Блез паскаль счетная машина. Блез паскаль и его вычислительные устройства
Слово «компьютер» означает «вычислитель», т.е. устройство для вычислений. Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно. Более \(1500\) лет тому назад для счёта использовались счётные палочки, камешки.
Обрати внимание!
Первым изобретателем механических счётных машин, стал гениальный француз Блез Паскаль.
Сын сборщика налогов, Паскаль задумал построить вычислительное устройство, наблюдая бесконечные утомительные расчёты своего отца.
В \(1642\) г., когда Паскалю было всего \(19\) лет, он начал работать над созданием суммирующей машины. Паскаль умер в возрасте \(39\) лет, но, несмотря на столь короткую жизнь, навечно вошел в историю как выдающийся математик, физик, писатель и философ.
В его честь назван один из самых распространенных современных языков программирования.
Суммирующая машина Паскаля, «П аскалина », представляла собой механическое устройство - ящик с многочисленными шестерёнками.
Всего приблизительно за десятилетие он построил более \(50\) различных вариантов машины.
При работе на «Паскалине» складываемые числа вводились путем соответствующего поворота наборных колёсиков. Каждое колёсико с нанесёнными на него делениями от \(0\) до \(9\) соответствовало одному десятичному разряду числа - единицам, десяткам, сотням и т. д.
Избыток над \(9\) колёсико «переносило», совершая полный оборот и продвигая соседнее слева «старшее» колёсико на \(1\) вперёд.
Другие операции выполнялись при помощи довольно неудобной процедуры повторных сложений.
«Паскалина» вызвала всеобщий восторг, она не принесла Паскалю богатства. Тем не менее, изобретённый им принцип связанных колёс явился основой, на которой строилось большинство вычислительных устройств на протяжении следующих трёх столетий.
Следующего этапного результата добился выдающийся немецкий математик и философ Готфрид Вильгельм Лейбниц .
В \(1672\) г., находясь в Париже, Лейбниц познакомился с голландским математиком и астрономом Христианом Гюйгенсом. Видя, как много вычислений приходится делать астроному, Лейбниц решил изобрести механическое устройство, которое облегчило бы расчёты.
Поскольку это недостойно таких замечательных людей, - писал Лейбниц, - подобно рабам, терять время на вычислительную работу, которую можно было бы доверить кому угодно при использовании машины.
В \(1673\) г. он изготовил механический калькулятор.
Сложение производилось на нём по существу так же, как и на «Паскалине», однако Лейбниц включил в конструкцию движущуюся часть и ручку, с помощью которой можно было крутить ступенчатое колесо или - в последующих вариантах машины - цилиндры, расположенные внутри аппарата. Этот механизм с движущимся элементом позволял ускорить повторяющиеся операции сложения, необходимые для перемножения или деления чисел.
Само повторение тоже было автоматическим.
Машина Лейбница требовала для установки специального стола, так как имела внушительные размеры.
Лейбниц продемонстрировал свою машину в Французской академии наук и Лондонском королевском обществе. Один экземпляр машины Лейбница попал к Петру Великому, который подарил её китайскому императору, желая поразить того европейскими техническими достижениями.
В \(1812\) году английский математик Чарльз Бэббидж начал работать над так называемой разностной машиной, которая должна была вычислять любые функции, в том числе и тригонометрические, а также составлять таблицы.
Первая действующая модель счетной суммирующей машины была создана в 1642 г. знаменитым французским ученым Блезом Паскалем . Для выполнения арифметических операций Паскаль заменил поступательное перемещение костяшек в абаковидных инструментах на вращательное движение оси (колеса), так что в его машине сложению чисел соответствовало сложение пропорциональных им углов.
Принцип действия счетчиков в машине Паскаля прост. В основе его лежит идея обыкновенной зубчатой пары - двух зубчатых колес, сцепленных между собой. Для каждого разряда имеется колесо (шестеренка) с десятью зубцами. При этом каждый из десяти зубцов представляет одну из цифр от 0 до 9. Такое колесо получило название "десятичное счетное колесо".
