Jak działają karty perforowane i jaka jest ich historia
Sama idea dziurkowanego nośnika danych sięga aż do wieku 18-stego, gdy po raz pierwszy zastosowano go – co prawda w postaci nie karty – a taśmy w procesie przyspieszenia działania krosna. Wcześniej podobne rozwiązania znane były z automatycznych instrumentów muzycznych i mechanizmów zegarowych.
Nad pełną automatyzację krosna trzeba było jednak poczekać jeszcze kilka lat. Dokonał jej w roku 1804 Josepha Jacquarda – łącząc kilka poprzednich pomysłów i stosując serię perforowanych kart, jako nośnik danych do w pełni automatycznego kontrolowania maszyny tkackiej.
Rzecz jasna na kartach zapisywane były dane o wzorach, które miały pojawić się na materiale, a zasada działania zapisu informacji na nich była banalnie prosta
Na karcie w wyznaczonych miejscach mogły pojawiać się dziurki – w nie wsuwały lub nie wsuwały się trzpienie kontrolujące cały mechanizm krosna.
W tym samym czasie rosyjski wynalazca Siemion Korsakow zorientował się, że technologię tą można wykorzystać do przechowywania i przetwarzania danych oraz konstrukcji maszynowej inteligencji.
Niestety jego pomysły nie przyjęły się, a on sam wziął się za propagowanie czegoś w co ludziom było znacznie łatwiej uwierzyć niż w inteligentne maszyny – zajął się homeopatią…
Dopiero w roku 1887 amerykanin Herman Hollerith przeforsował pomysł by karty perforowane nie były tylko nośnikami instrukcji kontrolnych, a nośnikami danych, które można było później obrabiać – zliczać, sortować i segregować.
Jego system wykorzystano kilka lat później w spisie ludności USA w roku 1890. Wszędzie tam gdzie obywatel podawał pozytywną odpowiedź na pytanie – w karcie pojawiała się dziurka. To rozwiązanie spowodowało, że wyniki spisu dostępny były praktycznie od razu – co otworzyło oczy biznesmenom i stworzyło nowy rynek obróbki danych.
Sam Herman założył firmę Tabulating Machine Company, która przekształciła się później po połączeniu z 3 innymi biznesami tego typu w Computing-Tabulating-Recording Company (CTR), tworząc praktyczny monopol na rynku. Samo CTR w roku 1924 roku zmieniło nazwę na bardziej chwytliwą – International Business Machines Corporation. I tak właśnie powstał IBM.
Jak wspomniałem wcześniej karty perforowane stosowane były na początku głównie jako nośniki informacji statystycznych, które mogły być maszynowo przetwarzane. Następnie pojawiły się maszyny potrafiące dokonywać sumowania i innych operacji arytmetycznych, co bardzo przydało się księgowym. Kolejnym naturalnym krokiem było zastosowanie ich w programowalnych już kalkulatorach zarówno jako nośnik danych, jak i instrukcji, a następnie w pojawiających się na rynku komputerach.
Co prawda na świecie istniało wiele różnych formatów kart i sposobów zapisu danych, ale najpopularniejszym z nich był wprowadzony przez IBMa w roku 1928 format 80 kolumnowy.
Karta IBM ma wielkość 7 3⁄8 na 3 1⁄4 i cala z ściętym lewym górnym rogiem. Podzielona jest na 80 kolumn i 12 wierszy.
Każda kolumna odpowiada pojedynczemu znakowi, także na karcie mieści się ich maksymalnie 80. Tyle wynosi więc ilość danych, jakie możemy w jednym kroku wprowadzić do komputera. Stąd w dużej liczbie terminali znakowych – na ekranie wyświetlanych jest właśnie 80 znaków w linii.
Do zapisu znaku mamy 12 dziurek, czyli 12 bitów. Proste obliczenie mówi nam, że możemy robiąc tu dziurki zapisać bitowo aż 4096 informacji. Wyobraźcie sobie jednak, kartę przedziurkowaną 12 razy w każdej kolumnie. Rzecz jasna rozpadła by się po kilku użyciach.
