поэтому
     это не вычислительные устройства
     ●
     Но они управлялись программой, поэтому это был
     программируемый механизм
     

     View Slide

106. ●
     Первые устройства с программным управлением: аниматроники,
     шарманки — развлечения
     ●
     Далее ткацкий станок с программным управлением (станок с ПУ), но
     без вычислений — это сразу промышленность и массовое
     производство
     ●
     Механические вычисления уже были, но до программируемых
     вычислителей еще достаточно долго
     ●
     После появления и распространения программируемой
     универсальной вычислительной техники (уже не механики) она
     вернулась в производство — станки с числовым программным
     управлением (промышленные роботы, станки с ЧПУ)
     ●
     (механические куклы — аниматроники на числовом программном
     управлении тоже появились, см. Бостон Динамикс, которые сначала
     сделали ходячих кукол, но еще толком не придумали, куда применить)
     

     View Slide

107. У нас есть
     ●
     Технология вычислений на механике (арифмометры)
     ●
     Технология программирования: неизменяемый
     исполнительный механизм (сложно изменять,
     производится один раз) + носитель программы (легко
     изменять, создаётся множество вариаций),
     соединяются вместе, работают как единое
     устройство
     ●
     Осталось всего-навсего это всё соединить и получить
     программируемое вычислительное устройство...
     

     View Slide

108. Далее:
     разностная и аналитическая
     машины Чарльза Бэббиджа
     ...
     

     View Slide