Говорящие отверстия

Среди многих устройств особое значение для развития автоматизации счетной техники сыграло приспособление, казалось бы не имеющее отношения к счетным машинам.

В грозное для Европы время, когда Наполеон завоевывал одну страну за другой и армии нужно было много тканей, французский изобретатель Жозеф Мари Жаккар решил автоматизировать работу ткацкого станка при изготовлении тканей со сложным переплетением нитей.

Он сумел найти прием, которым можно было бы воздействовать на сложную работу различных механизмов.

Изобретатель составил набор картонных карт с разным расположением отверстий.

Отверстия были условным обозначением порядка работы машины. Карты проходили под щупами. Когда щупы попадали в отверстия, они опускались и с помощью особых устройств перемещали нити на ткацком станке. На тканях получались причудливые узоры.

Перфорационный принцип управления - с помощью отверстий на карточках и ленте - полностью себя оправдал и вскоре получил широкое распространение в тех машинах, где требовалось точное согласование сложных действий многих механизмов.

Новый принцип применили в музыкальных аппаратах, в телеграфных приборах, в наборных машинах. Было построено механическое пианино (пианола), в котором перфорированная бумажная лента управляла молоточками, ударяющими по клавишам.

"Если с помощью отверстий можно управлять станками, аппаратами, музыкальными инструментами, то почему бы не приспособитытерфорационные карты для ввода чисел и управления счетными машинами?" - такой вопрос задали себе ученые.

Одним из пионеров создания автоматических счетных машин с использованием перфокарт был англичанин Чарлз Бабедж, декан кафедры математики Кембриджского университета. Той самой кафедры, которую когда-то занимал Ньютон.

В 1812 году Бабедж как-то просматривал таблицы логарифмов. Он знал, что они полны ошибок, и размышлял, как избежать их в новом издании.

Ему припомнилось, что французские ученые применили новый метод при составлении других таблиц. Они расчленили сложную задачу на ряд простых операций, которые сводились к сложению и вычитанию. Эти операции выполняли люди, ничего в математике не знавшие, кроме простых арифметических действий.

Бабеджу пришла в голову мысль приспособить счетную машину для выполнения таких простых операций.

В 1822 году он построил небольшую рабочую модель. Идея была встречена Английским королевским обществом с энтузиазмом. Уже в следующем году были отпущены деньги, построена мастерская, заказаны чертежи.

Но работа продвигалась медленно. Трудности усугублялись тем, что изобретатель постоянно пересматривал конструкцию и вносил в нее бесчисленные усовершенствования.

Прошло немногим более десяти лет, и Бабедж остался в одиночестве со своим детищем. Работы были временно приостановлены, а в 1842 году и совсем прекращены.

Перфорационный принцип послужил отправной точкой для создания различных устройств программного управления

Однако Бабедж не сдавался. Он разработал еще один проект, более смелый, чем предыдущий. Это была "аналитическая машина", послужившая прототипом для современных быстродействующих вычислительных машин. По проекту она состояла из трех глазных частей: одна - Бабедж называл ее "складом" - регистрировала и хранила числа с помощью набора счетчиков; другая - "фабрика" - должна была совершать вычислительные операции над числами, взятыми из "склада"; наконец третья, которой изобретатель названия не дал, ко которую условно можно назвать "конторой", регулировала последовательность операций, производила отбор чисел и подавала в нужное место результаты вычислений.

По оценке Бабеджа его машина могла выполнять в минуту 60 сложений, или одно умножение двух пятидесятизнач-ных чисел, или деление стозначного числа на пятидесяти-значное. Он планировал емкость "склада", равную тысяче пятидесятизначных чисел.

Управление вычислительным процессом должно было осуществляться с помощью перфокарт. Щупы, проходящие в отверстия в картах, приводили в движение механизмы, с помощью которых числа передавались со "склада" на "фабрику" и обратно.

Некоторые части машины, по-видимому, были сделаны при жизни Бабеджа. После его смерти часть "фабрики" построил его сын. Теперь машина находится в Научном музее в Лондоне.

У Бабеджа было ясное и четкое понимание сфер применения его машины. Он думал вычислить математические и морские таблицы, выверить таблицы логарифмов, проверить данные астрономических наблюдений, вычислить среднюю продолжительность жизни человека в Англии и решить многие другие сложные задачи.

Консерватизм английского правительства и ученых-математиков, постоянные неудачи сильно озлобили и без того желчного Бабеджа. Сын девонширского банкира, он к концу жизни истратил на свои машины значительное состояние.

