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HISTORIA DE LA TECNOLOGÍA, TECNOLOGÍA, OBJETOS ALREDEDOR DE NOSOTROS
Maquina calculadora. Historia de la invención y la producción.
Directorio / La historia de la tecnología, la tecnología, los objetos que nos rodean. La mecanización y mecanización de las operaciones informáticas es uno de los logros técnicos fundamentales del segundo tercio del siglo XX. Así como la aparición de las primeras máquinas de hilar fue el comienzo de la gran revolución industrial de los siglos XVIII-XIX, la creación de una computadora electrónica se convirtió en el presagio de la grandiosa revolución científica, técnica y de la información de la segunda mitad del siglo XX. . Este importante evento fue precedido por una larga prehistoria. Los primeros intentos de ensamblar una máquina calculadora se realizaron ya en el siglo XVII, y los dispositivos informáticos más simples, como un ábaco y una cuenta, aparecieron incluso antes, en la antigüedad y la Edad Media.
Aunque un dispositivo de computación automática pertenece al género de las máquinas, no puede equipararse a las máquinas industriales, por ejemplo, un torno o una máquina de tejer, porque, a diferencia de ellas, no funciona con material físico (hilos o piezas de madera), pero con unos ideales que no existen en la naturaleza por números. Por lo tanto, el creador de cualquier máquina de cómputo (ya sea la sumadora más simple o la última supercomputadora) se enfrenta a problemas específicos que no se presentan a los inventores en otras áreas de la tecnología. Se pueden formular de la siguiente manera: 1. ¿Cómo representar físicamente (objetivamente) números en una máquina? 2. ¿Cómo ingresar los datos numéricos iniciales? 3. ¿Cómo simular la realización de operaciones aritméticas? 4. ¿Cómo presentar los datos de entrada y los resultados del cálculo a la calculadora? Uno de los primeros en superar estos problemas fue el famoso científico y pensador francés Blaise Pascal. Tenía 18 años cuando comenzó a trabajar en la creación de una máquina especial con la que una persona que ni siquiera estuviera familiarizada con las reglas de la aritmética pudiera realizar cuatro acciones básicas. La hermana de Pascal, que fue testigo de su trabajo, escribió más tarde: "Este trabajo cansó a mi hermano, pero no por la tensión de la actividad mental y no por los mecanismos, cuya invención no le causó mucho esfuerzo, sino porque los trabajadores con difícil entenderlo". Y esto no es sorprendente. La mecánica precisa estaba naciendo, y la calidad que Pascal exigía superaba las capacidades de sus maestros. Por lo tanto, el propio inventor a menudo tuvo que tomar una lima y un martillo o un rompecabezas sobre cómo cambiar un diseño interesante pero complejo de acuerdo con las calificaciones del maestro.
El primer modelo de trabajo de la máquina se completó en 1642. Ella no satisfizo a Pascal, e inmediatamente comenzó a diseñar uno nuevo. “No ahorré”, escribió más tarde sobre su auto, “ni tiempo, ni mano de obra, ni dinero para llevarlo al estado de ser útil… Tuve la paciencia de hacer hasta 50 modelos diferentes… Finalmente, en 1645, sus esfuerzos se vieron coronados por un éxito total: Pascal montó un automóvil que lo satisfizo en todos los sentidos. ¿Cuál fue esta primera computadora en la historia y cómo se resolvieron las tareas enumeradas anteriormente? El mecanismo de la máquina estaba encerrado en una caja de latón ligero. En su tapa superior había 8 agujeros redondos, alrededor de cada uno de los cuales se aplicó una escala circular. La escala del agujero más a la derecha se dividió en 12 partes iguales, la escala del agujero contiguo se dividió en 20 partes, los seis agujeros restantes tenían una división decimal. Tal graduación correspondía a la división de la libra, la principal unidad monetaria francesa de la época: 1 sous = 1/20 de libra y 1 denier = 1/12 de sous. En los agujeros se veían ruedas de ajuste de engranajes, ubicadas debajo del plano de la tapa superior. El número de dientes de cada rueda era igual al número de divisiones de escala del agujero correspondiente.
Los números se ingresaron de la siguiente manera. Cada rueda giraba independientemente de la otra sobre su propio eje. La rotación se llevó a cabo con la ayuda de un pasador de conducción, que se insertó entre dos dientes adyacentes. El pasador hizo girar la rueda hasta que golpeó un tope fijo fijado en la parte inferior de la tapa y que sobresalía en el orificio a la izquierda del número "1" del dial. Si, por ejemplo, se colocó un pasador entre los dientes 3 y 4 y la rueda se giró por completo, entonces giró 3/10 de su círculo completo. La rotación de cada rueda se transmitía a través de un mecanismo interno a tambores cilíndricos, cuyos ejes estaban ubicados en forma horizontal. Se aplicaron filas de números a la superficie lateral de los tambores. La suma de números, si su suma no excedía de 9, era muy sencilla y correspondía a la suma de ángulos proporcionales a ellos. Al sumar números grandes, se tenía que realizar una operación llamada transferencia de diez al dígito más alto. Las personas que cuentan en columna o en ábaco deben hacerlo mentalmente. La máquina de Pascal realizaba la transferencia de forma automática, y esta era su característica distintiva más importante. Los elementos de la máquina pertenecientes a la misma categoría eran la rueda de ajuste N, el tambor digital I y el contador, compuesto por cuatro coronas B, una rueda dentada K y un mecanismo de transmisión de decenas.
Obsérvese que las ruedas B1, B2 y K no tienen una importancia fundamental para el funcionamiento de la máquina y se utilizaron únicamente para transferir el movimiento de la rueda de ajuste N al tambor digital I. Pero las ruedas B3 y B4 eran elementos integrales de la contador y por lo tanto fueron llamados "ruedas de contar". Las ruedas contadoras de dos categorías adyacentes A1 y A2 estaban rígidamente montadas sobre los ejes. El mecanismo para transmitir decenas, que Pascal llamó "honda", tenía el siguiente dispositivo. En la rueda de conteo B1 del grado junior en la máquina Pascal, había varillas C1 que, cuando giraba el eje A1, se acoplaban con los dientes de la horquilla M ubicada al final de la palanca de dos rodillas D1. Esta palanca giraba libremente sobre el eje A2 de la categoría senior, mientras que la horquilla llevaba un trinquete con resorte. Cuando, durante la rotación del eje A1, la rueda B1 alcanzó la posición correspondiente al número 6, las varillas C1 engranaron con los dientes de la horquilla, y en el momento en que pasaba de 9 a 0, la horquilla se salió de enganchó y, bajo la acción de su propio peso, cayó arrastrando a un perro. Este último, al mismo tiempo, empujó la rueda de conteo B2 del orden más alto un paso hacia adelante (es decir, girándola a lo largo del eje A2 en 36 grados). La palanca H, que terminaba en un diente en forma de hacha, hacía las veces de gancho que impedía que la rueda B1 girara en sentido contrario cuando se levantaba la horquilla. El mecanismo de transferencia operaba solo con una dirección de rotación de las ruedas contadoras y no permitía realizar la operación de resta girando las ruedas en la dirección opuesta. Por lo tanto, Pascal reemplazó la resta con la suma con un complemento decimal. Supongamos, por ejemplo, que es necesario restar 532 de 87. El método de suma conduce a las siguientes acciones: 532-87=532-(100-13)=(532+13)-100=445. Solo necesita recordar restar 100. Sin embargo, en una máquina que tenía una cierta cantidad de dígitos, uno no podía preocuparse por esto. De hecho, restemos 532-87 en una máquina de seis bits. Entonces 000532+999913=1000445. Pero la primera unidad se perderá sola, ya que la transferencia de la sexta categoría no tiene adónde ir. La multiplicación también se redujo a la suma. Entonces, por ejemplo, si querías multiplicar 365 por 132, tenías que realizar la operación de suma cinco veces: 365 Pero como la máquina de Pascal introducía el término de nuevo cada vez, era extremadamente difícil utilizarlo para realizar esta operación aritmética. La siguiente etapa en el desarrollo de la tecnología informática está asociada con el nombre del famoso matemático alemán Leibniz. En 1672, Leibniz visitó al físico e inventor holandés Huygens y fue testigo de cuánto tiempo y esfuerzo le quitaban varios cálculos matemáticos. Entonces a Leibniz se le ocurrió la idea de crear una máquina sumadora. “Es indigno de personas tan maravillosas”, escribió, “como esclavos, perder el tiempo en el trabajo computacional que podría confiarse a cualquiera que use máquinas”. Sin embargo, la creación de tal máquina requirió todo su ingenio de Leibniz. Su famosa máquina de sumar de 12 dígitos apareció solo en 1694 y costó una suma redonda: 24000 táleros. El mecanismo de la máquina se basaba en el rodillo escalonado inventado por Leibniz, que era un cilindro al que se le aplicaban dientes de varias longitudes. En una máquina sumadora de 12 bits, había 12 rodillos de este tipo, uno para cada dígito del número.
