Машина электронная вычислительная общего назначения БЭСМ-6

МЭСМ

ЭДСАК

ЭНИАК

Марк I

В 1937 году американский физик Говард Гатуэй Айкен начал работать в Гарвардском университете над тезисами своей диссертации. Айкену было около сорока — возраст, не типичный для диссертанта. Нетипичным был и его путь в науку.

Закончив военно-техническую школу в Индианаполисе, Айкен поступил в Висконсинский университет, где в 1923 году получил степень бакалавра в области электротехники. Но еще в 1919 году, будучи студентом, Айкен начал служить в Мэдисонской газовой компании, специализируясь на разработке и исследовании генераторов сильных токов. Добившись некоторых успехов, он в 1928 году перешел в фирму «Вестингауз». Но молодого инженера тянуло к «основам науки» — математике и физике, и в 1931 году он снова становится студентом, на этот раз Чикагского университета. В следующем году, окончательно порвав с Вестингаузом, он переходит в Гарвард, где завершает свое научное образование.

Теоретическая часть диссертации Айкена содержала решение так называемых нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений. Чтобы сократить вычислительную работу, Айкен начал придумывать несложные машины для автоматического решения частных задач, например для вычисления полиномов. В конце концов, он пришел к идее автоматической универсальной вычислительной машины, способной решать широкий круг научно-технических задач.

Фирма IBM, согласившаяся финансировать создание машины, выделила в распоряжение Айкена четырех инженеров. Работа продолжалась около пяти лет, и в августе 1944 года была закончена и передана Гарвардскому университету «Вычислительная машина с автоматическим управлением последовательностью операций» (АСКК), известная под названием «Марк I».

Замечательно, что ее автором был человек, широтой своих интересов — инженер, математик, физик,— напоминавший Чарльза Бэббиджа. С идеями великого англичанина Айкен познакомился случайно, спустя три года после начала работы над «Марк I». Пораженный предвидением Бэббиджа, он писал: «Живи Бэббидж на 75 лет позже, я остался бы безработным!»

В «Марк I» использовались механические элементы для представления чисел и электромеханические — для управления работой машины. Как и в аналитической машине, числа хранились в регистрах, состоящих из десятизубых счетных колес. Каждый регистр содержал 24 колеса, причем 23 из них использовались для представления числа, а одно — для представления его знака. Регистр имел механизм передачи десятков и поэтому использовался не только для хранения чисел; находящееся в одном регистре могло быть передано в другой регистр и добавлено к находящемуся там числу (или вычтено из него).

Эти операции выполнялись следующим образом. Через счетные колеса, образующие регистр, проходил непрерывно вращающийся вал, причем любое колесо с помощью электромеханических переключателей могло быть присоединено к этому валу на время, составляющее некоторую часть периода его оборота. К каждому колесу присоединялась щетка (считывающий контакт), которая при вращении колеса пробегала по неподвижному десятисегментному контакту. Это позволяло получить электрический эквивалент цифры, хранящейся в данном разряде регистра. Для выполнения операции суммирования устанавливались такие соединения между щетками первого регистра и механизмом переключения второго регистра, что колеса последнего связывались с валом на часть периода оборота, пропорциональную цифрам, находящимся в соответствующих разрядах первого регистра. Все переключатели автоматически выключались в конце фазы сложения, занимавшей не более половины периода оборота. Таким образом, механизм суммирования, по существу, не отличался от сумматоров холлеритовских табуляторов. Регистры были снабжены системой сквозного переноса, аналогичной предлагавшейся Бэббиджем.

Всего в «Марк I» было 72 регистра и, кроме того, дополнительная память из 60 регистров, образованных механическими переключателями. В эту дополнительную память вручную вводились константы — числа, которые не изменялись в процессе вычислений.

Умножение и деление производились в отдельном устройстве. Кроме того, машина имела встроенные релейные блоки для вычисления функций sin х, 10х и log х. Скорость выполнения арифметических операций в среднем составляла: сложение и вычитание —0,3 секунды, умножение — 5,7 секунды, деление—15,3 секунды. Таким образом, «Марк I» был «эквивалентен» примерно 20 операторам, работающим с ручными счетными машинами.

