От дощечки к компьютеру. Путь от ткачества к ЭВМ
Ткацкий станок и ЭВМ
Привет, Хабр! Меня зовут Арина Шахтарина, я — инженер в Сбере, а ещё занимаюсь ткачеством. Сегодня поговорим о том, откуда появились первые компьютеры и разберём одну из версий — путь от ткачества к ЭВМ.
Кажется, что компьютеры начали разрабатывать совсем недавно, лет 50–70 назад. Но на самом деле предпосылки к этому были очень давно.
Многие из вас узнают «Станок Судьбы» на кадре из фильма «Особо опасен»:
Кадр фильма «Особо опасен»
Фильм, конечно, фантастический, но в нём есть и доля истины. «Станок судьбы» выдавал информацию в бинарном коде. Эта идея вполне имеет под собой основание. Искусству создания тканей больше 5 000 лет. Изначально это было плетение из лиан, листьев, полосок кожи, растений. С развитием скотоводства появилась шерсть, люди научились делать нитки, и из них тоже начали что-то плести и ткать. С окультуриванием растений, начали использовать те из них, у которых стебли лучше подходят для ткачества. При переплетении получались достаточно узкие полоски ткани.
Вот как это выглядело:
Первые способы плетения для создания тканей
Узкие — это не 10 см в нашем понимании, а буквально пара сантиметров. Сделать из этого что-то достаточно сложно. Полоски пытались сшивать или переплетать между собой. Основное переплетение было полотняным.
Развитие ткачества
Ткали сначала очень медленно, нужно было перебирать каждую ниточку. Тогда задумались, как ускорить, усовершенствовать этот процесс и придумали полуремизки. Это петельки, которые привязывались нитками через одну. Это давало возможность поднять нити по очереди, или, например, только все чётные/нечётные нитки.
Ручное ткачество
Полуремизки здорово ускорили процесс ткачества, потому что, как минимум, половину ниток не нужно было перебирать. Но вторую половину по-прежнему приходилось перебирать вручную.
Следом придумали ремизки — двухсторонние петельки. По краям сверху и снизу к ним крепится прутик. Они нанизываются на прутик, а в середине у них глазок, в который продевают ниточку.
Приспособления для ткачества
С помощью этого приспособления можно было ткать намного быстрее — поднимались отдельно чётные нити, отдельно — нечётные. Соответственно, скорость ткачества увеличивалась, что позволило делать ткань.
Но ремизки были нитяные, при ткачестве они перетирались, что вызывало дискомфорт, их нужно было перевязывать, нитки путались. Нужно было новое решение.
Ткацкие инструменты
Появились первые ткацкие инструменты. Например, бердо:
Первые ткацкие инструменты — бердо
Бердо — это твёрдая конструкция, состоящая из наборных планок с отверстиями и прорезями, куда заправляют нити. Те, что в отверстиях, остаются на одном уровне. Те, что в прорезях, могут ездить вверх и вниз. За счёт этого меняется порядок нитей на чётные и нечётные, появляется возможность их переплетать.
Параллельно с бердо развивался ещё один ткацкий инструмент — дощечки, которые сейчас нам кажутся похожими на печеньки.
Первые ткацкие инструменты — дощечки
Это квадратные дощечки с 4 отверстиями. Гораздо реже — прямоугольники с 2 отверстиями.
Схемы ткачества
Ткачество на бердо даёт полотняное переплетение один к одному, то есть одна нитка сверху, одна снизу, и так по очереди. Для работы с бердо используется один инструмент.
Полотняное переплетение
При ткачестве на дощечках процесс намного сложнее. Нити нужно заправить в определённом порядке, дощечек используется несколько — от 10 до 30, сколько удобно взять в руки.
Пример орнамента
На дощечках узоры получаются гораздо красивее, вариантов больше. На бердо варианты узора можно регулировать только цветом — как заправили, в такую полосочку изделия и будут. А на дощечках уже можно делать какой-то орнамент.
Как происходит процесс ткачества и что получается
Чтобы ткать с помощью бердо мы просто поднимаем его и опускаем. За счёт этого нити меняются местами и образуется ткань.
Использование бердо
При ткачестве на бердо получаются достаточно тонкие и гибкие ткани, в которых основной рисунок можно получить только за счёт цвета. При этом изделие остаётся достаточно узким, потому что, если сделать такой инструмент шириной в полтора метра, ткать будет не удобно.
Пример ткани, изготовленной с помощью бердо (пояс)
Чтобы ткать с помощью дощечек, их нужно поворачивать вокруг своей оси, и тут важно не запутаться, ведь можно поворачивать или всегда вперёд, или всегда назад, или сначала вперёд, потом назад. Или какую-то часть в одну сторону, а другую — в другую. То есть нужно быть намного внимательнее.
Переплетение с помощью дощечек
На дощечках получаются узкие полоски ткани, которые удобно использовать в качестве украшения, как декор, пояс или делать небольшие самостоятельные изделия.
Пример ткани, изготовленной с помощью дощечек (пояс)
Но работа с дощечками требует большей внимательности, чем ткачество на бердо. Именно поэтому дальнейшее развитие получило бердо — оно проще, понятней, и большее количество людей могли с ним работать.
Трансформация ткацкого станка
Долгое время ткацкий станок был вертикальным, то есть нити основы были натянуты вертикально — сверху вниз. Именно к ним подвязывали те самые ремизки, о которых мы говорили в начале. Но со временем он трансформировался в горизонтальный.
Есть версия, что их развитие шло параллельно. В какой-то местности прижился горизонтальный, в другой — вертикальный. Но горизонтальный всё же получил большее распространение.
Трансформация ткацкого инструмента
Вертикальный станок можно увидеть в музеях или у бабушки в деревне. Горизонтальный ткацкий станок дошёл до нас практически неизменным — как минимум, до начала XX века им пользовались. Менять в этой конструкции было просто нечего, поэтому она много лет оставалась одинаковой.
Посмотрим на конструкцию ткацкого станка. Он состоит из множества разных деталей. Но сейчас нас интересует серединка, именно та часть, в которой происходит переплетение нитей.
Традиционный ткацкий станок
Механизм традиционного ткацкого станка
На схемах выше видно бердо и ремизную раму.
Те самые ремизки, в которые вставлялись нитки для перебора, стали использоваться для поднятия и выбора нужных нитей. А бердо трансформировалось и стало использоваться как инструмент для уплотнения ткани, чтобы это была не марля, а нормальная ткань, из которой можно что-то сшить. Получается, основные детали ткацкого станка — это ремизки и бердо.
Ткацкими станками пользуются до сих пор. Посмотрим, как выглядят современные ткацкие станки.
Современные ткацкие станки и схемы
Например, на станке с бердо можно соткать такие рисунки: клетку, гусиную лапку и другие не очень сложные переплетения.
Виды переплетения нитей в ткани
Если же у станка есть ремизки, то рисунки можно получить намного сложнее. Появляются ромбики, зигзаги, простора для творчества — больше.
Виды переплетения нитей в ткани
Если увеличивается количество ремизных рам, например, до 8, то рисунки можно делать ещё сложнее, например, широко известные парчовые ткани.
Виды переплетения нитей в ткани
Кстати, схемы для ткачества похожи на низкопиксельное изображение — те же клеточки разрешения экрана.
Популярный сложный станок имеет 16 ремизных рам.
Виды переплетения нитей в ткани
32 рамы — это уже фантастика, таким станком очень сложно управлять, потому что банально можно запутаться в клавишах, но и такие умельцы есть. Схемы будут очень сложные, проще переходить на промышленный станок. А мы говорим в этой статье про ручное ткачество.
Современные ткацкие станки, которые используются для ручного ткачества, сейчас выглядят примерно так:
Трансформация ткацкого инструмента
Эти станки сделаны в XXI веке, они — наши с вами современники. Так при чём тут ЭВМ?
Ткачество и ЭВМ
Перенесёмся на 300 лет назад…
1725 год. Базиль Бошо предложил управлять ткацким станком с помощью перфорированной бумажной ленты. Ремизные рамы нужно было поднимать не вручную. Для этого рулон бумажной ленты позволял менять последовательность нитей.
Ткацкий станок с перфорированной бумажной лентой
Но у этого способа был ряд недостатков: бумага могла порваться, стиралась от времени, можно было сделать ошибки при наборе.
Перфорированная лента для ткацкого станка выглядела примерно так:
Перфорированная лента для ткацкого станка
Это огромная, иногда километровая бумажная лента, которую сначала очень долго делали, а потом очень бережно пытались что-то с её помощью соткать.
1728 год. Жан-Батист Фалькон заменил рулон перфорированной бумажной ленты на отдельные скреплённые пластины. Это позволило вносить изменения, если была допущена ошибка, или вдруг бумажная лента порвалась, или рисунок решили поменять по ходу ткачества.
Вот как это выглядело:
Перфорированные пластины для ткацкого станка
Это очень напоминает перфокарты. Были варианты с бумагой и деревом, на рисунке выше показан вариант из картона.