El aritmómetro constaba de dos partes: fija y móvil. El contador principal de 12 bits y el rodillo escalonado del dispositivo de entrada se colocaron en el fijo. La parte de instalación de este dispositivo, que constaba de ocho pequeños círculos digitales, estaba ubicada en la parte móvil de la máquina. En el centro de cada círculo había un eje, en el que se montó una rueda dentada E debajo de la cubierta de la máquina, y se instaló una flecha en la parte superior de la cubierta, que giraba con el eje. El extremo de la flecha se puede colocar contra cualquier número del círculo.
La entrada de datos en la máquina se realizó mediante un mecanismo especial. El rodillo escalonado S estaba montado sobre un eje de cuatro lados con una rosca tipo cremallera dentada. Este riel enganchó con una rueda E de diez dientes, en cuya circunferencia se aplicaron los números 0, 1 ... 9. Girando esta rueda para que aparezca una u otra figura en la ranura de la tapa, el rodillo escalonado se desplaza paralelo al eje de la rueda dentada F del contador principal. Si después de eso el rodillo se giró 360 grados, entonces uno, dos, etc. se engancharon con la rueda F. los pasos más largos, dependiendo de la magnitud del cambio. En consecuencia, la rueda F giró 0, 1... 9 partes de una vuelta completa; también se hizo girar el disco o rodillo R. Con la siguiente revolución del rodillo, se transfirió de nuevo el mismo número al contador. Las máquinas de computación de Pascal y Leibniz, así como algunas otras que aparecieron en el siglo XVIII, no fueron muy utilizadas. Eran complejos, costosos y la necesidad pública de tales máquinas aún no era muy aguda. Sin embargo, a medida que la producción y la sociedad se desarrollaron, tal necesidad comenzó a sentirse cada vez más, especialmente al compilar varias tablas matemáticas. Las tablas aritméticas, trigonométricas y logarítmicas se generalizaron en Europa a finales del siglo XVIII - principios del XIX; los bancos y las oficinas de crédito usaban tablas de interés y las compañías de seguros usaban tablas de mortalidad. Pero las tablas astronómicas y de navegación tenían una importancia absolutamente excepcional (especialmente para Inglaterra, la "gran potencia marítima"). Las predicciones de los astrónomos sobre la posición de los cuerpos celestes eran en ese momento el único medio por el cual los marineros podían ubicar sus barcos en alta mar. Estas tablas se incluyeron en el "Calendario Marino", que se publicaba anualmente. Cada edición requería el enorme trabajo de decenas y centenas de contadores. No hace falta decir lo importante que era evitar errores en la compilación de estas tablas. Pero todavía había errores. Cientos e incluso miles de datos incorrectos también contenían las tablas más comunes: las logarítmicas. Los editores de estas tablas se vieron obligados a mantener un equipo especial de correctores que verificaban los cálculos recibidos. Pero esto no salvó de los errores. La situación era tan grave que el gobierno británico -el primero en el mundo- se encargó de crear una computadora especial para compilar tales tablas. El desarrollo de la máquina (llamada máquina de diferencias) fue confiado al famoso matemático e inventor inglés Charles Babbage. En 1822, se hizo un modelo de trabajo. Dado que la importancia de la invención de Babbage, así como la importancia del método de cálculo de la máquina desarrollado por él, son muy grandes, debemos detenernos con más detalle en la estructura de la máquina diferencial. Consideremos primero, con un ejemplo simple, el método propuesto por Babbage para compilar tablas. Pongamos que quieres calcular la tabla de cuartas potencias de los miembros de la serie natural 1, 2, 3...
Suponga que dicha tabla ya se calculó para algunos miembros de la serie en la columna 1, y los valores resultantes se ingresan en la columna 2. Reste el valor anterior de cada valor posterior. Obtendrá un valor secuencial de las primeras diferencias (columna 3). Habiendo hecho la misma operación con las primeras diferencias, obtenemos las segundas diferencias (columna 4), las terceras (columna 5) y, por último, las cuartas (columna 6). En este caso, las cuartas diferencias resultan ser constantes: la columna 6 consiste en el mismo número 24. Y esto no es un accidente, sino una consecuencia de un teorema importante: si una función (en este caso, es una función y (x)=x4, donde x pertenece al conjunto de los números naturales) es un polinomio de n-ésimo grado, entonces en una tabla con paso constante sus n-ésimas diferencias serán constantes. Ahora es fácil adivinar que puede obtener la tabla requerida en función de la primera fila usando la suma. Por ejemplo, para continuar la tabla iniciada en una línea más, debe realizar adiciones: 156 + = 24 180 590 + = 180 770 1695 + = 770 2465 4096 + = 2465 6561 La máquina diferencial de Babbage usaba las mismas ruedas de conteo decimal que las de Pascal. Para representar el número se utilizaron registros que consistían en un conjunto de tales ruedas. Cada columna de la tabla, excepto la 1, que contenía una serie de números naturales, tenía su propio caso; en total había siete en la máquina, ya que se suponía que debía calcular funciones con sextas diferencias constantes. Cada registro constaba de 18 ruedas digitales según el número de dígitos del número visualizado y varias adicionales utilizadas como cuentarrevoluciones para otros fines auxiliares. Si todos los registros de la máquina almacenaron los valores correspondientes a la última fila de nuestra tabla, entonces para obtener el siguiente valor de la función en la columna 2, fue necesario realizar secuencialmente un número de sumas igual al número de sumas de las diferencias disponibles. La adición en el motor de diferencia se llevó a cabo en dos etapas. Los registros que contenían los términos se desplazaron de modo que los dientes de las ruedas de conteo encajaran. Después de eso, las ruedas de uno de los registros giraron en dirección opuesta hasta que cada una de ellas llegó a cero. Esta etapa se denominó fase de adición. Al final de esta etapa, en cada dígito del segundo registro, se obtuvo la suma de los dígitos de este dígito, pero hasta ahora sin tener en cuenta posibles transferencias de dígito a dígito. La transferencia tuvo lugar en la siguiente etapa, que se denominó fase de transferencia, y se llevó a cabo así. Durante la transición de cada rueda en la fase de adición de 9 a 0, se soltó un pestillo especial en esta descarga. En la fase de transferencia, todos