Работой «Марк I» управляли команды, вводимые с помощью перфорированной ленты. Каждая команда кодировалась посредством пробивки отверстий в 24 колонках, идущих вдоль ленты, и считывалась с помощью контактных щеток. Совокупность электрических сигналов, полученных в результате «прощупывания» позиций данного ряда, определяла действие машины на данном шаге вычислений (Рисунок 11.13).

После завершения операции лента сдвигалась, и под контактные щетки попадал следующий ряд отверстий. В одной перфоленте Айкен объединил два типа бэббиджевских перфокарт — операционные карты и карты переменных.

Рисунок 11.13 - «Марк 1»

В качестве устройств вывода Айкен использовал пишущие машинки и перфораторы. «Марк I» содержал все основные блоки аналитический машины: устройства ввода и вывода, устройство управления, память («склад») и арифметическое устройство («мельница»).

Вслед за пуском «Марк I» гарвардская группа, оформившаяся в вычислительную лабораторию университета во главе с все тем же Айкеном, начала работу над «Марк II». В этой машине для запоминания чисел, выполнения арифметических операций и операций управления должны были использоваться электромеханические реле. Законченная в 1947 году «Марк II» содержала около 13 000 таких реле и была, таким образом, чисто, релейной вычислительной машиной.

Числа в «Марк II» представлялись в форме с плавающей запятой, то есть в виде а∙10, где а содержит до 10 значащих цифр, а порядок в заключен в пределах —15 ≤ в ≤ 15.

Каждая десятичная цифра представлена в двоичной форме и хранится в группе из четырех реле.

В двоичной системе счисления используются две цифры— 0 и 1, и любое число поэтому представляется как последовательность нулей и единиц. Например, число 53 в двоичной системе выглядит как 110101. Широкое использование двоичной системы в вычислительной технике обусловлено существованием простых технических аналогов двоичной цифры — электромеханических реле и электронных триггеров, которые могут находиться в одном из двух устойчивых состояний. Тогда одному из них можно поставить в соответствие 0, а другому—1. Нетрудно видеть, что для представления одной десятичной цифры потребуется 4 двоичных разряда (скажем, цифра 9 выглядит как 1001). В «Марк II» используется не чисто двоичное, а двоично-десятичное представление чисел, поэтому для представления десятиразрядной десятичной мантиссы требуется 4 * 10 двоичных разрядов (и реле соответственно). Еще 4 реле идут на представление показателя и 2 реле используются для хранения знака мантиссы и показателя. Таким образом, каждый из 100 регистров машины содержит 46 реле.

Для ввода чисел в регистр и вывода их (на эти операции уходит примерно 0,033 секунды) используется еще 16 реле. Короткие арифметические операции выполняются в сумматоре, который в отличие от «Марк I» отделен от памяти, Время выполнения операций сложения и вычитания занимает примерно 0,125 секунды. Умножение выполняется в отдельном устройстве и требует в среднем 0,25 секунды, а операция деления заменена операцией вычисления приближенных значений обратных величин. В машине предусмотрены специализированные устройства для вычисления функций 10х, cos х, sin x; log х. Так же как в «Марк I», для управления машиной используется перфолента, а вывод результатов осуществляется с помощью печатающих механизмов.

Десятилетний период преимущественного применения электровакуумных приборов в универсальных ЦВМ (50-е годы) характеризуется развертыванием серийного производства ЦВМ с хранимой программой, выделением электронной вычислительной техники в самостоятельную область техники, оказывающую влияние на развитие других областей научно-технического прогресса, и созданием электронной вычислительной промышленности в ряде экономически развитых стран.