Решение классное, но управлять всё-равно было сложновато.
1745 год. Жак де Вокансон попытался механизировать ткачество, используя цилиндры с шипами для считывания перфокарт.
Механизм из цилиндров с шипами для считывания перфокарт
Изготовление перфокарт
В середине станка был встроен большой металлический цилиндр с шипами, на которые надевались перфокарты. В зависимости от этого поднимались нужные ремизки. Это удобно, но машина была огромной. А сами перфокарты готовили очень долго. Многие мастера брали себе помощников, подмастерьев. Нужно было быть очень внимательным, чтобы сделать тысячи этих перфокарт и не ошибиться в расположении отверстий.
1801 год. Жозеф Мари Жаккард создал надстройку, которая автоматически соединяла станок с непрерывным набором перфорированных карточек.
Так выглядел станок:
Ткацкий станок Жаккарда
Ткацкий станок Жаккарда
Станок на картинке в натуральную величину, вот как размер машины соотносился с ростом человека. Станок был очень большим, но управлять им мог один человек. Он нажимал на педаль, и система шипов считывала следующую карточку и поднимала нужные нити.
Способность ткацкого станка здорово ускорить процесс ткачества была воспринята обществом не очень хорошо, особенно когда станок продемонстрировали императору. Мастерскую Жаккарда «разбомбили» — сломали все станки просто потому, что такой способ ткачества мог отнять у людей хлеб, работу и возможность зарабатывать деньги. Но Жаккард не остановился.
1804 — 1808 годы. Жозеф Мари Жаккард усовершенствовал свой станок, получил патент и, наученный опытом, передал изобретение в общественную собственность жителей города Лиона, который славился своими ткачами.
Ткацкий станок Жаккарда с готовой тканью
Особенности ткацкого станка Жаккарда:
управлять станком может один человек;
нет ремизок;
для каждой нити — свой стержень с кольцом;
можно соткать любой узор в зависимости от того, что выбито в перфокартах;
для первого известного полотна использовано 24 тысячи перфокарт;
одно из первых полотен заказал себе Чарльз Бэббидж.
1822 год. Чарльз Бэббидж построил модель разностной машины, которая могла только складывать и вычитать. Она не была построена полностью при его жизни, потому что машина планировалась многотонной и требовалось огромное количество одинаковых деталей.
Модель разностной машины, которая могла только складывать и вычитать
1834 год. Чарльз Бэббидж, вдохновившись использованием перфокарт, начал работу над аналитической машиной и предусмотрел в ней фиксаторы разрядов, чтобы не было ошибок в вычислениях.
В этой аналитической машине Бэббидж использовал перфокарты для программирования двух видов:
Оперативные карточки для ввода инструкций
Карточки переменных для ввода данных
Аналитическая машина Бэббиджа
Также в этой машине предусматривалось выводное устройство, которое должно было выбивать либо отверстие на бумаге, либо оставлять углубление, если это был тонкий лист металла.
1840 год. План двигателя аналитической машины Чарльза Бэббиджа.
План двигателя аналитической машины Чарльза Бэббиджа
План просто впечатляет подробными вычислениями и возможностями того, что могла делать эта машина в то время.
1842 год. Британское правительство отклонило запрос на финансирование этой аналитической машины. Несмотря на это, Чарльз Бэббидж всё-таки построил её и посетил Италию с докладом о своей машине. В Турине он познакомился с Луиджи Федерико Менабреа, который опубликовал на французском языке заметки, основанные на докладе Бэббиджа, обзор работы аналитической машины и ввёл понятие «переменная».
Обзор Луиджи Федерико Менабреа на аналитическую машину Бэббиджа
Обзор работы аналитической машины
1843 год. Ада Лавлейс, помощница Бэббиджа, перевела работу на английский язык и добавила примечания, которые получились почти в 2 раза больше основного доклада. Она увидела возможности машины, которые в докладе даже не упоминались, и ввела понятие «цикл».
Заметки Ады Лавлейс
Примечания Ады Лавлейс
В своих примечаниях Ада Лавлейс подробно расписала алгоритм вычисления чисел Бернулли. На это тоже была способна аналитическая машина Бэббиджа.
Примечания Ады Лавлейс и алгоритм вычисления чисел Бернулли
Интересные факты:
Сама Ада говорила:
машина не претендует на возможность создать что-то новое;
назначение машины — помочь человеку сделать доступными знания, которыми он уже обладает;
эффект действия программируемой машины — в расширении человеческих возможностей.