los pestillos fueron devueltos a su lugar por palancas especiales, que simultáneamente giraron la rueda del siguiente rango más alto en un paso. Cada una de esas rotaciones podría, a su vez, provocar una transición de 9 a 0 en uno de los dígitos y, por lo tanto, la liberación del pestillo, que nuevamente volvió a su lugar, efectuando una transferencia al dígito siguiente. Así, el retorno de los pestillos a su lugar se produjo secuencialmente, a partir del dígito menos significativo del registro. Tal sistema se llama adición con transferencia sucesiva. Todas las demás operaciones aritméticas se realizaron por suma. Al restar, las ruedas de conteo giraban en la dirección opuesta (a diferencia de la máquina de Pascal, la máquina de diferencias de Babbage permitía hacerlo). La multiplicación se redujo a la suma secuencial y la división se redujo a la resta secuencial. El método descrito podría usarse no solo para calcular polinomios, sino también otras funciones, por ejemplo, logarítmicas o trigonométricas, aunque, a diferencia de los polinomios, no tienen diferencias principales estrictamente constantes. Sin embargo, todas estas funciones se pueden representar (expandir) como una serie infinita, es decir, un polinomio simple, y el cálculo de sus valores en cualquier punto se puede reducir al problema que ya hemos considerado. Por ejemplo, sen x y cos x se pueden representar como polinomios infinitos:
Estas expansiones son verdaderas para todos los valores de función de 0 a p/4 (p/4=3, 14/4=0) con una precisión muy alta. Para valores de x mayores que p/785, la expansión tiene una forma diferente, pero en cada una de estas secciones, la función trigonométrica se puede representar como una especie de polinomio. El número de pares de términos de la serie que se tienen en cuenta en los cálculos depende de la precisión que desee obtener. Si, por ejemplo, los requisitos de precisión son pequeños, puede limitarse a los primeros dos o cuatro términos de la serie y descartar el resto. Pero puede tomar más términos y calcular el valor de la función en cualquier punto con cierta precisión. (Tenga en cuenta que 4!=2•1=2; 2!=3•1•2=3; 6!=4•1•2•3=4, etc.) Entonces el cálculo de los valores de cualquier función fue reducido por Babbage a una simple operación aritmética: la suma. Además, al pasar de una sección de la función a otra, cuando se requería cambiar el valor de la diferencia, el propio motor de diferencia daba una llamada (llamaba después de que se completara un cierto número de pasos de cálculo). La mera creación de un motor diferencial le habría dado a Babbage un lugar de honor en la historia de la computación. Sin embargo, no se detuvo allí y comenzó a desarrollar un diseño mucho más complejo: un motor analítico, que se convirtió en el predecesor directo de todas las computadoras modernas. ¿Cuál era su especialidad? El hecho es que la máquina de diferencias, en esencia, seguía siendo solo una máquina sumadora compleja y requería para su trabajo la presencia constante de una persona que mantuviera todo el esquema (programa) de cálculos en su cabeza y dirigiera las acciones de la máquina a lo largo de un camino. u otro. Está claro que esta circunstancia supuso un cierto freno en la realización de los cálculos. Alrededor de 1834, a Babbage se le ocurrió la idea: "¿No es posible crear una máquina que sea una calculadora universal, es decir, que realice todas las acciones sin intervención humana y, dependiendo de la decisión que se obtenga en una determinada etapa, ella misma elegir el camino posterior del cálculo?" En esencia, esto significó la creación de una máquina controlada por programa. El programa que antes estaba en la cabeza del operador ahora tenía que descomponerse en un conjunto de comandos simples y claros que se ingresarían en la máquina con anticipación y controlarían su funcionamiento. Nadie había intentado crear una computadora de este tipo, aunque la idea misma de los dispositivos controlados por software ya se había realizado en ese momento. En 1804, el inventor francés Joseph Jacquard inventó el telar controlado por computadora. El principio de su trabajo era el siguiente. La tela, como saben, es un entretejido de hilos mutuamente perpendiculares. Este tejido se lleva a cabo en un telar, en el que los hilos de la urdimbre (longitudinales) se pasan a través de los ojos, agujeros en los bucles de alambre, y los hilos transversales se tiran a través de esta urdimbre en un orden determinado utilizando una lanzadera. Con el tejido más simple, los bucles se elevan a través de uno y los hilos de urdimbre enhebrados a través de ellos se elevan en consecuencia. Entre los hilos levantados y que permanecen en su lugar, se forma un espacio en el que la lanzadera tira del hilo de trama (transversal) detrás de él. Después de eso, los bucles elevados se bajan y el resto se eleva. Con un patrón de tejido más complejo, los hilos debían levantarse en varias otras combinaciones. El tejedor bajaba y levantaba manualmente los hilos de la urdimbre, lo que generalmente tomaba mucho tiempo. Después de 30 años de trabajo persistente, Jacquard inventó un mecanismo que hizo posible automatizar el movimiento de los bucles de acuerdo con una ley determinada utilizando un juego de tarjetas de cartón perforadas: tarjetas perforadas. En la máquina de Jacquard, los ojos estaban conectados con largas agujas que descansaban sobre una tarjeta perforada. Al encontrar agujeros, las agujas se movieron hacia arriba, como resultado de lo cual se elevaron los ojos asociados con ellas. Si las agujas descansaban sobre las cartas en el lugar donde no había agujeros, permanecían en su lugar, manteniendo los ojos conectados a ellas de la misma manera. Por lo tanto, el espacio para la lanzadera y, por lo tanto, el patrón de tejido de los hilos se determinó mediante un conjunto de agujeros en las tarjetas de control correspondientes. Babbage pretendía utilizar el mismo principio de control de tarjetas perforadas en su motor analítico. Trabajó en su dispositivo durante casi cuarenta años: desde 1834 hasta el final de su vida en 1871, pero no pudo terminarlo. Sin embargo, después de él había más de 200 dibujos de la máquina y sus componentes individuales, provistos de muchas notas detalladas que explicaban su trabajo. Todos estos materiales son de gran interés y constituyen uno de los ejemplos más sorprendentes de previsión científica en la historia de la tecnología. Según Babbage, el motor analítico debería haber incluido cuatro bloques principales.
