Лекция №3. Для реализации принципа хранимой программы в компьютерах первого поколения необходимо было наличие быстродействующей и емкой памяти

(ПРОДОЛЖЕНИЕ)

Для реализации принципа хранимой программы в компьютерах первого поколения необходимо было наличие быстродействующей и емкой памяти, поэтому каждое достижение в области создания запоминающих элементов, каждая возможность наладить изготовление запоминающего устройства нового типа приводили (и приводят) к новому скачку в повышении производительности вычислительной системы. В компьютерах первого поколения эти изменения связаны с использованием сначала электронно-лучевых трубок как элементов памяти, затем заменой их памятью на ферритовых сердечниках.

В США первые компьютеры с хранимой программой были введены в эксплуатацию в 1950 году.

В мае началась эксплуатация компьютера SEAC. Компьютер был разработан лабораторией электронных вычислительных машин Национального бюро стандартов. Компьютер имел арифметическое устройство последовательного действия, двоичные числа имели 45 разрядов, частота синхроимпульсов составляла 1МГц. SEAC был одним из первых компьютеров, в кото-ром использовались полупроводниковые диоды.

Для его построения было использовано 750 электронных ламп и 10500 германиевых диодов. Запоминающее устройство на 64 ртутных линиях задержки позволяло записать 512 чисел по 45 разрядов. Для ввода данных использовалась клавиатура, для вывода - телетайпное печатающее устройство и устройство ввода и вывода на перфоленту.

В дальнейшем компьютер был усовершенствован. Вдвое была увеличена память на ртутных линиях задержки и добавлен блок памяти на трубках Вильямса (1024 числа). Ввод и вывод производился на электрические пишущие машинки, управляемые перфолентой. Этот компьютер содержал уже 2300 ламп и 24000 диодов. еще в 1962 году компьютер успешно эксплуатировался в Национальном бюро стандартов США. В компьютере SEAC впервые были применены динамические триггеры.

Почти одновременно был введен в эксплуатацию компьютер BINAC, разработанный по проекту Дж.Эккерта и Дж.Моучли. Целью проекта было создание компьютера с высокой надежностью вычислений путем дублирования внутренних устройств.

Блоки компьютера параллельно осуществляли вычисления, проверка правильности осуществлялась сравнением результатов. Это был компьютер последовательного действия с одноразрядными сумматорами комбинационного типа и памятью на ртутных линиях задержки. Его отличительной особенностью была высокая тактовая частота (4МГц.)

Построенная по заказу авиационной компании Northrop, она была достаточно компактной (1,5 х 1,2 х 0,3 м), чтобы разместиться на борту самолета. BINAC мог принимать данные с клавиатуры электрической пишущей машинки или с магнитной ленты. Устройства ввода на магнитной ленте, применявшиеся в некоторых калькуляторах до создания цифрового компьютера, действовали по тому же принципу, что и популярные тогда магнитофоны: тонкая пластмассовая лента покрывалась слоем специального магнитного материала, на котором информация записывалась методом магнитной индукции - наведения магнитного поля электрическими сигналами. Как и в обычном магнитофоне, магнитную ленту компьютера можно было многократно стирать и вновь использовать для записи информации.

Значительное влияние на развитие вычислительной техники оказал компьютер IAS (1952г.), созданный под руководством Дж.Неймана в Принстонском институте перспективных исследований по заказу управления вооружения армии США.

В IAS был впервые реализован принцип асинхронного управления. При этом время выполнения одной операции определяется только временем, затрачиваемым устройством на ее реализацию, а не определяется длительностью такта, которая устанавливается по времени выполнения самой длительной операции, как в синхронных устройствах управления. В результате возрастает скорость выполнения операций в компьютере.

Наряду с асинхронным принципом работы в компьютере IAS применены арифметическое и запоминающее устройства параллельного типа. Все это обеспечило рекордно высокую скорость вычислений. Компьютер оперировал с 40-разрядными двоичными числами. Операция сложения выполнялась за 52мксек., умножения за 790-990мксек. Компьютер отличался компактной и экономичной конструкцией, в нем использовалось всего 2300 электронных ламп (в основном двойных триодов).