Z tych przyczyn zdecydowano się, na dziurkowanie karty maksymalnie 2-3 razy w każdej kolumnie.
Kartę podzielono ją w następujący sposób – 10 dziurek od dołu odpowiada cyfrom od 9 do 0 i zwane jest dziurkami numerycznymi.
Natomiast trzy najwyższe 12,11-sta i 0-rowa – to coś w rodzaju dziurek kontrolnych, zwanych dziurkami strefowymi. Jak możecie zauważyć – wiersz oznaczony jako 0 – należy jednocześnie do obu stref.
Gdy w kolumnie znajduje się tylko jedna dziurka w strefie 0-9, komputer odczytuje to bezpośrednio jako cyfrę od 0 do 9.
Gdy na karcie w kolumnie pojawia się dodatkowa dziurka na pozycji 12 – oznacza to, że mamy do czynienia z literami od A (pierwsza dziurka na pozycji 0) do I (pierwsza dziurka na pozycji 9).
Podobnie gdy druga dziurka pojawia się na pozycji 11, oznacza to, że mamy do czynienia z literami od J (pierwsza dziurka na pozycji 0) do R (pierwsza dziurka na pozycji 9).
Teraz robi się troszkę trudniej, bo pozostała część liter kodowana jest poprzez umieszczenie drugiej dziurki na pozycji 0, a pierwszej od pozycji 2 – litera S do pozycji 9 – litera Z.
Potrzebny często znak minus koduje się przez pojedynczą dziurką numer 11. Pojedyncza dziurka 12 to znak &. Natomiast brakująca wyrwa w literach – czyli przedziurkowane 0 i 1 to znak dzielenia.
Pozostałe znaki specjalne kodowano przez kolejne kombinacje dwóch oraz dodanie trzeciej dziurki.
W późniejszych latach wraz z rozwojem maszyn pozwalano nawet na obecność 6 dziurek w jednej kolumnie, co umożliwiało zapisanie aż 64 różnych znaków, dalej pamiętając, iż omijano układy dziurek, które mogły uszkodzić zbytnio kartę – jak 6 obok siebie.
Ponieważ nawet 64 znaki to nie za dużo – używano więcej niż jednego zestawu znaków – inny był on gdy obrabiano dane statystyczne i biznesowe, inny gdy zajmowano się programowaniem. Zmiany w kodowaniu znaków zachodziły jednak nie w podstawowym zestawie cyfr i dużych liter, a dotyczyły głównie dalszych pozycji – np. różnych zestawów znaków specjalnych.
Do tworzenia kart używano maszyn zwanych dziurkarkami. Mogły być one sterowane przez komputer lub przez człowiek – z pomocą klawiatury, która bardzo przypominała klawiaturę mechanicznej maszyny do pisania. Jedną z głównych różnic było to, że po naciśnięciu klawisza RETURN – zamiast przejści do kolejnej linii – maszyna rozpoczynała dziurkowanie kolejnej karty.
Karta już wydziurkowana trafiała zazwyczaj jeszcze do urządzenia sprawdzającego, czy nie została ona uszkodzona lub błędnie wydziurkowana, a następnie na stosik gotowych kart.
Prócz dziurek maszyny te drukowały zazwyczaj na karcie ten sam ciąg znaków w postaci normalnego nadruku – tak by była ona czytelna również dla ludzi. Czasami pojawiały się też dodatkowe informacje – jak np. numer karty w stosie, który zdecydowanie ułatwiał ich ponowne posortowanie, gdyby nie daj boże się rozsypały.
Niektóre kompilatory w ówczesnych komputerach wykorzystywały np. tylko pierwsze 70-pare kolumn, pozostawiając ostatnie do wykorzystania dla znaków kontrolnych i numeracji kart – dzięki czemu można było je sortować maszynowo.