El primer dispositivo, que Babbage llamó "molino", fue diseñado para realizar cuatro operaciones aritméticas básicas. El segundo dispositivo, "almacén", estaba destinado a almacenar números (resultados iniciales, intermedios y finales). Los números iniciales se enviaban a la unidad aritmética, y de ella se obtenían los resultados intermedios y finales. El elemento principal de estos dos bloques eran registros de ruedas decimales. Cada uno de ellos podría establecerse en una de las diez posiciones y así "recordar" un lugar decimal. La memoria de la máquina debía incluir 1000 registros con 50 ruedas numéricas cada uno, es decir, podía almacenar 1000 números de cincuenta dígitos. La velocidad de los cálculos realizados directamente dependía de la velocidad de rotación de las ruedas digitales. Babbage asumió que sumar dos números de 50 bits tomaría 1 segundo. Para transferir números de la memoria a un dispositivo aritmético y viceversa, se suponía que debía usar cremalleras, que debían engranar con los dientes de las ruedas. Cada riel se movió hasta que la rueda estuvo en la posición cero. El movimiento se transmitía mediante varillas y conexiones a un dispositivo aritmético, donde se utilizaba por medio de otro riel para mover una de las ruedas de registro a la posición deseada. La operación básica de la máquina analítica, como la de diferencia, era la suma, y el resto se reducía a ella. Para hacer girar muchos engranajes, se requería una fuerza externa significativa, que Babbage esperaba obtener mediante el uso de una máquina de vapor. El tercer dispositivo, que controlaba la secuencia de operaciones, la transferencia de números en los que se realizaban operaciones y la salida de resultados, era estructuralmente dos mecanismos de tarjetas perforadas jacquard. Las tarjetas perforadas de Babbage diferían de las tarjetas perforadas de Jacquard, que controlaban solo una operación: levantar el hilo para obtener el patrón deseado en el proceso de fabricación de la tela. La gestión de la Máquina Analítica incluía varios tipos de operaciones, cada una de las cuales requería un tipo especial de tarjetas perforadas. Babbage identificó tres tipos principales de tarjetas perforadas: operativas (o tarjetas de operaciones), variables (o tarjetas variables) y numéricas. Las tarjetas perforadas operativas controlaban la máquina. De acuerdo con los comandos que se les imprimieron, se realizaron sumas, restas, multiplicaciones y divisiones de números que estaban en el dispositivo aritmético. Una de las ideas más visionarias de Babbage fue la introducción de un comando de rama condicional en el conjunto de comandos dados por la secuencia de tarjetas perforadas operativas. Por sí mismo, el control del programa (sin el uso de un salto condicional) no sería suficiente para implementar eficientemente un trabajo computacional complejo. La secuencia lineal de operaciones está estrictamente definida en todos los puntos. Este camino es conocido en cada detalle hasta el final. El concepto de "salto condicional" significa la transición de la computadora a otra sección del programa, si previamente se cumple una determinada condición. Al tener la oportunidad de usar la instrucción de bifurcación condicional, no se requirió que el compilador del programa de computadora supiera en qué etapa del cálculo cambiará el signo que influye en la elección del curso de cálculo. El uso de una transición condicional permitió analizar la situación actual en cada bifurcación del camino y, en base a esto, elegir uno u otro camino. Los comandos condicionales pueden tener una forma muy diferente: comparar números, seleccionar los valores numéricos requeridos, determinar el signo de un número, etc. La máquina realizó operaciones aritméticas, comparó los números recibidos entre sí y, de acuerdo con esto, realizó otras operaciones. Así, la máquina podría ir a otra parte del programa, saltarse algunos comandos, o volver de nuevo a la ejecución de alguna parte del programa, es decir, organizar un ciclo. La introducción de la instrucción de bifurcación condicional marcó el comienzo del uso de operaciones lógicas, y no solo computacionales, en la máquina.
Con la ayuda del segundo tipo de tarjetas perforadas - variables (o, en la terminología de Babbage, "tarjetas de variables"), los números se transfirieron entre la memoria y un dispositivo aritmético. Estas tarjetas no indicaban los números en sí, sino solo los números de los registros de memoria, es decir, las celdas para almacenar un número. Babbage llamó a los registros de memoria "variables", lo que indica que el contenido del registro cambia según el número almacenado en él. El motor analítico de Babbage usaba tres tipos de mapas de variables: para transferir un número a una unidad aritmética y almacenarla más en la memoria, para una operación similar, pero sin almacenarla en la memoria, y para ingresar un número en la memoria. Se llaman: 1) "mapa cero" (el número se llama desde el registro de memoria, después de lo cual se establece el valor cero en el registro); 2) "tarjeta de ahorro" (el número se llama desde la memoria sin cambiar el contenido del registro); 3) "tarjeta receptora" (el número se transfiere de la unidad aritmética a la memoria y se escribe en uno de los registros). Cuando la máquina estaba funcionando, había un promedio de tres tarjetas variables por tarjeta perforada operativa. Indicaban los números de celdas de memoria (direcciones, en la terminología moderna) en las que se almacenaban los dos números originales, y el número de la celda donde se escribía el resultado.
Las tarjetas perforadas numéricas representaron el principal tipo de tarjetas perforadas de la máquina analítica. Con su ayuda, se ingresaron números iniciales para resolver un determinado problema y nuevos datos que podrían ser necesarios en el curso de los cálculos. Después de realizar los cálculos propuestos, la máquina eliminó la respuesta en una tarjeta perforada separada. El operador agregó estas tarjetas perforadas en el orden de sus números y luego las usó en su trabajo (eran, por así decirlo, su memoria externa). Por ejemplo, cuando en el curso de los cálculos la máquina necesitaba el valor del logaritmo 2303, lo mostraba en una ventana especial y hacía una llamada. El operador encontró la tarjeta perforada requerida con el valor de este logaritmo y la ingresó en la máquina. “Todas las tarjetas”, escribió Babbage, “una vez que se usan y se crean para una tarea, se pueden usar para resolver los mismos problemas con otros datos, por lo que no es necesario prepararlas por segunda vez; se pueden conservar cuidadosamente para uso futuro; con el tiempo, la máquina tendrá su propia biblioteca. El cuarto bloque estaba destinado a recibir números iniciales y emitir resultados finales y constaba de varios dispositivos que brindan operaciones de E/S. El operador ingresó los números iniciales en la máquina y los ingresó en su dispositivo de almacenamiento, desde donde se extrajeron y enviaron los resultados finales. La máquina podría generar la respuesta en una tarjeta perforada o imprimirla en papel. En conclusión, cabe señalar que si el desarrollo del hardware del motor analítico está asociado exclusivamente con el nombre de Babbage, entonces la programación para resolver problemas en esta máquina está con el nombre de su buena amiga, Lady Ada Lovelace, la hija de el gran poeta inglés Byron, apasionado por las matemáticas y perfectamente entendido en complejos problemas científicos y técnicos. En 1842, se publicó en Italia un artículo del joven matemático Menabrea que describía la máquina analítica de Babbage. En 1843, Lady Lovelace tradujo este artículo al inglés con extensos y profundos comentarios. Para ilustrar el funcionamiento de la máquina, Lady Lovelace adjuntó al artículo un programa que había compilado para calcular los números de Bernoulli. Su comentario es esencialmente el primer trabajo sobre programación. El motor analítico resultó ser un dispositivo muy costoso y complejo. El gobierno británico, que inicialmente financió el trabajo de Babbage, pronto se negó a ayudarlo, por lo que nunca pudo completar su trabajo. ¿Estaba justificada la complejidad de esta máquina? No en todo. Muchas operaciones (especialmente la entrada-salida de números y su transmisión de un dispositivo a otro) se simplificarían mucho si Babbage utilizara señales eléctricas. Sin embargo, su máquina fue concebida como un dispositivo puramente mecánico sin elementos eléctricos, lo que a menudo ponía a su inventor en una posición muy difícil. Mientras tanto, el relé electromecánico, que luego se convirtió en el elemento principal de las computadoras, ya se había inventado en ese momento: fue inventado en 1831 simultáneamente por Henry y Salvatore dal Negro. El uso de relés electromecánicos en tecnología informática se remonta a la invención del estadounidense Herman Gollerith, quien creó un conjunto de dispositivos diseñados para procesar grandes cantidades de datos (por ejemplo, resultados de censos). La necesidad de tal máquina era muy grande. Por ejemplo, los resultados del censo de 1880 se procesaron en EE. UU. durante 7 años. Un tiempo tan significativo se explicó por el hecho de que fue necesario clasificar una gran cantidad de tarjetas (una para cada uno de los 5 millones de habitantes) con un conjunto muy grande de respuestas a las preguntas formuladas en la tarjeta, 50 encabezados. Gollerith conocía de primera mano estos problemas -él mismo era empleado de la Oficina del Censo de EE. UU.