В 1951 году в Англии появились первые серийные компьютеры Ferranti Mark-1 и LEO-1. А через 5 лет фирма Ferranti выпустила ЭВМ Pegasus, в которой впервые нашла воплощение концепция регистров общего назначения.

В том же 1951 году офицер ВМФ США и руководитель группы программистов, в то время капитан (в дальнейшем единственная женщина в ВМФ - адмирал) Грейс Хоппер разработала первую транслирующую программу, которую она назвала компилятором (фирма Remington Rand). Эта программа производила трансляцию на машинный язык всей программы, записанной в удобной для обработки алгебраической форме.

К передовым вычислительным машинам первого поколения можно отнести компьютер Массачусетского технологического института - Whirlwind1, в котором впервые была использована память на магнитных сердечниках и компьютер ATLAS Манчестерского университета.

В этих компьютерах выполняемая программа уже хранилась в памяти и, в отличие от EDVAC, обработка данных производилась не последовательно по одному двоичному разряду, а параллельно во всех разрядах машинного слова. В компьютере ATLAS впервые была предпринята попытка использования одноуровневой памяти, по существу "виртуальной памяти" и индексных регистров для более простой адресации.

Машина Atlas — первая компьютерная система, в которой были реализованы многие устройства и принципы, в настоящее время признанные стандартными, в том числе виртуальное (логическое) пространство адресов, превышающее по объему фактическое (физическое) адресное пространство, одноуровневая память на магнитных сердечниках с дублирующим ее магнитным барабаном, а также архитектура, основанная на использовании операционной системы с аппаратными средствами для облегчения программирования (например, с экстракодами).

Особо необходимо подчеркнуть, что впервые Килбурном при создании машины Atlas была реализована концепция виртуальной памяти, из которой возник метод разделения памяти на страницы и стала возможной динамическая трансляция адресов аппаратными средствами.

Машина Atlas имела высокую производительность — около 900 тыс. оп/с, которая была достигнута за счет совершенствования принципов многопрограммной работы и применения высококачественных транзисторов. Некоторые ученые считают Тома Килбурна и его коллег-разработчиков машины Atlas родоначальниками современных операционных систем (ОС), которые определили функции ОС и то значение, которое они приобретут в компьютерах следующих десятилетий.

В 1945 году в лаборатории сервомеханизмов Массачузетского технологического института (Кембридж, штат Мериленд) были начаты работы по применению вычислительной техники для моделирования работы самолетов.

К 1947 году был создан проект компьютера Whirlwind, а в марте 1951 года компьютер был введен в эксплуатацию.

В 1951 году Джей Форрестер запатентовал запоминающее устройство на магнитных сердечниках. Впервые такая памяти применена в компьютере Whirlwind-1 (Вихрь).

Форрестер и его группа создали высокоскоростной электронный цифровой программируемый компьютер, который соответствовал веяниям времени. Он давал возможность контролировать полеты самолетов и мог быть использован при ведении военных действий.

Этот компьютер мог служить не только для расчетов имитационных полетов, но и применяться в промышленности и для нужд науки. Whirlwind был самой значительной разработкой конца 40-х — начала 50-х годов, над которой работало 175 человек и на которую был затрачен один миллион долларов. Здание для Whirlwind начали сооружать в августе 1948 года. Оно заняло 2500 квадратных футов полезной площади.

Работая с Whirlwind, люди ощущали себя находящимися внутри компьютера: идешь по коридору, а справа и слева находятся устройства компьютера — по четыре с каждой стороны. Whirlwind имел только 4000 электронных ламп (для сравнения, у ENIAC было 17 468).

Разработка Whirlwind заняла три года, он был запущен в начале 1950 года. Whirlwind считался самым быстрым компьютером 50-х годов. Он мог сложить два 16-разрядных числа за 2 мсек и умножить их за 20 мсек. Машине “Марк-Г, сделанной в Гарварде, требовалось для умножения 6 сек. Whirlwind также превосходил компьютер ENIAC.

Однако и Whirlwind был несовершенен. На 32 электронно-лучевых трубках (ЭЛТ) хранилось 2048 16-разрядных чисел. Каждый день компьютер выходил из строя на несколько часов. Память была слабым звеном — каждая ЭЛТ для хранения информации служила не более месяца и замена ее стоила тысячу долларов. Таким образом, стоимость памяти в месяц составляла тридцать две тысячи долларов.

