Motor analítico - Analytical Engine


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modelo experimental de uma parte da Máquina Analítica, construído por Babbage, como exibido no Museu da Ciência (Londres)

A Máquina Analítica era um mecânico proposto computador de uso geral projetado pelo matemático Inglês e pioneiro da computação Charles Babbage . Foi descrita pela primeira vez em 1837 como o sucessor de Babbage motor de diferença , um projeto para um computador mecânico. A Máquina Analítica incorporou uma unidade lógica aritmética , fluxo de controle na forma de ramificação condicional e laços , e integrada de memória , tornando-se o primeiro projeto para um computador de uso geral que pode ser descrito em termos modernos como Turing completo . Em outras palavras, a estrutura lógica da Máquina Analítica era essencialmente a mesma que a que tem dominado o projeto do computador na era eletrônica.

Babbage nunca foi capaz de completar a construção de qualquer de suas máquinas devido a conflitos com seu engenheiro-chefe e financiamento inadequado. Não foi até o final dos anos 1940 que os primeiros computadores de uso geral foram realmente construídos, mais de um século depois de Babbage havia proposto a Máquina Analítica pioneira em 1837.

desenhar

Dois tipos de cartões perfurados usados para programar a máquina. Primeiro Plano: 'cartões operacionais', para a introdução de instruções ; background: 'cartões de variáveis', para a entrada de dados

A primeira tentativa de Babbage em um dispositivo de computação mecânica, o motor de diferença , era uma máquina de propósito especial projetada para tabular logaritmos e funções trigonométricas , avaliando diferenças finitas para criar aproximam polinômios . A construção desta máquina nunca foi concluída; Babbage teve conflitos com o seu engenheiro-chefe, Joseph Clement e, finalmente, o governo britânico retirou seu financiamento para o projeto.

Durante este projeto, ele percebeu que um design muito mais geral, a Máquina Analítica, era possível. O trabalho sobre o projeto da Máquina Analítica começou em c. 1833.

A entrada, que consiste de programas e de dados ( "fórmulas" e "Dados") era a ser fornecida à máquina por meio de cartões perfurados , um método a ser utilizado no momento para dirigir mecânicas teares , tais como o tear Jacquard . Para a saída, a máquina tem uma impressora, um traçador curva e um sino. A máquina também seria capaz de perfurar números em cartões a serem lidos mais tarde. É empregue comum base 10 aritmética de ponto fixo.

Não era para ser uma loja (ou seja, uma memória) capaz de manter 1.000 números de 40 dígitos decimais cada (cerca de 16,2 kB ). Uma unidade aritmética (o "moinho") seria capaz de realizar todas as quatro operações aritméticas , além de comparações e, opcionalmente, raízes quadradas . Inicialmente (1838) que foi concebido como um motor de diferença curvada para trás sobre si própria, em uma disposição geralmente circular, com o armazenamento de longo sair para um lado. Desenhos mais tarde (1858) descrevem um layout de grade regularizada. Como a unidade de processamento central (CPU) em um computador moderno, a fábrica iria confiar em seus próprios procedimentos internos , para ser armazenado na forma de pinos inseridos em tambores rotativos chamados "barris", para realizar algumas das instruções mais complexas do o programa do usuário poderia especificar.

A linguagem de programação a ser empregada pelos usuários era semelhante a modernas dia linguagens assembly . Loops e ramificação condicional fosse possível, e por isso a linguagem como concebida teria sido Turing completo como mais tarde definida por Alan Turing . Foram utilizados três tipos diferentes de cartões perfurados: um para operações aritméticas, um para constantes numéricas, e um para operações de carga e armazenamento, a transferência de números a partir do armazenamento para a unidade aritmética ou para trás. Havia três leitores separados para os três tipos de cartões. Babbage desenvolveu algumas dois programas dúzia para a Máquina Analítica entre 1837 e 1840, e um programa mais tarde. Estes programas tratam polinômios, fórmulas iterativos, eliminação de Gauss , e números de Bernoulli .

Em 1842, o matemático italiano Luigi Menabrea Federico publicou uma descrição do motor baseado em uma palestra de Babbage em francês. Em 1843, a descrição foi traduzida em Inglês e extensivamente anotado por Ada Lovelace , que se tornou interessado no motor de oito anos antes. Em reconhecimento de suas adições ao artigo de Menabrea, que incluiu uma maneira de calcular números de Bernoulli usando a máquina, ela tem sido descrito como o primeiro programador de computador .

Construção

Máquina Analítica moinho de Henry Babbage, construído em 1910, no Museu da Ciência (Londres)

No final de sua vida, Babbage procurado maneiras de construir uma versão simplificada da máquina, e montou uma pequena parte dela antes de sua morte em 1871.