-, una agencia estadística que se encargaba de realizar los censos de población y procesar sus resultados. Trabajando mucho en la clasificación de tarjetas, a Gollerith se le ocurrió la idea de mecanizar este proceso. Primero, reemplazó las tarjetas con tarjetas perforadas, es decir, en lugar de marcar con lápiz la opción de respuesta, se le ocurrió perforar un agujero. Con este fin, desarrolló una tarjeta perforada especial de 80 columnas, en la que se aplicó toda la información sobre una persona registrada durante el censo en forma de perforaciones. (La forma de esta tarjeta perforada no ha cambiado significativamente desde entonces). Por lo general, se usaba una tira de tarjeta perforada para responder una pregunta, lo que hacía posible registrar diez respuestas (por ejemplo, a una pregunta sobre religión). En algunos casos (por ejemplo, la pregunta sobre la edad) se podían utilizar dos columnas, que daban cien respuestas. La segunda idea de Gollerith fue consecuencia de la primera: creó el primer complejo de conteo y perforación del mundo, que incluía un perforador de entrada (para perforar agujeros) y un tabulador con un dispositivo para clasificar las tarjetas perforadas. La perforación se realizaba manualmente sobre un punzón, que constaba de un cuerpo de hierro fundido con un receptor para una tarjeta y el propio punzón. Se colocó una placa con varias filas de agujeros sobre el receptor; cuando se presionaba el mango del perforador sobre uno de ellos, la tarjeta debajo de la placa se perforaba de la manera requerida. Un golpe complejo atravesó un grupo de tarjetas con datos comunes con un toque de la mano. La clasificadora constaba de varias cajas con tapas. Las tarjetas se empujaban a mano entre un juego de pasadores de resorte y tanques llenos de mercurio. Cuando el pasador cayó en el agujero, tocó el mercurio y completó el circuito eléctrico. Al mismo tiempo, se levantó la tapa de cierta caja y el operador colocó una tarjeta allí. El tabulador (o máquina de sumar) palpaba agujeros en tarjetas perforadas, tomándolos como los números correspondientes y contándolos. El principio de su funcionamiento era similar a una máquina clasificadora y se basaba en el uso de un relé electromecánico (también se usaban pasadores de resorte y copas con mercurio). Cuando las varillas, durante el movimiento de las tarjetas perforadas, cayeron a través de los agujeros en tazas con mercurio, el circuito eléctrico se cerró y se transmitió una señal eléctrica al contador, que agregó una nueva unidad al número que contenía. Cada contador tenía un dial con una flecha que se movía una unidad de escala cuando se detectaba un agujero. Si el tabulador tuviera 80 contadores, podría calcular simultáneamente los resultados de 8 preguntas (con diez posibles respuestas para cada una de ellas). Para calcular los resultados de las siguientes 8 preguntas, la misma tarjeta perforada se pasó nuevamente a través del tabulador por su otra sección. Se clasificaron hasta 1000 tarjetas por hora en una sola pasada. La primera patente (para una idea) que recibió Gollerith en 1884. En 1887, su máquina fue probada en Baltimore al compilar tablas de mortalidad de la población. En 1889, tuvo lugar la prueba decisiva del sistema: se realizó un censo de prueba en cuatro distritos de la ciudad de San Louis. La máquina de Gollerith estaba muy por delante de los dos sistemas manuales de la competencia (funcionaba 10 veces más rápido). Después de eso, el gobierno de los EE. UU. llegó a un acuerdo con Gollerith para suministrar equipos para el censo de 1890. Los resultados de este censo, gracias al tabulador, se procesaron en apenas dos años. Como resultado, la máquina rápidamente ganó reconocimiento internacional y fue utilizada en muchos países en el procesamiento de datos de censos de población. En 1902, Gollerith creó un tabulador automático, en el que las tarjetas no se alimentaban manualmente, sino automáticamente, y modernizó su máquina clasificadora. En 1908, creó un modelo fundamentalmente nuevo de la máquina de sumar. En lugar de tazas con mercurio, aquí se usaron cepillos de contacto, con la ayuda de los cuales se cerraron los circuitos eléctricos de los electroimanes. Este último aseguraba la conexión y desconexión del eje de rotación continua con las ruedas digitales del contador totalizador. Las ruedas digitales giraban a través de engranajes desde un eje de rotación continua que llevaba embragues de garras deslizantes controlados por electroimanes. Cuando se encontró un agujero debajo del cepillo de contacto, se cerró el circuito eléctrico del electroimán correspondiente y se encendió el embrague, que conectó la rueda digital al eje giratorio, después de lo cual el contenido del contador en esta categoría aumentó en un número proporcional a una vuelta de la rueda. La transferencia de decenas se llevó a cabo de la misma manera que en la máquina diferencial de Babbage. El trabajo iniciado por Gollerith continúa hasta el día de hoy. En 1896, fundó Tabulayting Machine Company, una empresa especializada en la producción de máquinas perforadas y tarjetas perforadas. En 1911, después de que Gollerith abandonara la actividad empresarial, su empresa se fusionó con otras tres y se transformó en la ahora ampliamente conocida corporación mundial IBM, el mayor desarrollador en el campo de la tecnología informática. El tabulador Gollerith fue el primero en utilizar elementos electromecánicos. El mayor desarrollo de la tecnología informática se asoció con una aplicación amplia y multifacética de la electricidad. En 1938, el ingeniero alemán Konrad Zuse creó la primera computadora electrónica de relés Z1 en relés telefónicos (el dispositivo de grabación seguía siendo mecánico). En 1939, apareció un modelo Z2 más avanzado, y en 1941, Zuse ensambló la primera computadora funcional del mundo con control de programa, que usaba un sistema binario. Todas estas máquinas murieron durante la guerra y, por lo tanto, no tuvieron mucho impacto en la historia posterior de la informática. Independientemente de Zuse, Howard Aiken se dedicaba a la construcción de computadoras de retransmisión en los Estados Unidos. Como estudiante de posgrado en la Universidad de Harvard, Aiken se vio obligado a realizar muchos cálculos complejos mientras trabajaba en su tesis. Para reducir el tiempo de trabajo computacional, comenzó a inventar máquinas simples para la solución automática de problemas particulares. Al final, se le ocurrió la idea de una computadora universal automática capaz de resolver una amplia gama de problemas científicos. En 1937, IBM se interesó en su proyecto. Se asignó un equipo de ingenieros para ayudar a Aiken. Pronto comenzó el trabajo en la construcción de la máquina Mark-1. Los dispositivos de entrada y salida de relés, contadores, contactos y tarjetas perforadas eran partes estándar de los tabuladores fabricados por IBM. En 1944, el automóvil fue ensamblado y donado a la Universidad de Harvard. "Mark-1" siguió siendo una máquina de tipo de transición. Hizo un amplio uso de elementos mecánicos para representar números y elementos electromecánicos para controlar el funcionamiento de la máquina. Como en el motor analítico de Babbage, los números se almacenaban en registros que consistían en ruedas de conteo de diez dientes. En