Улучшив по мере возможности ЭЛТ для хранения информации, Форрестер обратился к другой идее — идее создания нового типа памяти. Решение данной проблемы он видел в создании трехмерного устройства для хранения информации, поскольку оно было более компактно, представляло больше возможностей для увеличения объема хранимой информации, было менее дорогим, чем одно- или двухмерное. В 1947 году Форрестер выдвинул идею трехмерного куба, где точки пересечения были бы элементами для хранения информации.

Он собирался использовать маленькие неоновые ячейки в качестве элементов этих точек пересечения, но сомневался по поводу действенности таких средств вторичной эмиссии. Впоследствии он отложил проект на некоторое время, однако в голове у него все-таки засела идея о трехмерном устройстве: “Время от времени мне не дает покоя возможность использовать другие элементы для достижения нужного результата”.

Однажды весной 1949 года он просматривал журнал Electrical Engineering и наткнулся на описание разработки, названной “Дельтамакс”, сделанной немцами во время Второй мировой войны для магнитных усилителей, применявшихся в танках. Теперь она была продана Америке в качестве основного материала по магнитным усилителям.

В разработке “Дельтамакс” был использован постоянный ток для насыщения сердечника, чтобы можно было управлять изменениями тока. Форрестер понял, что это и есть тот другой путь, способный заставить работать нелинейные элементы в трехмерном устройстве, над которым он размышлял ранее.

Несколько вечеров Форрестер провел в хождении по улицам неподалеку от своего пригородного дома, обдумывая проблему: “Это был вызов, другой аспект идеи, попытка осмыслить, как создать систему, которая бы допускала выбор и включение соответствующих элементов”.

Неделю-другую его не оставляла мысль о двухмерном устройстве. Затем он потратил еще несколько недель в поисках решения, как расширить двухмерное хранилище информации до трехмерного. И решение к нему пришло во время прогулки на лошадях на ранчо его отца в Небраске.

Вернувшись в MIT, он заказал несколько “Дельтамаксов”. Эксперименты начались. Он пропускал ток через кольца, сделанные из особого материала, намагничивая их в южном и северном направлениях. В направлении на север устройство выдавало единицу, на юг — нуль. После выключения напряжения кольца возвращались в их начальное состояние. Проблема заключалась лишь в том, что у “Дельтамакса” не было нужного быстродействия и он был чувствителен к изменениям напряжения.

Позже, под воздействием Уильяма Папьяна и других разработчиков Форрестер вернулся к другой альтернативе. Он закрепил магнитные ферритовые стержни, загнутые в виде пончиков, на сетке из проводов. Каждый стержень на сетке имел свои координаты (или адрес) — такие же, как на карте.

Для того чтобы прочесть или записать бинарное число на магнитную память, надо было подать напряжение на точно выбранную пару горизонтального и вертикального ряда проводов на конкретной сетке. 16-разрядный компьютер имел для каждого разряда вполне определенное место на каждой сетке. Магнитные ферритовые кольца были более быстрыми, менее дорогими и значительно проще в эксплуатации, чем “Дельтамаксы”.

Магнитная память была внедрена в компьютер Whirlwind летом 1953 года, после того как испытания были закончены. Как результат, Whirlwind теперь работал в два раза быстрее, чем ранее. Но потребовалось три или четыре года, прежде чем промышленность осознала, что это самый лучший тип компьютерной памяти. “Тогда потребовались следующие семь лет, — вспоминал Форрестер с улыбкой, — чтобы убедить их в том, что они не додумались до этого первыми”.

Изобретение Форрестера повысило надежность и скорость при меньшей стоимости. Начиная с начала 60-х, стоимость памяти на магнитных сердечниках постепенно уменьшалась. Эта память позволила вводить данные и команды в течение нескольких долей секунды. Память на магнитных сердечниках использовалась вплоть до конца 60-х годов, затем ее сменила полупроводниковая технология.

В 50-х годах Whirlwind стал прообразом целого ряда компьютеров, с помощью которых была создана развитая система противовоздушной обороны США — SAGE (Semiautomatic Ground Environment). С 1952 по 1956 год руководил разработкой системы SAGE Джей Форрестер.