Em 1878, um comitê da Associação Britânica para o Avanço da Ciência descrita a Máquina Analítica como "uma maravilha da engenhosidade mecânica", mas recomendado contra a construí-la. O comitê reconheceu a utilidade eo valor da máquina, mas não podia estimar o custo de sua construção, e não tinham certeza se a máquina iria funcionar correctamente depois de ter sido construído.

Intermitentemente 1880-1910, filho de Babbage Henry Prevost Babbage foi a construção de uma parte do moinho e do aparelho de impressão. Em 1910, calculou uma lista (com defeito) de múltiplos de pi . Isto constituiu apenas uma pequena parte de todo o motor; que não era programável e não tinha armazenamento. (Imagens populares desta seção têm sido por vezes mislabelled, implicando que era toda a fábrica ou mesmo o motor inteiro.) De Henry Babbage "Máquina Analítica moinho" está em exposição no Museu da Ciência em Londres. Henry também propôs a construção de uma versão de demonstração do motor completo, com uma capacidade de armazenamento menor: "talvez para uma primeira máquina dez (colunas) faria, com quinze rodas em cada". Tal versão poderia manipular 20 números de 25 dígitos cada, eo que poderia ser dito para fazer com que esses números ainda pode ser impressionante. "É apenas uma questão de cartões e tempo", escreveu Henry Babbage em 1888," ... e não há nenhuma razão para que (vinte mil) cartões não deve ser utilizado, se necessário, em uma máquina analítica para efeitos do matemático ".

Em 1991, o Museu da Ciência de Londres construiu um espécime completo e de trabalho de Babbage motor diferença No. 2 , um projeto que incorporou refinamentos Babbage descobertos durante o desenvolvimento da Máquina Analítica. Esta máquina foi construída com materiais e tolerâncias de engenharia que teria sido disponível para Babbage, sufocar a sugestão de que projetos de Babbage não poderia ter sido produzido usando a tecnologia de fabricação de seu tempo.

Em outubro de 2010, John Graham-Cumming iniciou uma campanha "Plano 28" para levantar fundos por "subscrição pública" para permitir sério estudo histórico e acadêmico de planos de Babbage, com vista a, em seguida, construir e testar um projeto virtual totalmente funcional que irá então por sua vez, permitem a construção da Máquina Analítica física. Em maio de 2016, a construção real não tinha sido tentado, uma vez que nenhum entendimento consistente poderia ainda ser obtida a partir de desenhos originais de Babbage. Em particular não estava claro se ele poderia lidar com as variáveis indexadas que foram necessários para o programa de Bernoulli de Lovelace. Em 2017, o esforço "Plano 28" informou que um banco de dados pesquisável de todo o material catalogado estava disponível, e uma análise inicial dos volumosos rabiscando Livros de Babbage tinha sido concluída.

Conjunto de instruções

diagrama plano da Máquina Analítica de 1840

Babbage não é conhecido por ter escrito um conjunto explícito de instruções para o motor na forma de um manual do processador moderno. Em vez disso, ele mostrou seus programas como listas de estados durante a sua execução, mostrando o que operador foi executado em cada etapa com pouca indicação de como o fluxo de controle seria guiado.

Allan G. Bromley assumiu que o baralho pode ser lido em frente e para trás as direções como uma função da ramificação condicional depois de testar para condições, o que tornaria o motor Turing completo:

... os cartões podem ser obrigados a se deslocar para a frente e para trás (e, consequentemente, para efectuar um ciclo) ...

A introdução, pela primeira vez, em 1845, de operações de usuário para uma variedade de funções de serviços, incluindo, mais importante, um sistema eficaz de controle do usuário de looping em programas do usuário. Não há nenhuma indicação de como o sentido de rotação da operação e blocos de variáveis ​​é especificado. Na ausência de outras provas, tive a adotar a suposição padrão mínimo que a operação e variáveis ​​cartões só pode ser transformado para trás quando é necessário implementar os laços usados ​​em programas de amostra de Babbage. Não haveria dificuldade mecânica ou microprogramming em colocar a direção do movimento sob o controle do usuário.

Em seu emulador do motor, Fourmilab dizer:

Card Reader do motor não é limitado a simplesmente processar os cartões em uma cadeia de uma após a outra do início ao fim. Pode, além disso, dirigida pelas próprias cartas que lê e aconselhados pelo mesmo alavanca de arranque do moinho é activado, quer avançar a cadeia de cartão para a frente, ignorando os cartões intervenientes, ou para trás, fazendo com cartões previamente lidos a ser processado de novo.

Este emulador prevê um conjunto de instruções simbólico escrito, embora este tenha sido construído por seus autores, e não com base em obras originais de Babbage. Por exemplo, um programa fatorial seria escrito como:

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

onde a CB é a instrução condicional ramo ou "cartão de combinação" utilizado para fazer o salto fluxo de controle, neste caso para trás por 11 cartas.

Influência

influência previsto

Babbage entendido que a existência de um computador automática iria acender interesse no campo agora conhecido como eficiência algorítmica , escrevendo em seus passagens da vida de um filósofo ", Assim como existe uma Máquina Analítica, que necessariamente vai orientar o curso futuro da ciência. Sempre que qualquer resultado é procurado por sua ajuda, a questão então se coloca-By o curso de cálculo pode estes resultados ser alcançado pela máquina no menor espaço de tempo ?"

Ciência da Computação

De 1872 Henry continuou diligentemente com o trabalho de seu pai e, em seguida, de forma intermitente na aposentadoria em 1875.

Percy Ludgate escreveu sobre o motor em 1914 e projetou seu próprio Máquina Analítica (foi elaborado em detalhes, mas nunca construído) sobre 1907-1909. Motor de ludgate seria muito menor do que Babbage de cerca de 8 pés cúbicos (230  l ), e hipoteticamente poderia ser capaz de se multiplicar dois números 20-decimal dígitos em cerca de seis segundos.

Torres y Quevedo escreveu sobre motores de Babbage em Essays on Automatics (1913). Livro contém projeto para uma máquina eletromecânica capaz de calcular completamente automaticamente o valor de uma função.

Vannevar Bush papel de Análise Instrumental (1936) incluiu diversas referências à obra de Babbage. No mesmo ano, começou projeto aritmética rápida máquina para investigar os problemas da construção de um computador digital eletrônico.

Apesar desta base, o trabalho de Babbage caiu no esquecimento histórico, e a Máquina Analítica era desconhecida para construtores de máquinas de electro-mecânica e de computação eletrônica na década de 1930 e 1940, quando começaram o seu trabalho, resultando na necessidade de re-inventar muitos dos arquitectónica inovações Babbage tinha proposto. Howard Aiken , que construiu a calculadora eletromecânica rapidamente, obsoleto, o Harvard Mark I , entre 1937 e 1945, elogiou o trabalho de Babbage provável como uma forma de reforçar a sua própria estatura, mas não sabia nada da arquitetura do motor a Analytical durante a construção do Mark I e considerou a sua visita à parte construída da Máquina Analítica "a maior decepção da minha vida". O Mark I não apresentou influência da Máquina Analítica e faltou característica arquitectónica mais presciente do motor a Analytical, ramificação condicional . J. Presper Eckert e John W. Mauchly semelhante não estava ciente dos detalhes do trabalho máquina analítica de Babbage antes da conclusão do seu projeto para o primeiro computador de uso geral eletrônico, o ENIAC .

Comparação com outros computadores antigos

Se a Máquina Analítica tinha sido construído, ele teria sido digitais , programáveis e Turing completo . Seria, no entanto, têm sido muito lento. Luigi Federico Menabrea relatado no Esboço da Máquina Analítica : "Mr. Babbage acredita que pode, por seu motor, formar o produto de dois números, cada uma contendo vinte figuras, em três minutos". Em comparação, o Harvard Mark I poderia realizar a mesma tarefa em apenas seis segundos. Um PC moderno pode fazer a mesma coisa em bem menos de um bilionésimo de um segundo.

Nome primeiro operacional sistema de numeração mecanismo de computação Programação Turing completa Memória
Motor de diferença Não construído até 1990 Decimal Mecânico Não programável; constantes numéricas iniciais de diferenças polinomiais definida fisicamente Não Estado físico de rodas em eixos
Motor analítico Ainda não construído Decimal Mecânico Programa-controlado por cartões perfurados sim Estado físico de rodas em eixos
Bombe (Polónia, Reino Unido, EUA) 1939 ( polonês ), março de 1940 (britânico), maio 1943 (US) caracteres computações Electro-mecânica Não programável; configurações de entrada de cifra especificados por cabos curtos Não Estado físico de rotores
Zuse Z3 (Alemanha) maio de 1941 Binário ponto flutuante Electro-mecânica Programa-controlado por um soco de filme 35 mm estoque Em princípio mecânicos relés
Atanasoff-Berry Computer (US) 1942 Binário Eletrônico Não programável; entrada coeficientes sistema linear utilizando cartões perfurados Não memória capacitor regenerativa
Colossus Mark 1 (UK) dezembro 1943 Binário Eletrônico por meio de cabos de remendo e interruptores controlados por programa Não Válvulas térmicas (tubos de vácuo) e tiratrões
Harvard Mark I  - IBM ASCC (US) maio de 1944 Decimal Electro-mecânica Por 24 canais controlados por programa de fita de papel perfurado (mas nenhuma ramificação condicional) Não relés mecânicos
Zuse Z4 (Alemanha) Mar 1945 (ou 1948) ponto flutuante binário Electro-mecânica Programa-controlada por estoque perfurado película de 35 milímetros sim mecânicos relés
ENIAC (EUA) julho 1946 Decimal Eletrônico por meio de cabos de remendo e interruptores controlados por programa sim Vácuo tubo triodo flip-flops
Manchester Bebê (UK) 1948 Binário Eletrônico programa binário entrou em memória pelo teclado (primeiro armazenados-programa de computador eletrônico digital) sim tubo de raios catódicos Williams