total, "Mark-1" tenía 72 registros y, además, una memoria adicional de 60 registros formada por interruptores mecánicos. Las constantes se ingresaron manualmente en esta memoria adicional, números que no cambiaron durante el cálculo. Cada registro contenía 24 ruedas, de las cuales 23 se usaban para representar el número en sí y una para representar su signo. Los registros tenían un mecanismo para transferir decenas y, por lo tanto, se usaban no solo para almacenar números, sino también para realizar operaciones con ellos: un número ubicado en un registro podía transferirse a otro y sumarse (o restarse) al número ubicado allí. Estas operaciones se llevaron a cabo de la siguiente manera. A través de las ruedas contadoras que forman el registro, pasaba un eje que giraba continuamente, y cualquier rueda podía conectarse a este eje con la ayuda de interruptores electromecánicos durante un tiempo que constituía una cierta parte de su revolución. Se adjuntó un cepillo (contacto de lectura) a cada número, que, cuando la rueda giraba, corría a lo largo de un contacto fijo de diez segmentos. Esto hizo posible obtener el equivalente eléctrico del dígito almacenado en un bit dado del registro. Para realizar la operación de suma, se establecieron conexiones entre las escobillas del primer registro y el mecanismo de conmutación del segundo registro, de modo que las ruedas de este último estuvieron conectadas al eje durante una parte del período de rotación proporcional a los números en el correspondiente dígitos del primer registro. Todos los interruptores se apagaban automáticamente al final de la fase de adición, que ocupaba no más de la mitad del período de rotación. El mecanismo de suma en sí mismo no difería esencialmente del sumador de los tabuladores de Gollerite. La multiplicación y la división se realizaron en un dispositivo separado. Además, la máquina tenía bloques incorporados para calcular las funciones sen x, log x y algunas otras. La velocidad de realizar operaciones aritméticas promediadas: suma y resta - 0 segundos, multiplicación - 3 segundos, división - 5 segundos. Es decir, "Mark-7" equivalía a unos 15 operadores trabajando con máquinas calculadoras manuales. El trabajo del "Mark-1" fue controlado por comandos ingresados usando una cinta perforada. Cada comando se codificaba perforando agujeros en 24 columnas a lo largo de la cinta y se leía usando cepillos de contacto. La perforación de tarjetas perforadas se convirtió en un conjunto de pulsos. El conjunto de señales eléctricas obtenidas como resultado de "probar" las posiciones de una fila dada determinaba las acciones de la máquina en un paso de cálculo dado. Basado en estos comandos, el dispositivo de control aseguró la ejecución automática de todos los cálculos en este programa: obtuvo números de las celdas de memoria, dio el comando para la operación aritmética requerida, envió los resultados de los cálculos a un dispositivo de memoria, etc. Aiken utilizó máquinas de escribir y perforadoras como dispositivo de salida. Tras el lanzamiento del Mark 1, Aiken y su personal comenzaron a trabajar en el Mark 2, que finalizó en 1947. Esta máquina ya no tenía ruedas digitales mecánicas, y se usaban relés eléctricos para memorizar números, realizar operaciones aritméticas y operaciones de control: había 13 mil en total. Los números en "Mark-2" se representaron en forma binaria. El sistema binario fue propuesto por Leibniz, quien lo consideró el más conveniente para su uso en computadoras. (Se escribió un tratado sobre este tema en 1703.) También desarrolló la aritmética de los números binarios. En el sistema binario, al igual que en el sistema decimal al que estamos acostumbrados, el valor de cada dígito está determinado por su posición, solo que en lugar del conjunto habitual de diez dígitos, solo se usan dos: 0 y 1. Para entender la notación binaria de un número, veamos primero el significado de la conocida notación decimal. Por ejemplo, el número 2901 se puede representar de la siguiente manera:
Es decir, los números: 2, 9, 0, 1 indican cuántas unidades hay en cada uno de los decimales del número. Si se toma el sistema binario en lugar del decimal, cada dígito indicará cuántas unidades contiene cada uno de los dígitos binarios. Por ejemplo, el número 13 se escribe en binario así:
El sistema binario es bastante engorroso (digamos, el número 9000 tendrá 14 dígitos), pero es muy conveniente cuando se realizan operaciones aritméticas. Toda la tabla de multiplicar se reduce a una sola igualdad 1 * 1 \u1d 1, y la suma solo tiene tres reglas: 0) 0 + 0 da 2; 0) 1+1 da 3; 1) 1+0 da 1 y transfiere XNUMX al bit más significativo. Por ejemplo: 01010 +
La aprobación del sistema binario en tecnología informática se debió a la existencia de análogos técnicos simples de un dígito binario: relés eléctricos que podrían estar en uno de dos estados estables, el primero de los cuales se puso en línea con 0, el otro con 1 La transmisión de un número binario por impulsos eléctricos de un dispositivo de máquina a otro también es muy conveniente. Para ello bastan dos pulsos de diferente forma (o incluso uno, si la ausencia de señal se considera nula). Cabe señalar que las máquinas de retransmisión, creadas en los albores de la historia de las computadoras, no se usaron por mucho tiempo en la tecnología informática, ya que eran de acción relativamente lenta. Así como en una máquina mecánica la velocidad de los cálculos estaba determinada por la velocidad a la que giraban las ruedas digitales, así el tiempo de operación de un circuito compuesto por un relé era igual al tiempo que tardaba el relé en operar y liberarse. Mientras tanto, incluso los relés más rápidos no podían realizar más de 50 operaciones por segundo. Por ejemplo, en Mark-2, las operaciones de suma y resta tomaron un promedio de 0,125 segundos y la multiplicación tomó 0,25 segundos. Los análogos electrónicos de los relés electromecánicos (disparadores de lámparas de vacío) tenían una velocidad mucho mayor. Se convirtieron en los elementos básicos en la primera generación de computadoras.
El gatillo fue inventado allá por 1919 por el ingeniero ruso Bonch-Bruevich e independientemente por los estadounidenses Eccles y Jordan. Este elemento electrónico contenía dos lámparas, y en cualquier momento podía estar en uno de dos estados estables. Era un relé electrónico, es decir, en presencia de una señal de pulso de control, encendía la línea deseada o circuito de corriente eléctrica. Al igual que un relé electromecánico, podría usarse para representar un solo dígito binario.
Consideremos el principio de funcionamiento de un relé electrónico, que consta de dos tubos de vacío: triodos L1 y L2, que pueden ubicarse en un cilindro. El voltaje del ánodo L1 a través de la resistencia R1 se suministra a la rejilla L2, y el voltaje del ánodo L2 se suministra a la rejilla L1 a través de la resistencia R2. Dependiendo de la posición en la que se ubique el gatillo, da un nivel de voltaje alto o bajo en la salida. Supongamos primero que la lámpara L1 está abierta y L2 está cerrada. Entonces, el voltaje en el ánodo de una lámpara abierta es pequeño en comparación con el voltaje en el ánodo de una lámpara cerrada. De hecho, dado que la lámpara abierta L1 conduce corriente, la mayor parte del voltaje del ánodo cae (de acuerdo con la ley de Ohm u = i • R) a alta resistencia del ánodo Ra, y en la propia lámpara (conectada en serie con ella) solo una pequeña parte de las caídas de tensión. Por el contrario, en una lámpara cerrada, la corriente del ánodo es cero y todo el voltaje de la fuente de voltaje del ánodo cae en la lámpara. Por lo tanto, cae mucho menos voltaje desde el ánodo de una lámpara abierta L1 a la rejilla de una lámpara cerrada que desde el ánodo de una lámpara cerrada L2 a la rejilla L1. El voltaje negativo Ec aplicado a las rejillas de ambas lámparas se elige de modo que en primer lugar la lámpara L2 esté cerrada, a pesar de la presencia de un pequeño voltaje positivo aplicado desde el ánodo de la lámpara abierta L1 a la rejilla L2. La lámpara L1 está inicialmente abierta, ya que el voltaje positivo aplicado a la rejilla desde el ánodo L2 es mucho mayor que Ec. Por lo tanto, debido a la conexión entre las lámparas a través de las resistencias R1 y R2, el estado inicial es estable y persistirá todo el tiempo que desee. Consideremos ahora lo que sucederá en el circuito si se aplica