Ученый был очень дружен с леди Ловелас, дочерью великого поэта Байрона. Она была способным математиком и проявляла большой интерес к вычислениям и машинному решению сложных задач.

Математическое дарование леди Ловелас унаследовала от матери. В семье Байрона, где занятие математикой было популярным, жене поэта в шутку присвоили почетный титул "принцессы параллелограммов".

Леди Ловелас прекрасно разобралась в сущности работ Бабеджа и очень понятно о них написала в большой статье, опубликованной в сборнике "Аналитические машины Бабеджа".

Бабедж первым разработал принципы построения автоматических вычислительных машин

Когда в 1871 году Бабедж умер, он остался в памяти современников не как ученый-математик, выдающийся изобретатель счетной машины, а как разорившийся человек - враг шарманщиков и уличных певцов.

Дело в том, что у него был очень неуживчивый характер. Он ссорился с друзьями, переругивался с членами Королевского общества, устранился от родственников. Когда ему однажды помешали работать шарманщики, игравшие под окнами, он, вместо того чтобы просто закрыть окна и уйти в другую комнату, повел с ними ожесточенную борьбу.

Ученый потребовал от правительства издания специального закона против уличных музыкантов. А они в отместку приходили со всех улиц города злить его, устраивая шумные концерты.

Все это дало повод одному из друзей Бабеджа писать впоследствии, что "он ненавидел человечество вообще, всех англичан в частности, но особенно английское правительство и шарманщиков".

Изобретение Бабеджа опередило уровень развития техники того времени. Его идея не была реализована. Но заслуги ученого в области вычислительной техники очень велики. Он первым разработал принципы организации и построения мощных автоматических вычислительных машин и впервые применил перфорационный ввод данных в счетную машину.

В суммирующей машине Голлерита управление осуществлялось электрическими импульсами

В 1890 году в Америке проходила перепись населения. Для ускорения и удешевления разработки результатов переписи инженер Голлерит построил специальную суммирующую машину. Он назвал ее табулятором.

На перфокарте пробиваются отверстия - данные, необходимые для вычисления на счетно-перфорационной машине

Изобретатель тоже прибег к перфорационному вводу чисел, но на новой основе. Он воспользовался успехами техники слабых токов и создал машину, работающую на электромеханическом принципе. Счетчики в ней остались механическими, а управление осуществлялось электрическими импульсами.

В табуляторе Голлерита перфокарта ощупывалась щеточками из тонких упругих проволочек. Когда щеточки попадали в отверстия перфокарты, замыкались электрические цепи и в них возникали электрические импульсы. Они и использовались для ввода чисел и управления работой машины.

Первый табулятор был очень примитивен, но задача автоматического счета с помощью перфокарт и электрического тока была решена не только в принципе, но и практически. В развитии вычислительной техники открылась новая страница.

Дальнейшее совершенствование счетно-перфорационных машин шло семимильными шагами. Непрерывно повышалась скорость работы, расширялись вычислительные возможности табулятора. Появились новые перфорационные машины: умножающие, контролирующие, выполняющие различные логические операции.

Полный комплект таких машин образует поточную вычислительную линию. Здесь перфорационная карта проходит все стадии обработки.

Вот карта перед нами. Это картонный стандартный прямоугольник со срезанным верхним левым углом. Срез позволяет легко выявить неправильно уложенную карту. В типографии на ней печатается цифровая сетка в виде 80 колонок цифр. В каждой колонке помещены цифры сверху вниз от 0 до 9 - это позиции - места возможной пробивки отверстий. Кроме того, на карте есть еще между девятым и восьмым рядами нумерация рядов колонок.

В таком виде картонный прямоугольник еще нем. Он ничего не говорит ни человеку, ни машине. Чтобы перфокарта "заговорила", надо пробить отверстия в позициях колонок.

На нашей карте отверстия уже пробиты. О чем они говорят?

Карта рабочего наряда токаря пятого цеха В. И. Кузнецова от 17 марта 1958 года. В самой первой колонке пробита позиция 5, это номер цеха, во второй - 1, в третьей - 7, в четвертой - 0, в пятой - 3 - число и месяц. В следующих трех колонках указан табельный номер Кузнецова. Его легко прочитать - 248.

Пробивки последующих колонок указывают номер бригады, профессию, разряд, номер заказа, номер детали, номер операции и так далее и, наконец, заработок Кузнецова за произведенную по этому наряду работу.

Отверстия в картах пробивают, или, как говорят, перфорируют, на специальной машине - перфораторе. Оператор считывает данные, указанные в наряде, нажимает на клавиши перфоратора, и металлические штифты - пуансоны - высекают в карточке прямоугольные отверстия в заранее предусмотренных позициях.

Сначала перфокарта попадает на перфоратор, где пробиваютсястия

После перфорации карты поступают на другую машину - контрольник. Оператор снова набирает на клавиатуре те же данные, что и при перфорировании карты. Но устройство машины теперь не пробивает отверстия, а лишь контролирует их: на том ли месте, где надо, они сделаны.

Карточку с неправильно пробитым отверстием машина отмечает. Ее потом заменяют. В час операторы обрабатывают на перфораторе и контрольнике более 300 карточек, переводя содержание документов на язык машины.

За месяц на большом предприятии собираются сотни тысяч карт - огромный массив. Когда нужно подсчитать зарплату рабочим или получить данные о выполнении плана или стоимости продукции, вступают в действие остальные машины счетного комплекта.

Работает электрический сортировщик. Он группирует карты в отдельные пачки, учитывая определенные признаки. Например, для подсчета зарплаты токаря Кузнецова выбираются все карточки с табельным номером 248. Если надо рассчитать стоимость изделия по какому-либо заказу, то выбираются карты с шифром заказа.

Сортировочная машина быстро просматривает весь массив перфокарт. Она сортирует их со скоростью около 25 тысяч карт в час!

На контрольнике проверяется правильность пробивки отверстий, и массив перфокарт сортируется по признакам

Когда смотришь на сплошной поток небольших прямоугольных картонок, стремительно пробегающих под стеклянным колпаком машины, просто не укладывается в голове, что могут существовать какие-то щупальца, способные выхватывать из бегущей ленты отдельные перфокарты. Но вот машина остановилась, и вы удивляетесь, как просто все устроено!

В машине установлено тринадцать карманов. К ним ведет столько же дорог - стальных шин. Десять карманов соответствуют десяти позициям в колонках. Один карман для карт, в которых не будет отверстий. В него и попадут "неправильные" карты. И два кармана для карт со специальными пробивками.

Перед тем как попасть на шину, карта проходит между валиком и стальной контактной щеточкой. Ее устанавливают против той колонки карты, которая несет нужный для сортировки признак. Например, щеточка установлена против первой колонки - и карты сортируются по номерам цехов.

Валик и щеточка включены в электрическую цепь. Как только щеточка нащупает отверстие в карте, цепь замыкается. Электрический импульс включит электромагнит. Последний притянет якорь, а с ним и шину, до которой перфокарта не успела дойти.

Табулятор - основная машина счетно-перфорационного комплекта

Специальные ролики - транспортеры, словно по конвейеру, поведут карту поверх шины до ее конца. Там перфокарта упадет в карман. Номер кармана соответствует пробитой в перфокарте цифре в той колонке, по которой идет сортировка.

Так, например, все перфокарты, сортируемые по номеру цеха, то есть по первой колонке, имеющие отверстие в пятой позиции, попадут в карман пятерок, в третьей позиции - в карман троек - это карты третьего цеха, и так далее.

Теперь, когда перфокарты проверены и отсортированы, они поступают в табулятор. Это суммирующая машина. Она складывает числа с одинаковыми признаками и печатает результат - сумму.

При подсчете заработной платы рабочих пятого цеха, где работает Кузнецов, в табулятор поступят все перфокарты, рассортированные по табельным номерам. Машина сложит заработок по каждому наряду с одинаковым табельным номером и отпечатает итог: сумму заработка каждого рабочего за две недели.

Сумма чисел, нанесенных на перфокартах с табельным номером 248, - заработок Кузнецова за две недели.

Для подсчета стоимости заказа в табулятор нужно ввести все перфокарты, отсортированные по шифрам заказов. Машина выведет стоимость по каждому заказу в отдельности.

Как же работает табулятор?

Сначала происходит чтение перфозаписи. Это делает устройство, похожее на приспособление в сортировальной машине. Только здесь уже не одна щеточка, а целый блок из восьмидесяти - по числу колонок в перфокарте. Соответственно прощупывается не одна колонка, а сразу все восемьдесят.