С прибавлением в данном разряде каждой единицы счетное колесо поворачивается на один зубец, т. е. на одну десятую оборота. Требуемую цифру можно установить, поворачивая колесо до тех пор, пока зубец, представляющий эту цифру, не встанет против указателя или окошка. Например, три колеса показывают число 285. Мы можем прибавить к этому числу 111, повернув каждое колесо вправо на один зубец. Тогда против окошек встанут соответственно цифры 3, 9, 6, образуя сумму чисел 285 и 111, т. е. 396. Задача теперь в том, как осуществить перенос десятков. Это одна из основных проблем, которую пришлось решать Паскалю. Наличие такого механизма позволило бы вычислителю не тратить внимание на запоминание переноса из младшего разряда в старший.
Машина, в которой сложение выполняется механически, должна сама определять, когда нужно производить перенос. Допустим, что мы ввели в разряд девять единиц. Счетное колесо повернется на 9/10 оборота. Если теперь прибавить еще одну единицу, колесо "накопит" уже десять единиц. Их надо передать в следующий разряд. Это и есть передача десятков. В машине Паскаля ее осуществляет удлиненный зуб. Он сцепляется с колесом десятков и поворачивает его на 1/10 оборота. В окошке счетчика десятков появится единица - один десяток, а в окошке счетчика единиц снова покажется нуль.
Механизм переноса действует только в одном направлении вращения колес и не допускает выполнения операции вычитания вращением колес в обратную сторону. Поэтому Паскаль заменил операцию вычитания операцией сложения с десятичным дополнением. Пусть, например, необходимо из числа 285 вычесть 11. Метод дополнения приводит к действиям: 285-11=285-(100-89)=285+89-100=274. Нужно только не забывать вычесть 100. Но на машине, имеющей определенное число разрядов, об этом можно не заботиться. Вот как будет выполняться эта операция в шестиразрядной машине: 000285+999989=1000274; при этом единица слева выпадает, так как переносу из шестого разряда некуда деться.
Машина Паскаля была практически первым суммирующим механизмом, построенным на совершенно новом принципе, при котором считают колеса. Она производила на современников огромное впечатление, о ней слагались легенды, ей посвящались поэмы. Все чаще с именем Паскаля появлялась характеристика "французский Архимед". До нашего времени дошло только 8 машин Паскаля, из которых одна является 10-разрядной.
Труды Паскаля оказали заметное влияние на весь дальнейший ход развития вычислительной техники. Они послужили основой для создания большого количества всевозможных систем суммирующих машин.
В 1640 г. попытку создать механическую вычислительную машину предпринял Блез Паскаль (1623-1662).
Существует мнение, что «на идею счетной машины Блеза Паскаля натолкнуло, по всей вероятности, учение Декарта, который утверждал, что мозгу животных, в том числе и человека, присущ автоматизм, поэтому ряд умственных процессов ничем по существу своему не отличается от механических». Косвенным подтверждением этого мнения служит то, что Паскаль поставил перед собой цель создать такую машину. В 18 лет он начинает работать над созданием машины, с помощью которой даже незнакомый с правилами арифметики мог производить различные действия.
Первая работающая модель машины была готова уже в 1642 году. Паскаля она не удовлетворила, и он сразу же начал конструировать новую модель. «Я не экономил,- писал он впоследствии, обращаясь к «другу-читателю»,- ни времени, ни труда, ни средств, чтобы довести ее до состояния быть тебе полезной... Я имел терпение сделать до 50 различных моделей: одни деревянные, другие из слоновой кости, из эбенового дерева, из меди...»
Паскаль экспериментировал не только с материалом, но и с формой деталей машины: модели были сделаны - «одни из прямых стержней или пластинок, другие из кривых, иные с помощью цепей; одни с концентрическими зубчатыми колесами, другие с эксцентриками; одни - движущиеся по прямой линии, другие- круговым образом; одни в форме конусов, другие - в форме цилиндров...»
Наконец в 1645 году арифметическая машина, как назвал ее Паскаль, или Паскалево колесо, как называли ее те, кто был знаком с изобретением молодого ученого, была готова.
Она представляла собой легкий латунный ящичек размером 350X25X75 мм (Рисунок 11.7). На верхней крышке - 8 круглых отверстий, вокруг каждого нанесена круговая шкала.
Рисунок 11.7 - Машина Паскаля со снятой крышкой
Шкала крайнего правого отверстия разделена на 12 равных частей, шкала соседнего с ним отверстия - на 20 частей, шкалы остальных 6 отверстий имеют десятичное деление. Такая градуировка соответствует делению ливра-основной денежной единицы того времени - на более мелкие: 1 су = 1/20 ливра и 1 денье - 1/12 су.