В 1951 году Джон Моучли и Дж. Преспер Эккерт создали универсальный автоматический компьютер UNIVAC (Universal Automatic Computer). Он мог хранить в памяти 1000 слов, 12000 цифр со временем доступа 400 мкс. На магнитной ленте могло храниться 120000 слов и 1440000 цифр. Устройства ввода/вывода работали с носителями на магнитных лентах и перфокартах.

Операции сложения выполнялись за 120 мкс., умножения за 1800 мкс., деления за 3600 мкс. Это был первый серийный компьютер с хранимой программой, проект разрабатывался с 1947 года и до 1951 года было создано пять экземпляров компьютеров. Всего было выпущено 48 таких компьютеров.

Разработкой занималась небольшая фирма "Эккерт-Моучли Компьютер", основанная в 1947 году. В 1950 году эта фирма влилась в крупную фирму конторского машиностроения "Ремингтон Рэнд", которая и организовала серийный выпуск компьютеров.

UNIVAC предназначался для обработки больших массивов комерческой информации. Первый образец машины UNIVAC-1 был построен для бюро переписи США. Одним из внушительных достижений компьютера UNIVAC было предсказание победы на президентских выборах 1952 года Д. Эйзенхауэра. Синхронный, последовательного действия компьютер UNIVAC-1 повторял структуру компьютеров ENIAC и EDVAC.

Работал компьютер на тактовой частоте 2,25 МГц и содержал около 5000 электронных ламп. Внутреннее запоминающее устройство имело емкость 1000 12-разрядных десятичных чисел и было выполнено на 100 ртутных линиях задержки. Этот компьютер интересен тем, что он был нацелен на сравнительно массовое производство без изменения архитектуры и особое внимание было уделено периферийной части (средствам ввода-вывода).

Компьютер работал не в двоичной, а в двоично-кодированной системе счисления. Для представления информации использовался семиразрядный двоичный код. Шесть разрядов служили для кодирования десятичных цифр, букв английского алфавита, а один разряд предназначался для контроля на четность. Коммерческий успех UNIVAC оказал влияние на техническую политику ведущих зарубежных фирм, приступивших к серийному выпуску компьютеров.

В июне 1951 года в Великобритании на конференции в Манчестерском университете Морис Уилкс представил доклад "Наилучший метод конструирования автоматической машины", который стал пионерской работой по основам микропрограммирования. Свою идею микро программирования Морис Уилкс реализовал лишь в 1957 году при создании машины EDSAC2.

М.Уилкс совместно с Д.Уиллером и С.Гиллом в 1951 году написали первый учебник по программированию "Составление программ для электронных счетных машин" (русский перевод был сделан в 1953 году).

В 1952 году (в том же году, что и EDVAC) была создана первая россий-ская ЭВМ общего назначения семейства БЭСМ (большая электронная счетная машина), разработанная Институтом точной механики и вычислительной техники Академии наук СССР, ориентированная на решение сложных задач науки и техники.

Пример отечественной радиолампы:

Триггер от ЭВМ первого поколения — БЭСМ:

В этой трехадресной машине параллельного действия на электронных лампах (4000 ламп) была использована двоичная система счисления с пла-вающей точкой. По структуре, конструкции и характеристикам машина стояла на уровне лучших зарубежных компьютеров, "БЭСМ" оперировала с 39-разрядными данными со средней скоростью 10 тысяч операций в секунду.

Вначале в ней использовалось оперативное запоминающее устройство на электронно-акустических линиях задержки, замененное в дальнейшем устройством на электронно-лучевых трубках, а затем на ферритовых сердечниках, емкостью 1024 слова с произвольной выборкой.

Внешнее запоминающее устройство было реализовано на двух магиитных барабанах по 5120 слов (скорость считывания с барабана - 800 чисел в 1 секунду) и магнитной ленте (120 тысяч чисел). В качестве устройств ввода использовалась перфолента, для вывода - магнитная лента с последующим печатанием на специально разработанном быстродействующем фотопечатающем устройстве, применяемом для выдачи больших массивов данных. Кроме того, имелось электромеханическое печатающее устройство для печати контрольных значений и результатов в случае их малого количества по сравнению с объемом вычислений (скорость работы - 20 чисел в секунду).