Кажется, что сейчас примерно то же самое говорят про искусственный интеллект.
1853 год. Отец и сын Пер Георг и Эдвард Шойц спроектировали первый печатающий калькулятор, способный вычислять логарифмические таблицы. Он был без фиксаторов разрядов и поэтому иногда ошибался.
Первый печатающий калькулятор, способный вычислять логарифмические таблицы
1880 год. Герман Холлерит начал работу над табулятором, и использовал он те же самые перфокарты.
Табулятор Холлерита
1884 год. Холлерит создал свой Табулятор в двух вариантах:
механический — использовался контролёрами в транспорте (известный нам компостер — это его преемник);
электрический — позже использовался в переписи населения.
Карточки были из изоляционного материала, в них было по 12 строк по 20 возможных отверстий в каждой. Применение табулятора сэкономило 2 года работы. Табулятор применялся до 70-х годов ХХ века, то есть ещё 50 лет назад вполне использовался.
Сам Холлерит автоматизировал процесс подачи и сортировки перфокарт, наладил производство и сервисное обслуживание вычислительных машин и изготовление перфокарт. Затем, в 1896 году, вложил средства от табулятора в создание фирмы по реализации своих машин, а в 1911 году её продал. Те, кому продал, объединились с другими компаниями, итоговая фирма получила название Computer-Tabulating-Recording Co, а в 1924 году была переименована во всем известную IBM.
1927 год. Вэнивар Буш спроектировал и собрал аналоговый компьютер. Он внедрил электрические части вместо механических. Этот компьютер решал дифференциальные уравнения с 18 независимыми переменными. Для тех времён это огромный шаг вперёд.
Вэнивар Буш и его компьютер
1936 год. Алан Тьюринг представил миру модель универсальной машины, о которой Вы наверняка слышали.
Модель универсальной машины Тьюринга
Машина Тьюринга способна совершать любые математические и логические операции, используя процесс пошагового вычисления. Первая модель универсального компьютера общего назначения могла решать любые сложные задачи и позволила формализовать понятие алгоритма.
1940 год. Алан Тьюринг усовершенствовал свою универсальную машину. В дальнейшем она использовалась для расшифровки сообщений шифровальных машин Энигма и Лоренц.
Усовершенствованная универсальная машина Тьюринга
Об истории развития ЭВМ с 1940-хх написано уже много, поэтому кратко упомянем основные события:
1940 — 1957 годы:
доработана машина Тьюринга;
1947 — изобретён транзистор;
1951 — создан первый коммерческий массовый компьютер UNIVAC I;
1955–1959 — создан первый язык обработки данных на английском языке, а не на машинном коде. Язык назвали FLOW-MATIC для UNIVAC;
1957 — предложено создать универсальный язык, результат — язык Fortran (FORmula TRANslator).
1968 — 1981 годы:
1968 — демонстрация компьютерной мыши;
1969–1975 — создан UNIX, языки В и С, переписан UNIX;
1970 — начато массовое производство микросхем ОЗУ;
1971 — появились дискеты;
1973 — описана сеть Ethernet;
1975 — создана компания Microsoft;
1976 — продемонстрирован Apple I;
1981 — первый массовый персональный компьютер IBM PC.
А дальнейшие события отнесём к современности.
Современный программируемый ткацкий станок выглядит так:
Современный программируемый ткацкий станок
В начале мы видели механические станки, а этот уже можно программировать: задаётся узор, который хочется получить, внутри всё автоматизировано. В результате получаем ткань с желаемым рисунком.
А если хочется почувствовать себя программистом из прошлого и соткать своё полотно судьбы, напишите в комментариях — расскажу как сделать станок, как его «программировать» и как соткать кусочек ткани.
Ссылки на источники:
https://trashbox.ru/link/computer-history-from-1801-to-1951
https://habr.com/ru/articles/422169/
https://wiki5.ru/wiki/Analytical_Engine
https://archive.itcon-s.com/pervaya-v-mire-vychislitelnaya-mashina-charlza-bebbidzha-1822.html
https://galanix.com/articles/tkackiy-stanok-zhakkarda
https://www.techinsider.ru/technologies/12195-tkatskiy-stanok-pradedushka-kompyuterov-programma/
https://speakerdeck.com/sadr0b0t/istoriia-avtomatichieskikh-vychislitieliei-analitichieskaia-mashina-bebbidzha-luidzhi-mienabriea-ada-lavlieis
https://www.sophiararebooks.com/pages/books/5187/
https://sophiararebooks.cdn.bibliopolis.com/pictures/3544a.jpg