В отверстиях видны зубчатые колеса, находящиеся ниже плоскости верхней крышки. Число зубьев каждого колеса равно числу делений шкалы соответствующего отверстия (например, у крайнего правого колеса 12 зубьев). Каждое колесо может вращаться независимо от другого на собственной оси. Поворот колеса осуществляется от руки с помощью ведущего штифта, который вставляется между двумя смежными зубьями. Штифт поворачивает колесо до тех пор, пока не наталкивается на неподвижный упор, закрепленный в нижней части крышки и выступающий внутрь отверстия левее цифры 1 круговой шкалы. Если, например, вставить штифт между зубьями, расположенными против цифр 3 и 4, и повернуть колесо до упора, то оно повернется на 3/10 полного поворота.
Поворот колеса передается посредством внутреннего механизма машины цилиндрическому барабану, ось которого расположена горизонтально. На боковой поверхности барабана нанесены два ряда цифр; цифры нижнего ряда расположены в порядке возрастания- 0, ..., 9, цифры верхнего ряда - в порядке убывания-9, 8, ..., 1,0. Они видны в прямоугольных окнах крышки. Планка, которая помещается на крышке машины, может передвигаться вверх или вниз вдоль окон, открывая либо верхний, либо нижний ряд чисел в зависимости от того, какое математическое действие нужно произвести.
В отличие от известных счетных инструментов типа абака в арифметической машине вместо предметного представления чисел использовалось их представление в виде углового положения оси (вала) или колеса, которое несет эта ось. Для выполнения арифметических операций Паскаль заменил поступательное перемещение камешков, жетонов и т. д. в абаковидных инструментах на вращательное движение оси (колеса), так что в его машине сложению чисел соответствует сложение пропорциональных им углов.
Колесо, с помощью которого осуществляется ввод чисел (так называемое установочное колесо), в принципе не обязательно должно быть зубчатым - этим колесом может быть, например, плоский диск, по периферии которого через 36° просверлены отверстия, в которые вставляется ведущий штифт.
Нам осталось познакомиться с тем, как Паскаль решил самый, пожалуй, трудный вопрос,- о механизме переноса десятков. Наличие такого механизма, позволяющего вычислителю не тратить внимания на запоминание переноса из младшего разряда в старший,- это наиболее разительное отличие машины Паскаля от известных счетных инструментов.
На Рисунок 11.8 изображены элементы машины, относящиеся к одному разряду: установочное колесо N, цифровой барабан I, счетчик, состоящий из 4 корончатых колес В, одного зубчатого колеса К и механизма передачи десятков. Заметим, что колеса В1 В4 и К не имеют принципиального значения для работы машины и используются лишь для передачи движения установочного колеса N цифровому барабану I. Зато колеса В2 и В3 - неотъемлемые элементы счетчика и в соответствии со «счетно-машинной» терминологией именуются счетными колесами. На
показаны счетные колеса двух соседних разрядов, жестко насаженные на оси А 1 и A 2 , и механизм передачи десятков, который Паскаль назвал «перевязь» (sautoir). Этот механизм имеет следующее устройство.
Рисунок 11.8 - Элементы машины Паскаля, относящиеся к одному разряду числа
Рисунок 11.9 - Механизм передачи десятков в машине Паскаля
На счетном колесе В 1 младшего разряда имеются стержни d, которые при вращении оси A 1 входят в зацепление с зубьями вилки М, расположенной на конце двухколенного рычага D 1 . Этот рычаг свободно вращается на оси А 2 старшего разряда, вилка же несет на себе подпружиненную собачку. Когда при вращении оси А 1 колесо В 1 достигнет позиции, соответствующей цифре б, стержни С1 войдут в зацепление с зубьями вилки, а в тот момент, когда оно перейдет от 9 к 0, вилка выскользнет из зацепления и под действием собственного веса упадет вниз, увлекая за собой собачку. Собачка и протолкнет счетное колесо В 2 старшего разряда на один шаг вперед (то есть повернет его вместе с осью A 2 на 36°). Рычаг Н, оканчивающийся зубом в виде топорика, играет роль защелки, препятствующей вращению колеса В 1 в обратную сторону при поднимании вилки.
