Explicación del motor analítico de Charles Babbage: Todo lo que necesita saber

Creado por Charles Babbage, el motor analítico era una computadora digital mecánica de propósito general, completamente controlada por programa, sin intervención humana. Fue diseñado para ser programado mediante tarjetas perforadas, algo que fue una de sus características más rompedoras. El motor analítico estaba destinado a ser lo suficientemente grande como para contener 1.000 números de 50 dígitos, que era más de lo que cualquier computadora construida antes de 1960 podía almacenar.

Parece una maravilla que la primera computadora digital del mundo , que incluía casi todos los conceptos clave de la computadora digital actual en sus características mecánicas y lógicas, se creó en la década de 1830. La máquina es la Máquina Analítica, y la creó el famoso Charles Babbage.

Babbage realizó varios cambios en su primera computadora, la máquina diferencial especializada, en 1834. Cuando se necesitaba una nueva constante en una serie de cálculos, tenía que insertarse a mano en el diseño original. Babbage ideó un método para insertar mecánicamente las diferencias colocando los ejes de la máquina diferencial en un patrón circular, de modo que la columna de resultados estuviera cerca de la última diferencia y, por lo tanto, fuera convenientemente accesible. Él llama a este diseño “la locomotora devorando su propia cola” o “una locomotora poniendo su vía”.

Pero esto condujo rápidamente al concepto de usar formas completamente separadas para operar la máquina, permitiéndole realizar sumas y todas las operaciones aritméticas en cualquier secuencia y tantas veces como sea necesario.

Desafortunadamente, Babbage no pudo ver su máquina analítica en acción, ya que todavía estaba trabajando en ella cuando murió. En cambio, su hijo, Henry Babbage, continuó con su trabajo.

Cómo funcionaba el motor analítico de Charles Babbage?

El molino, el lector, la tienda y la impresora estaban destinados a ser parte de la máquina. Estos son los componentes más críticos de las computadoras de hoy. El molino era la unidad de cálculo, similar a la unidad central de procesamiento (CPU) de una computadora actual; el almacén para almacenar datos antes de su procesamiento, paralelo a la memoria y el almacenamiento en las computadoras modernas; y la impresora y el lector eran los dispositivos de entrada y salida.

Al igual que el motor diferencial , el proyecto era significativamente más sofisticado que cualquier otro desarrollado antes. Presentaba una “tienda” que estaba destinada a ser lo suficientemente grande como para contener 1,000 números de 50 dígitos, más de lo que cualquier computadora construida antes de 1960 podría almacenar. La máquina debía ser operada por una sola persona y debía ser impulsada por vapor. Al igual que la máquina diferencial, las capacidades de impresión eran ambiciosas: Babbage buscó automatizar el proceso en la medida de lo posible, hasta la impresión de tablas de números.

Otra característica única del motor analítico fue el lector. Babbage usó la tecnología de lectura de tarjetas del telar Jacquard para ingresar datos (números) en tarjetas perforadas. Las instrucciones debían escribirse en tarjetas, otra idea inspirada en Joseph-Marie Jacquard. Sería programable y significativamente más adaptable que cualquier máquina debido al uso de tarjetas de instrucciones. (En la traducción de un artículo francés sobre el motor analítico en 1843, la matemática Ada Lovelace describió cómo las personas podrían usar la máquina para seguir un programa para calcular los números de Bernoulli). Debido a esto, ha sido apodada la “primera programadora de computadoras”.)

Otra característica de la programabilidad era ejecutar instrucciones en cualquier secuencia que no fuera secuencial. Se suponía que tenía una capacidad de toma de decisiones en su transferencia de control condicional, también conocida como bifurcación condicional, donde podría saltar a una instrucción diferente según el valor de los datos especificados. Desafortunadamente, muchas de las primeras computadoras del siglo XX carecían de esta función convincente.

Motor analítico de Charles Babbage: Significado histórico

El motor analítico era, según la mayoría de los estándares, una computadora real tal como la conocemos hoy, o lo habría sido, si Babbage no hubiera vuelto a tener problemas técnicos. Sin embargo, construir el ambicioso diseño de Babbage era imposible dada la tecnología actual. Además, el hecho de que Babbage no creara las tablas matemáticas prometidas con su máquina diferencial había atenuado el entusiasmo por una mayor financiación del gobierno. De hecho, el gobierno británico pudo ver que Babbage estaba más interesado en la creatividad que en construir mesas.

Independientemente, el motor analítico de Babbage fue el primero en el mundo. Su característica más significativa fue la modificación de su funcionamiento cambiando las instrucciones de las tarjetas perforadas. Todas las calculadoras mecánicas o calculadoras glorificadas, como la máquina diferencial, estaban disponibles hasta esta innovación. La Máquina Analítica fue la primera máquina que mereció una computadora, aunque Babbage nunca la completó.

El objeto de la máquina en breve se puede dar así (según Henry Babbage, el hijo menor del inventor):

Es una máquina para calcular el valor o valores numéricos de cualquier fórmula o función de la cual el matemático puede indicar el método de solución. Es realizar las reglas ordinarias de la aritmética en cualquier orden establecido previamente por el matemático, y cualquier número de veces y en cualquier cantidad. Es ser absolutamente automático, el esclavo del matemático, cumpliendo sus órdenes y liberándolo del trabajo pesado de la computación. Debe imprimir los resultados, o cualquier resultado intermedio al que se haya llegado.

Babbage pretendía diseñar una máquina con un repertorio de las cuatro funciones aritméticas básicas, en contraste con la Máquina Diferencial, que usa solo sumas. En la analogía de una computadora digital moderna, el principio de diseño del motor analítico se puede dividir en:

  1. Entrada: A partir de 1836, las tarjetas perforadas (ver foto al lado) fueron el mecanismo básico para introducir en la máquina tanto los datos numéricos como las instrucciones para manipularlos.
  2. Salida: el mecanismo básico de Babbage siempre fue un aparato de impresión, pero también había considerado los dispositivos de salida gráfica incluso antes de adoptar las tarjetas perforadas tanto para la salida como para la entrada.
  3. Memoria: para Babbage esto era básicamente los ejes numéricos en la tienda, aunque también desarrolló la idea de un sistema de memoria jerárquico usando tarjetas perforadas para resultados intermedios adicionales que no cabían en la tienda.
  4. Unidad Central de Procesamiento: Babbage llamó a esto el Molino. Al igual que los procesadores modernos, permitía almacenar los números con los que se operaba de forma más inmediata (registros); mecanismos de hardware para someter esos números a las operaciones aritméticas básicas; mecanismos de control para traducir las instrucciones orientadas al usuario proporcionadas desde el exterior en un control detallado del hardware interno; y mecanismos de sincronización (un reloj) para llevar a cabo pasos detallados en una secuencia cuidadosamente cronometrada. El mecanismo de control del motor analítico debe ejecutar operaciones automáticamente y consta de dos partes: el mecanismo de control de nivel inferior, controlado por tambores masivos llamados barriles, y el mecanismo de control de nivel superior, controlado por tarjetas perforadas, desarrollado por Jacquard para la creación de patrones. telares y se utilizó ampliamente a principios del siglo XIX.

La secuencia de operaciones más pequeñas requeridas para efectuar una operación aritmética estaba controlada por tambores masivos llamados barriles (ver la figura cercana). Los barriles tenían pernos fijados a su superficie exterior de la misma manera que las clavijas de una caja de música o un organillo. Los barriles orquestaron los movimientos internos del motor y especifican en detalle cómo deben llevarse a cabo la multiplicación, división, suma, resta y otras operaciones aritméticas.

El cilindro que se muestra en la ilustración tiene solo varias posiciones de espárragos en cada fila vertical. En la máquina real, los barriles eran mucho más grandes porque controlaban y coordinaban la interacción de miles de piezas. Cada fila puede contener hasta 200 posiciones de espárragos y cada barril puede tener de 50 a 100 filas separadas. La máquina en general tenía varios barriles diferentes que controlaban diferentes secciones. Naturalmente, los barriles tenían que estar estrechamente coordinados entre sí. Cuando giraba un barril, los pernos activaban movimientos específicos del mecanismo y la posición y disposición de los pernos determinaba la acción y el tiempo relativo de cada movimiento.

El acto de girar el tambor ejecutó así automáticamente una secuencia de movimientos para llevar a cabo la operación de nivel superior deseada. El proceso es interno al motor y lógicamente invisible para el usuario. La técnica es lo que en computación ahora se llama microprograma ( aunque Babbage nunca usó este término), que asegura que las operaciones de nivel inferior requeridas para realizar una función se ejecuten automáticamente.

Para un mecanismo de control de nivel superior, Babbage inicialmente pretendía utilizar un gran barril central para especificar los pasos de un cálculo. Sin embargo, esta idea parece poco práctica, ya que requerirá cambiar los pernos del súper barril, lo que podría ser una operación engorrosa. La tarea de restablecer manualmente los espárragos en el tambor central para decirle a la máquina qué hacer era demasiado engorrosa y propensa a errores para ser confiable. Peor aún, la longitud de cualquier conjunto de instrucciones estaría limitada por el tamaño del tambor.
Su lucha con el problema del control llevó a Babbage a un verdadero avance el 30 de junio de 1836. Concibió proporcionar instrucciones y datos al motor no girando las ruedas numéricas y ajustando los pernos, sino mediante la entrada de tarjetas perforadas, por medio de tarjetas , similares a estos, utilizados en los telares Jacquard. Esto no dejó obsoleto el tambor central ni lo reemplazó. Las tarjetas perforadas proporcionaron un nuevo nivel superior de la jerarquía de control que gobernaba el posicionamiento del tambor central. El tambor central permaneció, pero ahora con secuencias permanentes de instrucciones.

Asumió la función de microprogramación, como esta de otros barriles. Si hubiera barriles separados para cada operación, y un barril central para controlar los tambores de operaciones, la tarjeta perforada presenta una forma de instruir a la máquina (el tambor central) sobre qué operaciones deseamos realizar y en qué orden, es decir, alto. Nivel de programación del motor.

El principio de las cartas se tomó prestado abiertamente del telar Jacquard (un telar mecánico, inventado por el francés Joseph Marie Jacquard a principios del siglo XIX, basado en inventos anteriores de sus compatriotas Basile Bouchon (1725), Jean Falcon (1728) y Jacques Vaucanson (1740)), que utilizó una serie de tarjetas perforadas para controlar automáticamente el patrón de un tejido (ver la foto cercana).
En el telar, las varillas estaban unidas a ganchos de alambre, cada uno de los cuales podía levantar uno de los hilos longitudinales ensartados entre el marco. Las varillas se juntaron en un paquete rectangular y las tarjetas se presionaron una a la vez contra los extremos de las varillas.

Si un agujero coincidía con una varilla, la varilla atravesaba la tarjeta y no se realizaba ninguna acción. Si no había ningún agujero, la tarjeta presionaba la varilla hacia atrás para activar un gancho que levantaba el hilo asociado, permitiendo que la lanzadera que llevaba el hilo cruzado pasara por debajo. Las tarjetas se ensartaron con alambre, cinta o bisagras de cinta y se doblaron en grandes pilas para formar largas secuencias. Los telares a menudo eran enormes y el operador del telar se sentaba dentro del marco, secuenciando las tarjetas una a la vez por medio de un pedal o una palanca manual. La disposición de los agujeros en las tarjetas determinaba el patrón del tejido.

Después de terminar el trabajo sobre el diseño de la Máquina Analítica en 1847, Babbage se dedicó al diseño de una Máquina Diferencial №2, explotando los mecanismos aritméticos mejorados y simplificados desarrollados para la Máquina Analítica. En 1857, Babbage volvió al diseño de la máquina analítica. En esta nueva fase de trabajo, Babbage se interesó activamente en construir una Máquina Analítica con sus propios recursos. El diseño lógico se simplificó un poco pero, lo que es más importante, se propusieron métodos mucho más simples y económicos para implementar los mecanismos básicos.

Babbage primero experimentó con el estampado y el prensado de láminas de metal para fabricar ruedas dentadas y piezas similares. Más tarde, adoptó la fundición a presión para fabricar piezas, una técnica recién inventada que no tuvo un uso comercial extenso hasta finales del siglo XIX. Babbage construyó muchos modelos experimentales de mecanismos utilizando estas nuevas técnicas y, en el momento de su muerte en 1871, un modelo de un molino simple y un mecanismo de impresión estaba casi terminado.

Las máquinas calculadoras de Babbage, así como todos los materiales relacionados, fueron heredados por su hijo sobreviviente más joven, el general de división Henry Prevost Babbage (1824-1918) (ver la imagen cercana), quien había mostrado un gran interés en el trabajo de su padre. Incluso cuando eran adolescentes, Henry y su hermano mayor Dugald pasaron tiempo en la oficina de dibujo y en el taller de Babbage aprendiendo habilidades de taller. Más tarde, Henry adquirió una sólida comprensión de los diseños de la máquina diferencial y la máquina analítica, y llegó a formar un vínculo estrecho con su padre, a quien visitó durante su licencia del servicio militar prolongado en la India. Babbage legó sus dibujos, el taller y las reliquias físicas sobrevivientes de las locomotoras a Henry, quien trató de continuar el trabajo de su padre y dar a conocer las locomotoras después de la muerte de Babbage.

Henry estaba al lado de la cama de su padre cuando Babbage murió en octubre de 1871, y desde 1872 continuó diligentemente con el trabajo de su padre y luego se jubiló intermitentemente en 1875. Después de ensamblar algunas piezas pequeñas de demostración para el motor diferencial número 1 (una de ellas la envió a Harvard En la década de 1930 la pieza atrajo la atención de Howard Aiken , el creador de la Harvard Mark I ).

En 1888, Henry demostró en una reunión de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia una sección del Molino del Motor Analítico, trabajando a 29 dígitos, incluido el dispositivo de transporte anticipatorio.

Luego, Henry construyó una calculadora experimental de cuatro funciones para Mill , y la completó en 1910. En realidad, Henry decidió no continuar con el diseño original del motor analítico, sino desarrollar una máquina operada manualmente para sumar, restar, multiplicar y dividir. (una calculadora de cuatro funciones), incorporando los mecanismos previstos para el molino y el mecanismo de impresión del Motor (ver foto inferior). Usando el Molino de Motor Analítico ensamblado, haría cálculos simples; en este caso, produciría múltiplos de π.

Una parte del molino y el mecanismo de impresión del motor analítico, construido por Henry Babbage.

Aunque finalmente se completó a principios del siglo XX, cuando Henry era un anciano, esta máquina parece que nunca funcionó de manera confiable. Además, el trabajo de Henry en los motores fue sólido, pero sin la audacia y la inspiración de su padre, el gran Charles Babbage.

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