Первая электронная вычислительная машина ЭНИАК была построена в США (1946), хотя технические предпосылки для создания электронно-вычислительных машин имелись по многих странах с высокоразвитой промышленностью, в том числе и в СССР. Но в результате военных действий второй мировой войны промышленность почти всех высокоразвитых государств сильно пострадала. Ущерб, нанесенный фашистскими захватчиками нашей стране, был колоссальным. Для США же годы второй мировой войны были годами бурного экономического развития. Обладая мощной промышленной базой, США имели возможность проводить разносторонние научные и технические исследования. Хотя большинство этих исследований было прямо пли косвенно связано с военными нуждами, однако диапазон и размах научно-исследовательской работы были значительно шире, чем в других странах. Наиболее ярким примером может служить огромный объем работ по проекту «Манхеттен» (создание атомной бомбы). Постройка первой электронной ЦВМ также целиком финансировалась за счет военных ассигнований. Разумеется, это нисколько не умаляет выдающегося вклада конструкторов ЭНИАК в развитие вычислительной техники, хотя и показывает, что в США в тот период времени имелись наиболее благоприятные условия для реализации подобных проектов.

Работа над ЭНИАКом проходила в обстановке чрезвычайной секретности. Не удивительно поэтому, что выдающийся американский математик Джон фон Нейман узнал о ней совершенно случайно. Будучи консультантом крупнейшей в США Абердинской баллистической лаборатории, он летом 1944 года встретил на железнодорожной станции Абердина своего старого знакомого Германа Гольдстайна. В разговоре тот упомянул о работах Моучли — Эккерта. «Когда Джонни увидел, к чему мы пришли, он двумя ногами прыгнул в электронные вычислительные машины»,— вспоминал впоследствии Гольдстайн.

НЕЙМАН (Нойман) (Neumann) Джон (Янош) фон (3 декабря 1903, Будапешт — 8 февраля 1957, Вашингтон), американский математик и физик. Труды по функциональному анализу, квантовой механике, логике, метеорологии. Внес большой вклад в создание первых ЭВМ и разработку методов их применения. Его теория игр сыграла важную роль в экономике.

МОКЛИ (Mauchly) Джон Уильям (30 августа 1907, Цинциннатти, шт. Огайо — 8 января 1980, Эмблер, шт. Пенсильвания), американский физик и инженер, изобретатель в1946 совместно с П. Эккертом первого универсального компьютера «Эниак» (ENIAC Electronic Numerical Integrator and Computer).

ЭККЕРТ (Eckert) Джон Преспер-младший (9 апреля 1919, Филадельфия, шт. Пенсильвания — 3 июня 1995, Брин Мор, там же), американский инженер. В 1946, совместно с Дж. Мокли, изобрел первый универсальный компьютер, ставший прототипом большинства современных компьютеров.

Естественно, что фон Нейман легко мог оценить огромное практическое значение быстродействующих вычислительных машин и включился в работу над ними. Он присоединился к группе Моучли — Эккерта тогда, когда конструкция ЭНИАКа была выбрана (Рисунок 11.14 и Рисунок 11.15). Однако, как у Бэббиджа в процессе работы над разностной машиной возникла идея аналитической, так и в муровской группе до завершения ЭНИАКа родилась идея принципиально новой ЭВМ!

Трудно назвать автора этой идеи. По-видимому, она возникла в результате дискуссий трех главных идеологов нового направления —Д. фон Неймана, Г. Гольдстайна и А. Беркса — впоследствии декана факультета вычислительной техники Мичиганского университета. Эти ученые изложили основные принципы построения вычислительных машин нового типа в ставшей теперь классической статье: «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства». Главные положения этой статьи — обоснование использования двоичной системы для представления чисел и принцип «хранимой программы».

Двоичную систему использовали и создатели релейных машин, но это была не «чистая» двоичная система, а двоично-десятичная или двоично-пятеричная; выполнение же арифметических операций происходило, по существу, в традиционной десятичной системе.

Авторы «Предварительного рассмотрения» сумели отказаться от традиции — они убедительно продемонстрировали преимущества чисто двоичной системы при выполнении машиной арифметических и логических операций.

Один из наиболее ощутимых недостатков релейных машин и ЭНИАКа заключался в способах программного управления ходом вычислений. ЭНИАК, например, несколько дней готовили к работе, осуществляя необходимые соединения на коммутационной доске, а собственно решение задачи длилось всего несколько минут.