Механизм переноса действует только при одном направлении вращения счетных колес и не допускает выполнения операции вычитания вращением колес в обратную сторону. Поэтому Паскаль заменил эту операцию операцией сложения с десятичным дополнением.
Пусть, например, необходимо из 532 вычесть 87. Метод дополнения приводит к действиям:
532 - 87 = 532 - (100-13) = (532 + 13) - 100 = 445.
Нужно только не забыть вычесть 100. Но на машине, имеющей определенное число разрядов, об этом можно не заботиться. Действительно, пусть на 6-разрядной машине выполняется вычитание: 532 - 87. Тогда 000532 + 999913 = 1000445. Но самая левая единица потеряется сама собой, так как переносу из 6-го разряда некуда, деться. В машине Паскаля десятичные дополнения написаны в верхнем ряду цифрового барабана. Для выполнения операции вычитания достаточно передвинуть планку, закрывающую прямоугольные окна, в нижнее положение, сохранив при этом направление вращения установочных колес.
С изобретения Паскаля начинается отсчет времени развития вычислительной техники. В XVII-XVIII вв. один изобретатель за другим предлагают новые варианты конструкций суммирующих устройств и арифмометров, пока, наконец, в XIX в. неуклонно растущий объем вычислительных работ не создал устойчивого спроса на механические счетные устройства и не позволил наладить их серийный выпуск.
На этой странице приведены важнейшие события истории развития арифмометров. Следует заметить, что упор сделан не на многочисленные экспериментальные модели, не получившие практического распространения, а на конструкции, производившиеся серийно. Примерно V - VI век до н.э. Появление абака (Египет, Вавилон)Примерно VI век н.э. Появляются китайские счёты.
1846 г. Счислитель Куммера (Российская империя, Польша). Он сходен с машиной Слонимского (1842, Российская Империя), но компактнее. Был широко распространён во всём мире вплоть до 1970-х годов в качестве дешёвого карманного аналога счёт.
1950-е гг. Расцвет вычислительных автоматов и полуавтоматических арифмометров. Именно в это время выпущена большая часть моделей электрических вычислительных машин.
1962 - 1964 гг. Появление первых электронных калькуляторов (1962 - опытная серия ANITA MK VII (Англия), к концу 1964 электронные калькуляторы выпускаются многими развитыми странами, в т.ч. в СССР (ВЕГА КЗСМ)). Начинается жестокая конкурентная борьба между электронными калькуляторами и мощнейшими вычислительными автоматами. Но на производстве маленьких и дешёвых арифмометров (в основном - неавтоматических и с ручным приводом) появление калькуляторов почти не сказалось.
1968 г. Начато производство Contex-55 - вероятно, самой поздней модели арифмометров с высокой степенью автоматизации.
1969 г. Пик производства арифмометров в СССР. Выпущено около 300 тысяч "Феликсов" и ВК-1.
1978 г. Примерно в это время прекращён выпуск арифмометров "Феликс-М". Возможно, это был последний в мире выпускавшийся тип арифмометров.
1988 г. Последняя достоверно известная дата выпуска механической вычислительной машины - кассового аппарата "Ока".
1995-2002 Механические кассовые аппараты (ККМ) "Ока" (модели 4400, 4401, 4600) исключены из государственного реестра РФ. Видимо, исчезла последняя область применения сложных механических вычислительных машин на территории России.
2008 В некоторых магазинах Москвы всё ещё встречаются счёты...
История техники: арифметическая машина «Паскалина»
В семнадцатом веке жил-был простой французский юноша, звали его Блез Паскаль. Отец Блеза работал сборщиком налогов и, приходя домой, тратил очень много времени на подсчёты. Поэтому вышеупомянутый молодой человек решил облегчить труд отца. Так появилась первая в мире счётная машина, работавшая по новому, ранее неведомому принципу. Не мудрствуя лукаво, её назвали «Паскалина».
История вкратце
Блез Паскаль (1623 – 1662) придумал своё устройство в 1640-м. Ещё два года ушло на создание прибора. И вот в девятнадцатилетнем возрасте юноша всё же порадовал родителя. Мол, теперь у тебя свободного времени будет больше.