un voltaje negativo desde el exterior a la rejilla de una lámpara abierta L1 en forma de un pulso de corriente corto de tal magnitud que la cierra. Con una disminución en la corriente del ánodo i1, el voltaje en el ánodo de la lámpara L1 aumentará considerablemente y, en consecuencia, aumentará el voltaje positivo en la rejilla L2. Esto hará que la corriente del ánodo i2 aparezca a través de la lámpara L2, por lo que el voltaje del ánodo en la lámpara L2 disminuirá. Reducir el voltaje positivo en la red L1 conducirá a una disminución aún mayor en la corriente en L1, etc. Como resultado de un proceso de crecimiento similar a una avalancha de corriente decreciente en L1 y corriente creciente en L2, la lámpara L1 se cerrará y la lámpara L2 se abrirá. Así, el circuito se moverá a una nueva posición de equilibrio estable, que se mantendrá durante un tiempo arbitrariamente largo: el pulso aplicado a la entrada 1 es "recordado". El retorno del relé electrónico a su estado original se puede realizar aplicando un pulso de voltaje negativo a la entrada. El gatillo tiene, por tanto, dos posiciones de equilibrio estables: la inicial, en la que L1 está abierta y L2 está cerrada, y el denominado estado "excitado", en el que L1 está cerrada y L2 está abierta. El tiempo para transferir un disparador de un estado a otro es muy corto. Los condensadores C1 y C2 sirven para acelerar el funcionamiento de la lámpara. La idea de una computadora en la que se utilizarían tubos de vacío como dispositivo de almacenamiento pertenece al científico estadounidense John Mauchly. En los años 30, fabricó varios dispositivos informáticos simples con gatillos. Sin embargo, por primera vez, otro matemático estadounidense, John Atanasov, utilizó tubos electrónicos para crear una computadora. Su coche ya estaba casi completo en 1942. Pero debido a la guerra, se cortó la financiación para el trabajo. Al año siguiente, 1943, mientras trabajaba en la Escuela Moore de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Pensilvania, Mauchly, junto con Presper Eckert, desarrolló su propio proyecto de computadora electrónica. El Departamento de Artillería de EE. UU. se interesó en este trabajo y ordenó la construcción de la máquina a la Universidad de Pensilvania. Mauchli fue nombrado jefe de la obra. Para ayudarlo, se asignaron 11 ingenieros más (incluido Eckert), 200 técnicos y una gran cantidad de trabajadores. Durante dos años y medio, hasta 1946, este equipo trabajó en la creación de un "integrador y calculadora digital electrónica" - ENIAC. Era una estructura enorme, que cubría un área de 135 metros cuadrados, tenía una masa de 30 toneladas y un consumo de energía de 150 kilovatios. La máquina constaba de cuarenta paneles que contenían 18000 tubos de vacío y 1500 relés. Sin embargo, el uso de tubos de vacío en lugar de elementos mecánicos y electromecánicos permitió un fuerte aumento de la velocidad. ENIAC gastó solo 0 segundos para la multiplicación y 0028 segundos para la suma, es decir, funcionó mil veces más rápido que las máquinas de relé más avanzadas. El dispositivo ENIAC en términos generales fue el siguiente. Cada diez disparadores estaban conectados en él en un anillo, formando un contador decimal, que actuaba como una rueda de conteo de una máquina mecánica. Diez de estos anillos más dos activadores para representar el signo de un número formaban un registro de almacenamiento. En total, ENIAC contaba con veinte registros de este tipo. Cada registro estaba equipado con circuitos para transmitir decenas y podía usarse para realizar sumas y restas. Otras operaciones aritméticas se realizaron en bloques especiales. Los números se transmitían de una parte de la máquina a otra a través de grupos de 11 conductores, uno para cada lugar decimal y signo del número. El valor de la cifra transmitida fue igual al número de pulsos que fluyen a través de este conductor. El funcionamiento de los bloques individuales de la máquina estaba controlado por un oscilador maestro que generaba una secuencia de ciertas señales que "abrían" y "cerraban" los bloques correspondientes de la máquina electrónica. La entrada de números en la máquina se realizaba mediante tarjetas perforadas. El control del software se llevó a cabo por medio de enchufes y campos de composición tipográfica (tablero de conmutación); de esta manera, los bloques individuales de la máquina se conectaron entre sí. Esta fue una de las deficiencias significativas del diseño descrito. Se necesitaron varios días para preparar la máquina para el trabajo: conectar los bloques en el tablero de conmutación, mientras que la tarea a veces se resolvió en solo unos minutos. En general, ENIAC seguía siendo una computadora poco confiable e imperfecta. A menudo fallaba y la búsqueda de un mal funcionamiento a veces se retrasaba varios días. Además, esta máquina no podía almacenar información. Para eliminar el último inconveniente, Eckert en 1944 planteó la idea de un programa almacenado en memoria. Fue uno de los descubrimientos técnicos más importantes en la historia de la informática. Su esencia era que los comandos del programa debían presentarse en forma de código numérico, es decir, codificados en el sistema binario (como números) e ingresados en la máquina, donde se almacenarían junto con los números originales. Para memorizar estos comandos y operaciones con ellos, se suponía que debía usar los mismos dispositivos: disparadores, como para acciones con números. De la memoria, los comandos individuales debían extraerse al dispositivo de control, donde su contenido se decodificaba y usaba para transferir números de la memoria a un dispositivo aritmético para realizar operaciones con ellos y enviar los resultados a la memoria. Mientras tanto, después del final de la Segunda Guerra Mundial, comenzaron a aparecer nuevas computadoras electrónicas una tras otra. En 1948, los británicos Kilburn y Williams de la Universidad de Manchester crearon la máquina MARK-1, en la que se implementó por primera vez la idea de un programa almacenado. En 1947, Eckert y Mouchli fundaron su propia empresa y en 1951 lanzaron la producción en serie de sus máquinas UNIVAC-1. En 1951, apareció la primera computadora soviética MESM del académico Lebedev. Finalmente, en 1952, IBM lanzó su primera computadora industrial, la IBM 701. Todas estas máquinas tenían mucho en común en su diseño. Ahora hablaremos sobre estos principios generales de funcionamiento de todas las computadoras de la primera generación. Los ordenadores electrónicos, como sabéis, han supuesto una auténtica revolución en el campo de la aplicación de las matemáticas para resolver los problemas más importantes de la física, la mecánica, la astronomía, la química y otras ciencias exactas. Esos procesos que antes eran completamente incalculables comenzaron a modelarse con bastante éxito en las computadoras. La solución de cualquier problema se reducía a los siguientes pasos sucesivos: 1) con base en el valor de la esencia física, química y otras de cualquier proceso en estudio, se formulaba el problema en forma de fórmulas algebraicas, ecuaciones diferenciales o integrales, o otras relaciones matemáticas; 2) usando métodos numéricos, el problema se redujo a una secuencia de operaciones aritméticas simples; 3) se compiló un programa que determinó el orden estricto de realizar acciones en la secuencia establecida. (La computadora realizaba, en principio, el mismo procedimiento que una persona trabajando en una máquina sumadora, pero miles o decenas de miles de veces más rápido.) Las instrucciones del programa compilado se escribieron utilizando un código especial. Cada uno de estos comandos determinaba alguna acción específica por parte de la máquina. Cualquier comando, excepto el código de la operación que se estaba realizando, contenía direcciones. Por lo general, había tres de ellos: los números de celdas de memoria, de donde se tomaron los dos números iniciales (primera y segunda dirección), y luego el número de la celda donde se envió el resultado (tercera dirección). Así, por ejemplo, el comando +/1/2/3 indicaba que se debían sumar los números de las celdas 17 y 25 y enviar el resultado a la celda 32. También se podría utilizar un comando de unidifusión. En este caso, para realizar una operación aritmética en dos números y enviar el resultado, se requerían tres comandos: el primer comando llamó a uno de los números de la