Innym sposobem na uproszczenie sobie sortowania rozsypanych kart było rysowanie na ich brzegach jakiegoś wzorku – choćby linii. Dzięki temu można było choćby wstępnie ułożyć od nowa program w dobrej kolejności, a potem zająć się końcowym już poprawianiem ułożenia kart.
Karty odczytywane były przez komputer w specjalnych czytnikach. Te z początkowo powolnych mechanicznych przekształciły się w szybkie fotoelektryczne – potrafiące odczytać nawet kilkanaście kart na sekundę. Dawało to prędkość około 1,5 tysiąca znaków na sekundę.
Upraszczając sprawę i uznając że na jednej karcie zapisać można było 80 bajtów, można obliczyć, że odczyt 1 MB zająłby około 12 minut, a 12,5 tysiąca kart użytych do jego zapisania ważyłoby około 76 kg, ich stosik miałby natomiast około 2,25 m wysokości.
Niestety dość często zdarzały się błędne odczyty, wynikające z np. nie do końca odciętych “dziurek” lub z faktu, że czasami papierowe konfetii (czyli rzeczone ocięte dziurki) przyklejały się do karty i zasłaniały otwory.
Były to jednak błędy, które nie wpływały zazwyczaj na dobry odbiór tej technologi, którą wykorzystywano jeszcze do połowy lat ‘80 ubiegłego wieku.
Jako ciekawostkę można przytoczyć fakt, iż w USA karty perforowane wykorzystywane były jeszcze do roku 2000 w wyborach prezydenckich – aż do skandalu w Florydzie, gdy okazało się, że były one w tak złym stanie, iż odrzuciły dużą ilość głosów – jako nie ważne, gdyż nie radziły sobie z poprawnym przedziurkowywaniem kart.
Należy jednak wspomnieć, że głównym powodem tego stanu było używanie ręcznych dziurkarek, których działanie zależało od siły z jaką wyborca wcisnął dźwigienkę głosowanie.
Ważną zaletą kart było fakt, że mogły być używane zarówno jako nośnik wejściowy dla danych i programów, ale i jako nośnik na którym zapisywane były wyniki działania aplikacji. Wyniki te można było potem bez problemu wsunąć do stosu kolejnego programu, jako dane wejściowe i przetwarzać dalej.
Nawet w czasach gdy same komputery posiadały już pamięci magnetyczne, czy nawet pierwsze twarde dyski – te nowoczesne nośniki pamięci stosowane były głównie przez system operacyjny maszyny.
Zwykły użytkownik program swój przynosił nadal na kartach.
Maszyna następnie wczytywała go do swojej bardziej już zaawansowanej pamięci stałej – lecz tylko tymczasowo – do czasu, gdy przyszła pora na jego wykonanie. Program wykonywał się korzystając z pamięci komputera, mielił co miał zmielić, a na końcu wydrukował na kartach wyniki swojej pracy.
Generalnie przychodziło się więc do centrum obliczeniowego ze stosikiem kart, a po kilku dniach odbierało stosik powiększony o karty z wynikami lub informację, że w programie znalazł się błąd i nic z niego nie wyszło.
Z biegiem lat i upowszechnianiem się bardziej cywilnych nośników danych takich jak dyskietki oraz co chyba ważniejsze upowszechnianiem się sieci i możliwości zdalnego ładowania programów z terminali i komputerów użytkowników na mainfraimy, czyli woły robocze danej organizacji) karty powoli zaczęły odchodzić do lamusa.
Choć ostatnie nowinki związane z kartami dziurkowanymi wprowadzane były na przełomie lat 60 i 70-tych – były one coraz częściej stosowane, jako opcjonalne dodatki do maszyn, dla zachowania kompatybilności.
Era kart definitywnie zakończyła się w latach 80’, co oczywiscie nie oznacza, że gdzieś tam na świecie nie działają ostatnie systemy oparte o tą technologię. Są to już jednak tylko relikty przeszłości i papierowych nośników danych.