Естественно, никакой компьютерной промышленности тогда не было даже в самых смелых мечтах, поэтому каждый экземпляр «Паскалины» доводилось изготавливать самостоятельно, кустарным способом.
Одно из первых изделий Паскаль подарил тогдашнему канцлеру Сегье, покровителю наук и любителю всяческих интересных штучек. А в качестве благодарности изобретатель получил в 1649-м нечто вроде патента на «машину-сумматор», эксклюзивное право на её производство и продажу.
С продажей взялся помогать друг по фамилии Роберваль. История не сохранила сведений о нём. Возможно, потому, что продать удалось не так уж много экземпляров «Паскалины», штук десять или пятнадцать.
Также не очень-то ясно, сколько вариантов арифметической машины было сделано. Исследователи полагают, что полсотни. Первые экземпляры позволяли считать числа до 9999, позже появились восьмиразрядные.
Иными словами, дело было очень давно, достоверных свидетельств и документов до наших дней дошло совсем немного.
Суть аппарата
Машина-сумматор, ящик в форме большого кирпича, состояла из шестерёнок, на которые были надеты колёса с цифрами. Каждая шестерня цеплялась за другую таким способом, чтобы проворачивать её и менять цифры в окошечках ящика.
После каждой девятки, как полагается, начинался новый десяток, в который вставлялось то, что выходило за пределы предыдущего. Принцип тот же, что и у обычных счётов, которые ещё можно увидеть в музеях. Но только если в счётах нужно было двигать костяшки на стержнях пальцами, то в приборе Паскаля достаточно было привести в движение шестерни.
Причины неудачи
Во-первых, несмотря на кое-какое общественное признание (всё же канцлер вмешался), кустарное производство было медленным и дорогостоящим. Соответственно, цена готовой «Паскалины» получалась немаленькой, и не каждый счетовод был готов раскошелиться на нечто новое, неизведанное.
Во-вторых, даже те, кто раскошеливался, сталкивались с трудностями. Дело в том, что в тогдашней Франции не было десятичной денежной системы. В «ливре» содержалось двадцать «су», а в «су» - двенадцать «денье». Ситуация продлилась вплоть до 1799-го. А «Паскалина» работала в десятичной системе.
В-третьих, прибор умел только слагать числа. Конечно, можно совершать операции умножения, применяя многократное суммирование, однако это не так уж удобно. Да и противоречит изначальной цели создания аппарата - предоставления всем желающим удобного арифметического устройства. Даже тем, кто с математикой не очень-то дружил.
В-четвёртых, Блез Паскаль не отличался крепким здоровьем, страдал от сильных головных болей, не мог организовать широкомасштабный бизнес и умер молодым. Только через 11 лет после его смерти немецкий математик Готфрид Лейбниц подхватил эстафету. Но об этом - далее.
Значение
В данном случае весьма уместно клише, формулируемое примерно как «влияние изобретения на последующее развитие механической счётной техники переоценить трудно». Или вроде того. Ведь вклад Паскаля был действительно значительным. Хотя бы потому, что юноша придумал простую и эффективную систему механического суммирования, основанную на вращении банальных шестерёнок.
До этого у человечества имелись лишь «считающие часы» Вильгельма Шиккарда, настолько сложные и непонятные, что никто не стал ломать над ними голову. Зато последователям Паскаля оставалось только улучшить вполне очевидную и ясную конструкцию, расширить её функциональность.
В частности, механический калькулятор Готфрида Вильгельма Лейбница, представленный в 1673-м, состоял из цеплявших друг друга колёсиков и фактически стал преемником «Паскалины». Он уже умел вычитать, умножать и делить.
Позже Лейбниц «удлинил» колёсики-шестерни, превратив их в цилиндры. Ведь на поверхности цилиндра есть место для размещения разных конфигураций из цепляющих выступов, и одно вращательное движение может инициировать сразу несколько полезных действий.
Если присмотреться к «разностной машине» англичанина Чарльза Бэббиджа, созданной в 1822-м, то в ней тоже можно увидеть всё те же шестерни на валиках.
Ну а потом и до арифмометров было, как говорится, рукой подать. Все те механические штуки на прилавках магазинов и баров в старинных фильмах, продержавшиеся вплоть до создания электронных калькуляторов во второй половине двадцатого века, представляли собой результаты эволюции, начавшейся именно с «Паскалины».
Предыдущие публикации:
