В очерках этого цикла рассмотрим историю появления и развития «программирования на столе и ладони» - аппараты класса программируемых калькуляторов, основные вехи их эволюции. Где возможно и интересно – коротко затронем специфику непосредственно принципов программирования. И в завершении цикла поговорим о калькуляторе как элемент агентного и генетического программирования.
…Все, как дым, растаяло,
Голос твой теряется вдали…
Н. Добронравов
1. Механика и электрика.
Только в 50-ые года предыдущего столетия развитие технологий позволило по-новому взглянуть на доступность вычислений. К тому времени в «персональном», настольном сегменте доминировали механические арифмометры и сумматоры, которые к тому моменту практически достигли своего технического совершенства. Производители пытались их делать более легкими и компактными. Вот пример на фото ниже портативного сумматора. Оцените размеры этой полноклавишной «малютки» (без иронии). Под полноклавишной понимается набор клавиш 1-9 на каждый разряд вводимого числа, а не один набор на все разряды.
Основные операции у таких аппаратов выполнялись поворотом большой ручки (кривошипа) с правой стороны. Каретка имела два ряда дисплеев: верхний 8-разрядный регистр оборотов показывал количество сделанных поворотов, а нижний — 16-разрядный сумматор. Вращение в одну сторону добавляло введенное число (верхний регистр) в сумматор, а в другую — вычитало. Умножение и деление производились вручную путем многократного сложения/вычитания и сдвига каретки.
Несмотря на совершенство механики, оставались «неизлечимые» недостатки технологии – низкая скорость расчетов и высокий уровень шума при выполнении операций. Несильно помогло создание электромеханических калькуляторов, где вместо рукоятки появился привод от электродвигателя – скорость вычислений выросла, умножение и деление автоматизировалось, но шум прибавился.
В конце 1950-х стали появляется настольные электрические (не электронные) калькуляторы. Это был новый класс устройств, в которых в качестве логических элементов использовались реле. Одним из первых таким известным аппаратом был Casio 14-A, который, кстати, был и первым не полноклавишным.
В то время отображение на электрических, а затем и электронных аппаратах такого уровня выдавались на печать. В этой «машинке» был придуман хитроумный «дисплей», показывающий вводимые числа и результат – они отображались с помощью небольших ламп на специальной панели. Калькулятор мог оперировать числами до 14 знаков (отсюда и название). Уже тогда Casio начала формировать свой статус «законодателя мод» в индустрии..
Калькуляторы на основе реле были значительным усовершенствованием по сравнению с электромеханическими аппаратами, но физически значительно превосходили их. И хотя 14-А называли компактным, он весил 140 кг и был встроен в массивный стол. «Компактность» заключалась в том, что он помещался в обычном офисе, а «терминал» размещался на столе и не требовал отдельного зала, как ЭВМ тех лет. С технической точки зрения они не считались «настоящей» электроникой, так как замыкание контактов в реле всё еще требовало механического движения.
2. Ламповый век: Anita C / VIII — новое вдохновение для арифметики
К середине 1950-х годов миниатюризация вакуумных ламп достигла уровня, позволившего уместить вычислительную логику в корпус, сопоставимый с электромеханическими арифмометрами того времени. В 1956 году компания Bell Punch Company приступила к реализации амбициозного проекта — созданию полностью электронного настольного калькулятора. Объединив усилия с производителем механических счетных машин Sumlock Comptometer Ltd., они создали партнерство Sumlock Anita Ltd. (Великобритания). Результатом их работы стала серия калькуляторов ANITA. И, видимо, разработчики надеялись, что их разработка приведет к революции в математических расчетах, поскольку устройство получило имя от аббревиатуры "A New Inspiration To Arithmetic".
Сегодня Anita C / VIII (также известная как Mark 8) признана как первый полностью электронный калькулятор, запущенным в массовое серийное производство.
Историческая деталь: фактически первым в продажу поступил предшественник — Mark 7 (C / VII). Однако из-за неудачно выбранной элементной базы было выпущено менее тысячи экземпляров, и модель быстро заменили усовершенствованной Mark 8.
С точки зрения архитектуры, эргономики и дизайна Anita Mark 8 оставался, по сути, электронным воплощением электромеханического калькулятора. Аппарат работал с электронной реализацией десятичной системы по схеме «1 из 10», а не двоично-десятичной (используемой в большинстве простейших калькуляторах). Основные функции Anita Mark 8 обеспечивали 177 миниатюрных ламповых устройств, называемых тиратронами. Для отображения использовались двенадцать газоразрядных трубок Nixie Tube. Это заполненная газом неоновая трубка с анодом из проволочной сетки и различными катодами в форме цифр, расположенных последовательно друг за другом.
Под циферблатом расположен ряд маленьких квадратных индикаторов (подсвеченных отдельными лампочками) для индикации положения десятичной запятой. Отрицательные числа в форме дополнения к 10 (например, -1 отображается как 999999999999). Индикация ошибки и переполнения отсутствует.