Na cultura popular

  • Os cyberpunk romancistas William Gibson e Bruce Sterling co-autor de um steampunk romance de história alternativa intitulado The Difference Engine na qual a diferença e Analítica motores de Babbage tornou-se disponível para a sociedade vitoriana. O romance explora as consequências e implicações da introdução precoce da tecnologia computacional.
  • Há também falar da Máquina Analítica (ou a Clockwork Ouroboros, como também é conhecido lá) em O Livro da Guerra , uma facção Paradox antologia editada por Lawrence Miles . Esta máquina foi usado para calcular um caminho para o "Império do Dia Onze". Seu uso resultou na destruição dos originais Casas do Parlamento .
  • No romance Perdido Street Station , da autora britânica China Miéville , motores semelhantes a Babbage de servir como "cérebros" para as construções de robótica da cidade de Nova Crobuzon. Um tal mecanismo ainda desenvolve pensamento sensível devido a um loop algorítmica recursiva.
  • O Império Britânico de Os Peshawar lanceiros por SM Stirling possui um motor analítico movido a água maciça em Oxford , utilizada por dois dos personagens principais. Note-se que a maioria dos motores de correr em vapor, e que um ainda maior está em construção na capital britânica em Delhi .
  • No Michael Flynn romance na Terra dos Cegos , uma sociedade secreta que se autodenomina a Sociedade Babbage secretamente financiou a construção de Motores Babbage no século de mid-19th. Na novela, a Sociedade utiliza os motores de Babbage, juntamente com uma ciência estatística chamada Cliology de prever e manipular a história futura. No processo, eles prevêem a ascensão dos nazistas e, acidentalmente iniciar a Guerra Civil norte-americana.
  • No Neal Stephenson romance The Diamond Age , nanotecnologia molecular ubíqua é descrita a fazer uso de "lógica rod" semelhante ao imaginado pelo projeto de Babbage para a Máquina Analítica.
  • Moriarty por Modem , um conto de Jack Nimersheim, descreve uma história alternativa, onde máquina analítica de Babbage foi de fato concluída e tinha sido considerado altamente classificada pelo governo britânico. Os personagens de Sherlock Holmes e Moriarty tinha na realidade sido um conjunto de programas de protótipos escritos para a Máquina Analítica. Esta curta história segue Holmes como seu programa é reiniciado em computadores modernos e ele é forçado a competir contra seu rival mais uma vez nos homólogos modernos de máquina analítica de Babbage.
  • Uma configuração semelhante é usado por Sydney Pádua no webcomic A excitação de aventuras Lovelace e Babbage . Dispõe de uma história alternativa , onde Ada Lovelace e Babbage ter construído a Máquina Analítica e usá-lo para combater o crime no Queen Victoria pedido 's. A história em quadrinhos é baseado em uma profunda investigação sobre as biografias de e correspondência entre Babbage e Lovelace, que é então torcido para efeito humorístico.
  • Georgia on My Mind é uma novela por Charles Sheffield , que envolve dois grandes temas: ficar viúva e a busca de um computador Babbage lendária.
  • Hugh Cozinhe fantasia romances de A Wishstone e os milagreiros e O Wazir ea bruxa possuem um motor analítico criado pelo cientista Ivan Petrov. Ele é usado para calcular o imposto de renda.
  • O Braço de Orion projeto online apresenta o Machina Babbagenseii , totalmente consciente Babbage inspirado computadores mecânicos. Cada um é o tamanho de um grande asteróide, unicamente capaz de sobrevivência em condições de microgravidade, e processa os dados a 0,5% a velocidade de um cérebro humano.
  • Os navios que arvoram no anime Last Exile são vistos para ter motores analíticos dentro deles. Embora alguns têm tecnologia mais avançada, os navios comuns usam os motores de análise, e até mesmo alguns dos navios avançados são vistos para ter mecanismos de relógio também.
  • A versão de trabalho do motor analítico, criado pelo inventor ficcional Ernest Harding (e baseado no conceito de Babbage) foi destaque na Mistérios Murdoch (também chamado de O Detective Artful), na Estação 5, episódio 9, Convenção de Invenções .

Referências

Bibliografia

links externos