Щеточки соединены проводами со счетчиками и печатающими механизмами. Перфокарта идет в табуляторе девятками вперед. Щеточки ощупывают сначала все девятые, затем восьмые позиции и т. д. Вот в карте оказалась пробитой восьмая позиция в тридцатой колонке. Щеточка замкнет электрическую цепь, сработает электромагнит цифрового колеса, и оно начнет поворачиваться. Карта сместится на одну позицию - седьмую, колесо повернется на одну цифру и покажет 1. Карта еще сместится на одну позицию - шестую, и колесо покажет 2 и т. д. И когда под щеточку подойдет нулевая позиция перфокарты, поворот цифрового колеса оканчивается: оно повернулось на восемь позиций и показывает цифру 8. Таким образом восьмерка с перфокарты передана в разряд счетчика, соответствующий тридцатой колонке.

Так передаются записанные на перфокарте числа в счетчики табулятора. Так же производится и суммирование.

А кто же управляет быстрой и сложной машиной? Все те же перфокарты, все те же щеточки.

В табуляторе, кроме описанного устройства - нижнего воспринимающего механизма, - имеется второе такое же устройство - верхний воспринимающий механизм с таким же блоком щеточек. Он осуществляет автоматическое управление машиной.

Управление основано на сравнении двух идущих друг за другом перфокарт, когда одна из них находится в нижнем воспринимающем устройстве, другая - в верхнем. Если признаки карт одинаковы, машина продолжает суммирование, но если вдруг изменится признак на очередной карте, электрическая цепь разрывается, и суммирование автоматически прекращается. Машина записывает итог по прошедшим картам и лишь после этого переходит к подсчету сумм по картам следующей группы.

Подсчитывается зарплата того же токаря Кузнецова. Одна за другой идут перфокарты. И пока в верхнее и нижнее воспринимающие устройства попадают карты с табельным номером 248, табулятор суммирует заработки по каждому наряду. Но вот в верхнее воспринимающее устройство подошла карта с табельным номером 249. Начисление зарплаты Кузнецову прекратилось. Машина начала подсчитывать зарплату другого рабочего - с табельным номером 249. А на длинной бумажной ленте - табулограмме - четко отпечаталось: "5 248 986 50". Это не трудно расшифровать: "Пятый цех, табельный номер 248, начислено 986 рублей 50 копеек".

Проследим теперь за электрическим импульсом. Он возник, когда щеточка попала в отверстие перфокарты, и дал команду машине - заставил сработать счетчик; он же участвовал в автоматической записи итогов, и он же осуществил автоматическое управление табулятором.

Как же заставили электрический импульс совершать сложный путь внутри машины?

Концы всех электрических цепей, связанных со щеточками, счетчиками, печатающими механизмами, выведены на так называемую коммутационную доску. Это пульт распределения электрических импульсов. Отсюда они с помощью селекторов-переключателей, похожих по действию на железнодорожные стрелки, распределяются по всей машине.

Если надо направить импульс с какой-либо колонки перфокарты в любой разряд любого счетчика, передать числа с одного счетчика на другой, перегруппировать числа в любом порядке, то достаточно простого переключения в соответствующих гнездах коммутационной доски. Это позволяет не только складывать числа, но вычитать, умножать, делить и автоматически выполнять сложные комбинации арифметических действий.

Система управления современным табулятором необычайно гибка и многостороння. Много лет эксплуатируются табуляторы, но до сих пор не раскрыты все его возможности.

Производительность хорошего табулятора высока - до 10 тысяч перфокарт в час. В 1950 году советские инженеры создали одну из лучших счетно-перфорационных машин - табулятор "Т-5". В нем установлено восемь одиннадцатиразрядных счетчиков. Можно одновременно суммировать восемь столбцов многозначных чисел - 70 тысяч сложений в час! За это время сто счетных работников сделают лишь 25 тысяч действий.

Счетно-перфорационные машины облегчают труд не только счетных работников. Применяются они и для научно-технических расчетов.

Мы привыкли к всевозможным сокращениям: МТС, РТС, МТФ, ММС, АТС. Но вот появилось новое обозначение - МСС. Что это такое?

Три буквы обозначают название "Машинно-счетная станция". Для механизации расчетов в стране создано около 3,5 тысячи машинно-счетных фабрик, станций, бюро. Они работают на заводах, в учреждениях, колхозах.

И в заполярном Норильске и на юге страны - во многих городах и районах работают МСС

Далеко за Полярным кругом, в тундре Таймыра, вырос молодой город металлургов и горняков - Норильск. Здесь, вблизи Гвардейской площади, есть многоэтажный каменный дом. В его больших ярко освещенных залах идет напряженная работа.