Другим заимствованием от электромеханических калькуляторов является наличие полноклавишной клавиатуры. Выше мы видели, что более ранняя Casio 14-A уже была десятиклавишной, но к ней активным пользователям того времени еще предстояло привыкнуть, поскольку простое нажатие одной из цифровых полнофункциональной клавиши основной клавиатуры в режиме сложения (вычитания) немедленно добавляло (отнимало) это число к отображаемому результату — не было необходимости нажимать какую-либо клавишу, например «равно». Сложение и вычитание происходило гораздо быстрее десятиклавишной машины, поскольку все пальцы можно использовать для одновременного нажатия клавиш в разных столбцах (так сказать, параллельный ввод). Умножение и деление выполнялись по-другому и для ввода второго числа операции имелся отдельный ряд клавиш 1-9. Пользователи тех лет отмечали, что обучение работе на Anita занимало всего около 15 минут, тогда как механические счетные машины требовали недель тренировок.
Удивительно, но калькулятор поддерживал подключение внешних устройств через 37-контактный разъем, который был как дополнительная опция.
Было разработано по крайней мере два дополнительных устройства. Одним из них был внешний регистр памяти MU-123 в исполнении не маленькой коробочки (19x19x10 см).
Эти запоминающие устройства предлагали дополнительный (один!) регистр памяти типа аккумулятора, с которым можно было обменивать содержимое аккумулятора калькулятора или производить накопительное сложение / вычитание. По отзывам пользователей тех лет устройство внешней памяти значительно (!) расширяло возможности калькулятора Anita Mark 8.
Другим внешним устройством являлась печатная машинка. При её подключении к калькулятору можно было распечатать содержимое накопителя (число на дисплее) и получить печатную копию расчетов.
Но главное, что отмечали благодарные пользователи электронной техники, была тишина. После грохота электромеханических машин едва заметный гул блока питания Anita казался технологическим чудом, что обеспечило аппарату блестящие продажи и финансовый успех.
3. Транзисторный прорыв: Friden EC-130. RPN.
Но технологии не стояли на месте. С развитием полупроводников появилась возможность отказаться от громоздких ламп. Калькулятор Friden EC-130 (производитель Friden Calculating Machine Co., Inc., США) традиционно считается первым в мире полностью транзисторным настольным серийным калькулятором. Хотя за это звание боролись три компании, именно Friden закрепила за собой первенство, представив работающий прототип раньше конкурентов.
Модель | Анонс (прототип) | Начало реальных продаж | Статус |
Friden EC-130 | Июнь 1963 | Май – Август 1964 | Первый анонсированный десктоп на транзисторах. |
IME 84 | Апрель 1964 | Апрель – Май 1964 | Первый доступный для покупки в Европе. |
Sharp CS-10A | Май 1964 | Июнь 1964 | Первый серийный транзисторный калькулятор из Японии. |
И такая одновременность не случайна. В конце 50-х годов лидеры рынка электромеханического счетного оборудования стали понимать – близится смена эпох, время шестеренок уходит. Friden была в их числе и руководство компании быстро осознало, что нужно срочно что-то предпринять для гарантированного выхода Friden на рынок электронных калькуляторов.
Однако у компаний электромеханического оборудования конечно отсутствовали электронщики. В начале 60-х инженеры-электронщики работали в военной, космической и авиационной сфере. Friden пришлось буквально завлекать специалистов и в 1961 году создавать отдел по разработке электронного калькулятора с нуля.
Были проведены многочисленные исследования, разработан прототип устройства, преодолено и решено огромное количество технических проблем. Итогом стала проведенное в августе 1964 года официальное представление EC-130. Внешне аппарат и сегодня выглядит достаточно стильно, что уж говорить о впечатлении, которое он производил более 60-ти (!) лет назад.
Калькулятор, конечно, имел определенные технические особенности. Начальная цена Friden 130 составляла 2150 долларов, что в четыре раза дороже в сравнении с настольным электромеханическим калькулятором (шумным и медленным).
Отображение осуществлялось на дисплей электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Такое решение было тогда достаточно нетривиальным и вынужденным, так как исходным требованием для разработки являлось одновременный вывод всех четырех оперативных регистров машины (длинной 13 цифр). При использовании трубок Nixie дисплей стал бы огромным и дорогим, а аппарат еще больше и тяжелее.
Четыре оперативных регистра? Да, вы всё правильно поняли – это первый калькулятор с логикой вычислений RPN – обратная польская нотация (аппараты от HP появились гораздо позже). Кроме стека есть дополнительный регистр памяти. Как и все последующие калькуляторы с RPN-логикой, Friden 130 оснащен клавишей ENTER для завершения ввода числа в нижний регистр. Специальный переключатель устанавливал 0, 2, 5, 9 и 13 цифр после запятой. Клавиатура имела электромеханическую блокировку — во время вычислений (деление могло длиться до 2 секунд) клавиши физически блокировались, а дисплей отключался.