Для устранения этого недостатка фон Нейман и его коллеги предложили «принцип хранимой программы», в соответствии с которым программа, как и исходные числовые данные, вводилась и хранилась в памяти машины. Из памяти отдельные команды извлекались в устройство управления, где их содержание декодировалось (расшифровывалось) и использовалось для передачи чисел из памяти в арифметическое устройство, выполнения операций над ними и отсылки результата обратно в память. Команды предварительно вводились в последовательные регистры памяти и выполнялись в порядке очередности до тех пор, пока не встречалась команда перехода (условного или безусловного), направлявшая ход вычислительного процесса по одному из нескольких возможных путей. Такой подход позволял интерпретировать команды как числа и, следовательно, давал возможность осуществлять арифметические и логические операции над ними, автоматически (без вмешательства программиста) изменять и модифицировать их в процессе решения задачи.

Секретом успеха Неймана иногда считают его «аксиоматический метод». Он рассматривал предмет, сконцентрировавшись на его основных свойствах (аксиомах), из которых вытекает все остальное.

Рисунок 11.14 - Джон фон Нейман и его «детище»

Рисунок 11.15 - ЭНИАК

Первая машина с хранимой программой - "ЭДСАК" - была создана в Кембриджском университете (Англия) в 1949 г. Она имела запоминающее устройство на 512 ртутных линиях задержки. Время выполнения сложения было 0,07 мс, умножения - 8,5 мс (Рисунок 11.16).

Рисунок 11.16 - 1949г. ЭДСАК.

В 1948г. году академик Сергей Алексеевич Лебедев предложил проект первой на континенте Европы ЭВМ - Малой электронной счетно-решающей машины (МЭСМ). В 1951г. МЭСМ официально вводится в эксплуатацию, на ней регулярно решаются вычислительные задачи. Машина оперировала с 20разрядными двоичными кодами с быстродействием 50 операций в секунду, имела оперативную память в 100 ячеек на электронных лампах (Рисунок 11.17).

Рисунок 11.17 - 1951г. МЭСМ

1. Область применения: универсальная ЭВМ для решения широкого класс задач науки и техники (Рисунок 11.18 и Рисунок 11.19).

2. Описание машины: в структуре БЭСМ-6 впервые в отечественной практике и независимо от зарубежных ЭВМ (STRETCH фирмы IBM) был широко использован принцип совмещения выполнения команд (до 14 одноадресных машинных команд могли находиться на разных стадиях выполнения). Этот принцип, названный главным конструктором БЭСМ-6 академиком С. А. Лебедевым принципом "водопровода"стал впоследствии широко использоваться для повышения производительности универсальных ЭВМ, получив в современной терминологии название конвейера команд.

Рисунок 11.18 - ЭВМ БЭСМ-6

Работа модулей оперативной памяти, устройства управления и арифметико-логического устройства осуществлялась параллельно и асинхронно, благодаря наличию буферных устройств промежуточного хранения команд и данных. Для ускорения конвейерного выполнения команд в устройстве управления были предусмотрены отдельная регистровая память хранения индексов, отдельный модуль адресной арифметики, обеспечивающий быструю модификацию адресов с помощью индекс-регистров, включая режим стекового обращения.

Ассоциативная память на быстрых регистрах (типа cache) позволяла автоматически сохранять в ней наиболее часто используемые операнды и тем самым сократить число обращений к оперативной памяти. "Расслоение" оперативной памяти обеспечивало возможность одновременного обращения к разным ее.

ЭВМ БЭСМ-6 имела оперативную память на ферритовых сердечниках - 32 Кб 50-разрядных слов, объем оперативной памяти увеличивался при последующих модификациях до 128 Кб.

3. Технико-эксплуатационные характеристики:

Среднее быстродействие - до 1 млн. одноадресных команд/с

Длина слова - 48 двоичных разрядов и два контрольных разряда

Представление чисел - с плавающей запятой

Рабочая частота - 10 МГц

Занимаемая площадь - 150-200 кв. м

Потребляемая мощность от сети 220 В/50Гц - 30 КВт (без системы воздушного охлаждения).

Рисунок 11.19 - ЭВМ БЭСМ-6

4. Особенности машины: в БЭСМ-6 нашли отражение многие оригинальные решения, определившие перспективу дальнейшего развития ЭВМ общего назначения и обеспечившие длительный период производства и эксплуатации БЭСМ-6 в народном хозяйстве.

Дата добавления: 2014-01-06