На Норильскую МСС поступают карточки заводов, железной дороги, автобазы, рудников, обогатительных фабрик. В машинах перфокарты текут беспрерывным потоком.

Большие возможности открывают счетные машины перед хозяйственниками в управлении производством, учете, планировании. Не случайно директор одного крупного завода как-то сказал:

- Если бы МСС вышла из строя, это было бы равносильно простою ведущего цеха!

Ведущий цех! Он помогает анализировать ход операций по часам и минутам, учитывать потери, указывает, где и отчего возросли накладные расходы. Счетные машины делают легко обозримыми незаметные на первый взгляд, скрытые явления производства, помогают усмотреть сегодня то, что при обычном учете стало бы видно только спустя много месяцев.

Далеко от Норильска, на юге, в живописных окрестностях столицы Украины, в одном из одноэтажных кирпичных зданий можно на дверях прочитать непривычные для сельского жителя таблички: "Перфорационный цех", "Счетно-аналитический цех". Войдем в них. Оказывается, это машинно-счетная станция, обслуживающая четырнадцать колхозов.

Сюда поступают стандартные ведомости от всех колхозов и бригад с названием культур и выполненных работ, фамилиями, именами и отчествами колхозников, с указанием количества проработанных часов. Ведомости шифруются и переносятся на перфокарты.

Проходит немного времени, и табулятор выводит итог, печатая его на бумажной ленте. Остается отрезать от ленты полоску табулограммы, вклеить ее в трудовую книжку колхозника, и сведения о его работе готовы.

Колхозники этих артелей всегда знают, что они заработали, сколько трудодней начислено им за месяц и с начала года.

Кроме того, если нужно, машины покажут затраты трудодней по разным культурам и подготовят для колхозов квартальные и месячные отчеты.

Круто вверх идет наше сельское хозяйство. Все сложнее становится вручную учитывать и затраченный труд и готовую продукцию. Уже третий год работают сельские МСС на Украине, под Ленинградом, в Эстонии, в Татарии, в Молдавии. Скоро они появятся в каждом районе и будут оперативно учитывать все показатели социалистического сельского хозяйства.

Все больше и больше у нас теперь выпускается счетных машин-автоматов. За последние семь лет их число увеличилось более чем в четыре раза. Налажен выпуск почти двух десятков типов сложных машин. Здесь и перфораторы, и сортировки, и контрольники, и табуляторы. Появляются алфавитные машины. Они печатают названия материалов, товаров, адреса - любые тексты.

Советские ученые и конструкторы продолжают упорно работать над совершенствованием счетно-перфорационных машин. Комплект их дополняется. Уже создаются сортировки, табуляторы, множительные устройства на электронных элементах. Все это направлено на расширение возможностей поточной счетной линии, на повышение ее производительности.

Но перфокарта сдерживает производительность. От машины к машине ее переносит человек, и от машины к машине перфокарта несет результаты промежуточных операций. Массив перфокарт является тем "складом" чисел, который когда-то Бабедж пытался создать на счетчиках, работающих в том же темпе, что и счетчики "фабрики". Ведь только при согласованной работе "фабрики", "склада" и "конторы" можно освободить человека от вмешательства в вычислительный процесс, можно создать подлинный автоматический и вычислительный комбайн.

Понадобилось сто лет развития техники, чтобы на базе современного счетно-перфорационного комплекта приступить к полной реализации идеи "аналитической машины" Бабеджа.

Работа над созданием такой машины была начата в 1939 году в США и продолжалась пять лет. Системы та-буляторных счетчиков были превращены в агрегат для автоматического выполнения длинной цепочки математических действий. По сложной схеме воедино собрали электромеханические реле, счетчики, контактные устройства, печатающие механизмы.

Все части соединили более чем в двух миллионах точек чуть ли не тысячью километров проводов. Получился многотонный счетный комбайн длиной более 15 метров и высотой в 2,5 метра.

Громадной машиной управляли с помощью коммутационного устройства, в котором было 60 рядов по 24 переключателя в каждом.

Сложение на машине занимало одну треть секунды, умножение - около шести секунд, деление - почти двенадцать, а вычисление логарифма - немного больше одной минуты.

Вскоре появились еще более мощные счетные машины. Некоторые из них содержали чуть ли не полтора десятка тысяч электромеханических реле и могли работать с гораздо большей скоростью.

Но не табуляторам и не вычислительным электромеханическим исполинам суждено было совершить революцию в вычислительной технике.