Одной из особенностей Friden EC-130 была его оперативная память. Вместо дорогой памяти на магнитных сердечниках или капризных транзисторных триггеров, Friden применила технологию «бегущего эха». Данные EC-130 хранились в виде ультразвуковых колебаний. Внутри калькулятора располагалась катушка с никелевой проволокой. Для записи электрический импульс подавался на входной преобразователь с эффектом магнитострикции (деформации металла под влиянием магнитного поля), который создавал в проволоке механическую волну. Для хранения этот ультразвуковой «щелчок» бежал по спирали проволоки со скоростью звука. Весь четырехстрочный стек представлял собой непрерывный поток таких импульсов. Для считывания на другом конце проволоки датчик улавливал вибрацию и преобразовывал её обратно в электрический сигнал, а электроника отправляла его на повторный цикл («регенерацию») и на экран.
Именно использование линии задержки продиктовало выбор электронно-лучевой трубки в качестве дисплея. Поскольку данные и так циркулировали в системе последовательно, инженерам было проще синхронизировать луч телевизионного экрана с приходящими из проволоки импульсами. Это позволило реализовать «живой стек», где пользователь в реальном времени видел, как числа перемещаются между четырьмя регистрами.
Кроме того, у Friden EC-130, даже для своего времени, была уникальная логика. Вместо стандартного двоично-десятичного кодирования (BCD), аппарат использовал специфический позиционный код, где значение цифры определялось состоянием пятибитного регистра (1 — 10000; 2 - 11000; 3 - 11100; 4 - 11110; 5 - 11111; с 6 как 01111 и заканчивается на 9 как 00001). Это позволяло напрямую синхронизировать данные в линии задержки с разверткой ЭЛТ-дисплея и упростить архитектуру до гениального минимума.
Эти и другие технические озарения радикально сократили стоимость калькулятора, его размеры и вес. Количество необходимых транзисторов, а также резисторов, конденсаторов и диодов сократилось в разы.
По функциям калькулятор имел четыре действия. Через год, в 1965 году вышел ЕС-132 с вычислением квадратного корня отдельной кнопкой, что явилось подарком для ученых и инженеров. Правда эту операцию выполняла специально разработанная отдельная плата. Имелся индикатор состояния переполнения и кнопка его сброса. А вот на ноль лучше не делить, неминуемо аппарат перейдёт в состояние, когда дисплей и индикатор не горят, кнопки не нажимаются. Возникало полное ощущение «сломался?!» (помните «Тьма» на советских ПМК?)
При разработке этой удачной машины никто не думал, что компания Friden стремительно станет лидером в индустрии электронных калькуляторов. Однако это лидерство было недолгим. Как это часто бывает, то, что недавно было хитроумным достижением, достаточно быстро превратилось в балласт. Friden EC-130 нёс в себе гены «старой школы» американского приборостроения: упор на уникальность, сложность и избыточную надежность. Пока американские инженеры доводили до совершенства свои дискретные схемы, японские компании (прежде всего Sharp, тогда еще Hayakawa Electric) применили стратегию агрессивной микроминиатюризации и ценового демпинга.
Главная гордость Friden — экран на электронно-лучевой трубке — стала его ахиллесовой пятой модернизации. Кинескоп требовал высокого напряжения, массивных трансформаторов и глубокого корпуса. Калькулятор превращался в неподвижный «якорь» на рабочем столе весом почти 20 кг. Американские машины Friden, Wang (рассмотрим далее) требовали от пользователя понимания стека и специфической логики (RPN). Подавляющему большинству не нужны четыре значения стека перед глазами. Японцы же вернули на панель привычные кнопки «плюс», «минус» и «равно», сделав интерфейс максимально дружелюбным для обывателя. И поэтому, например, Sharp (да и другие) сделала ставку на компактные газоразрядные индикаторы, а позже — на вакуумно-люминесцентные панели. Это позволило сделать японские машины плоскими, легкими и, что немаловажно, гораздо более дешевыми в производстве.
И, возможно главное, в 1963 году, как раз на пике запуска EC-130, компанию Friden купила корпорация Singer (знаменитый производитель швейных машин). Это стало началом конца: Singer была консервативным гигантом, привыкшим к жизненному циклу товаров в десятилетия. Электроника же требовала (уже тогда!) обновления каждые полгода. И конечно крупный гигант утопал в бюрократии – пока инженеры Friden пытались доказать руководству необходимость перехода на микросхемы, японцы из Sharp и Casio уже выпускали их миллионами.
И, забегая вперед по нашей хронологии, чтобы завершить историю, к 1974 году подразделение калькуляторов Friden стало сильно убыточным, и Singer приняла решение полностью прекратить их производство. Имя, которое десятилетиями было синонимом высшей надежности считающих аппаратов, исчезло, не выдержав гонки с японским «кремниевым конвейером».
Единственное, что пережило компанию — это концепция RPN. Её подхватила Hewlett-Packard, превратив «вынужденное» решение в культовую фишку своих инженерных калькуляторов, которая жива и по сей день. Но это уже другая история...
Главное, Friden EC-130 действительно положил начало массовому внедрению электронных калькуляторов в бизнесе и научных расчетах в качестве замены шумных и медленных электромеханических калькуляторов. И это историческая заслуга.