memoria a la unidad aritmética, el siguiente comando llamó al segundo número y realizó la operación especificada en números, el tercer comando envió el resultado a la memoria. Entonces, el trabajo de la computadora se llevó a cabo a nivel de programa. Los procesos computacionales procedieron de la siguiente manera. El funcionamiento de la computadora se controlaba mediante llaves e interruptores electrónicos, llamados circuitos lógicos, y cada llave electrónica, al recibir una señal de pulso de voltaje de control, encendía la línea o circuito de corriente eléctrica deseada. La llave electrónica más simple ya podría ser una lámpara de electrones de tres electrodos, que se bloquea cuando se aplica un gran voltaje negativo a su rejilla y se abre si se aplica un voltaje positivo a la rejilla. En este caso, su funcionamiento se puede representar como una válvula de control que pasa el pulso A a través de sí misma cuando se aplica a su segunda entrada un pulso de control B. Cuando solo hay un pulso de corriente A o B, la válvula se cierra y el pulso no no pase a su salida. Así, sólo cuando ambos pulsos A y B coincidan en el tiempo, aparecerá un pulso en la salida. Tal circuito se llama circuito de coincidencia, o circuito lógico "y". Junto con él, se utiliza en la computadora un conjunto completo de otros circuitos lógicos. Por ejemplo, el circuito "o", que da un pulso de salida cuando aparece en la línea A o B, o simultáneamente en ambas líneas. Otro esquema lógico es el esquema del "no". Por el contrario, impide el paso del pulso a través de la válvula, si simultáneamente se aplica otro pulso inhibidor, bloqueando la lámpara. Usando estos dos circuitos, puede ensamblar un sumador de un bit. Suponga que los pulsos A y B se transmiten simultáneamente a los circuitos "no" y "and", y el bus (cable) "suma" está conectado al circuito "no", y el bus "carry" al circuito "y". . Suponga que se recibe un pulso (es decir, uno) en la entrada A, pero no se recibe ninguna entrada en la entrada B. Entonces, "no" perderá el pulso al bus "suma", y el circuito "y" no lo perderá, es decir, el bit leerá "1", que corresponde a la regla de suma binaria. Suponga que las entradas A y B reciben pulsos al mismo tiempo. Esto significa que el código del número A es "1" y el código de B también es "1". El circuito "no" no perderá dos señales y la salida "suma" será "0". Pero el circuito "y" los omitirá, y habrá un pulso en el bus "transferencia", es decir, "1 " se transferirá al sumador del bit adyacente. En las primeras computadoras, los disparadores servían como elemento principal de la memoria y sumador aritmético. El circuito de activación, como recordaremos, tenía dos estados de equilibrio estables. Al asignar un valor de código de "0" a un estado y un valor de código de "1" a otro, fue posible usar celdas de activación para almacenar códigos temporalmente. En los circuitos sumadores, cuando se aplica un pulso a la entrada de conteo del disparador, pasa de un estado de equilibrio a otro, que cumple completamente con las reglas de suma para un dígito binario (0+0=0; 0+1=1; 1+0=1; 1+1=0 y transferencia de uno al bit más significativo). En este caso, la posición inicial del gatillo se consideró como el código del primer número, y el pulso aplicado se consideró como el código del segundo número. El resultado se formó en la celda de disparo. Para implementar un circuito sumador de varios dígitos binarios, era necesario garantizar la transferencia de una unidad de un dígito a otro, que se realizaba mediante un circuito especial. El sumador era la parte principal de la unidad aritmética de la máquina. El sumador para la suma paralela de códigos numéricos a la vez para todos los dígitos tenía tantos sumadores de un solo dígito como dígitos binarios contenía el código numérico. Los números agregados A y B ingresaron al sumador desde dispositivos de memoria y se almacenaron allí con la ayuda de flip-flops. Los registros también consistían en una serie de flip-flops interconectados T1, T2, T3, T'1, T'2, etc., en los que se suministró el código numérico desde el dispositivo de registro en paralelo para todos los dígitos. Cada flip-flop almacenaba un código de un dígito, por lo que se requerían n relés electrónicos para almacenar un número con n dígitos binarios. Los códigos de los números almacenados en los registros se sumaron simultáneamente para cada dígito utilizando sumadores S1, S2, S3, etc., cuyo número era igual al número de dígitos. Cada sumador de un bit tenía tres entradas. Los códigos de los números A y B del mismo dígito se alimentaron a la primera y segunda entradas. La tercera entrada sirvió para transmitir el código de transferencia del dígito anterior.
Como resultado de sumar los códigos de un bit dado, se obtuvo el código de suma en el bus de salida del sumador, y en el bus de "transferencia" se obtuvo el código "1" o "0" para transferir al siguiente bit. Supongamos, por ejemplo, que se requería sumar dos números A=5 (en código binario 0101) y B=3 (en código binario 0011). Cuando estos números se sumaron en paralelo, los códigos A1=2, A3=1, A1=2, A0=3 y B1=4, B0=1, B1=2, B1=3 se aplicaron respectivamente a las entradas A0, A4 y A0 del sumador. Como resultado de sumar los códigos del primer dígito en el sumador S1, obtenemos 1+1=0 y el código de transferencia "1" al siguiente dígito. El sumador S2 agregó tres códigos: los códigos A2, B2 y el código de acarreo del sumador anterior S1. Como resultado, obtenemos 0+1+1=0 y el código de transferencia "1" al siguiente tercer dígito. El sumador S3 suma los códigos del tercer dígito de los números A y B y el código de transferencia "1" del segundo dígito, es decir, tendremos 1+0+1=0 y nuevamente se transfiere al siguiente cuarto dígito. Como resultado de la suma de los neumáticos "suma", obtenemos el código 1000, que corresponde al número 8. En 1951, Joy Forrester hizo una mejora importante en el diseño de la computadora, patentando la memoria en núcleos magnéticos, que podían memorizar y almacenar pulsos aplicados a ellos durante un tiempo arbitrariamente largo.
Los núcleos estaban hechos de ferrita, que se obtenía mezclando óxido de hierro con otras impurezas. Había tres devanados en el núcleo. Los devanados 1 y 2 servían para magnetizar el núcleo en una u otra dirección aplicándoles pulsos de diferente polaridad. El devanado 3 era el devanado de salida de la celda, en el que se inducía la corriente cuando se remagnetizaba el núcleo. En cada núcleo, por medio de su magnetización, se almacenaba un registro de un pulso, correspondiente a un dígito de algún número. De los núcleos conectados en un cierto orden, siempre fue posible seleccionar el número deseado con gran velocidad. Entonces, si se aplicó una señal positiva a través del devanado del núcleo, entonces el núcleo se magnetiza positivamente, con una señal negativa, la magnetización fue negativa. Así, el estado del núcleo se caracterizó por la señal registrada. Al leer a través del devanado, se aplicó una señal de cierta polaridad, por ejemplo, positiva. Si antes de eso, el núcleo estaba magnetizado negativamente, entonces se remagnetizó, y surgió una corriente eléctrica en el devanado de salida (de acuerdo con la ley de inducción electromagnética), que fue amplificada por el amplificador. Si el núcleo estaba magnetizado positivamente, entonces no hubo cambios en su estado, y no apareció ninguna señal eléctrica en el devanado de salida. Después de seleccionar el código, fue necesario restaurar el estado original del núcleo, lo que se llevó a cabo mediante un circuito especial. Este tipo de dispositivo de almacenamiento permitía muestrear números en unos pocos microsegundos. Grandes cantidades de información se almacenaban en medios externos, como cintas magnéticas. La grabación de impulsos eléctricos aquí fue similar a la grabación de sonido en una grabadora: los pulsos de corriente pasaban a través de las cabezas magnéticas, que magnetizaban los lugares correspondientes de la cinta que pasaba. Al leer, el campo de magnetización residual, al pasar por debajo de los cabezales, induce señales eléctricas en ellos, que se amplifican y alimentan a la máquina. De igual forma, la información se grababa en un tambor magnético recubierto con un material ferromagnético. En este caso, la información se podría encontrar más rápido. Autor: Ryzhov K.V.
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