Созданная в том же году, что и EDVAC, БЭСМ превосходила EDVAC по многим параметрам. В БЭСМ были осуществлены решения, вошедшие в практику построения компьютеров только через несколько лет. Например, чтобы уменьшить диспропорцию между быстродействием вычислений и медленным выводом результатов на печать, было разработано устройство, дешифрирующее запись на магнитной ленте с отображением десятичных цифр результата на неоновых лампах. Вывод данных осуществлялся фотографированием результата.

Скорость выдачи данных с использованием магнитной ленты намного возрастала. Арифметико-логическое устройство БЭСМ, выполненное на ламповых логических схемах, обладало рекордным быстродействием (10000 оп/сек.), которое могло быть реализовано только при переходе к технологиям памяти, позволявшим параллельное считывание всех разрядов слова. Доводка и совершенствование БЭСМ продолжалось пока в 1955 году не была создана серийная конструкция БЭСМ1.

Несколько позднее было создано специализированное конструкторское бюро - СКБ-245 Министерства машиностроения и приборостроения под руководством Ю. Я. Базилевского и Б. И. Рамеева для конструирования серийной ЭВМ. В 1953г. ЭВМ "Стрела" была принята Государственной комиссией в эксплуатацию, а в 1954г. начался серийный выпуск ЭВМ. Серия оказалась очень маленькой: всего за четыре года было выпущено семь машин. Одна из машин проработала 15 лет в Энергетическом институте АН СССР.

Башир Искандарович Рамеев:

Юрий Яковлевич Базилевский:

Построенная на 6000 электронных лампах, ЭВМ "Стрела" имела среднюю производительность вычислений 2 тысячи трехадресных операций с плавающей точкой в секунду, полезное машинное время работы доходило до 18 часов в сутки. "Стрела" отличалась гибкой системой программирования.

Различные виды групповых арифметических и логических операций, условные переходы и сменяемые стандартные программы, а также системы контрольных тестов и организующих программ позволяли создавать библиотеки эффективных программ различного направления, осуществлять автоматизацию программирования и решение широкого круга математических задач.

В 1953 году появился первый компьютер фирмы IBM - IBM 701 - синхронный, параллельного действия, содержащий 4000 электронных ламп и 1200 германиевых диодов. Объем оперативной памяти составлял 2048 слов.

Время сложения составляло 84 мкс., умножения 204 мкс., деления - 216 мкс.

В 1954 году 18 компьютеров были поставлены главному заказчику - американскому правительству, из них три были поставлены в атомные лаборатории, восемь в авиакомпании, три в большие корпорации, две в правительственные агентства и две на флот. В начале 1955 года еще одна машина была направлена в американское бюро погоды.

В 1955 году был выпущен ламповый компьютер IBM 704 c отличительными чертами компьютера второго поколения, он имел индексный регистр, аппаратные средства для выполнения операций с плавающей запятой и пер-вый вариант операционной системы. Параллельно с развитием структуры компьютера развивается программное обеспечение в виде пакетов стандарт-ных прикладных программ.

В этом же году фирма Remington Rang выпустила компьютер UNIVAC- 1103, который работал в 50 раз быстрее UNIVAC-1. Позже в UNIVAC-1103 впервые были применены программные прерывания.

Применение электронных ламп позволило повысить скорость вычислений уже в первых несовершенных моделях на три прядка по сравнению с автоматическими релейными машинами, а в более совершенных на четыре порядка. На первых порах программирование заключалось в составлении программ на языке машины, использовались методы программирования в символических обозначениях. Программа в последних ламповых компьютерах составлялась уже не на машинном языке, а на языке Ассемблера. С 1954 года вводится язык программирования ФОРТРАН.

Типичные представители ЭВМ первого поколения среди отечественных- Минск1, Урал1, Урал2, Урал4, М1, М3, БЭСМ2, Стрела и др. Они были значительных размеров, потребляли большую мощность, имели невысокую надежность работы и слабое программное обеспечение. Быстродействие их не превышало 2-3 тыс. операций в секунду, емкость оперативной памяти - 2048 машинных слов, длина слова - 48 разрядов.

Минск-1:

С 1960 по 1964 год было выпущено 230 ЭВМ "Минск-1". Они стали самыми распространенными малыми ЭВМ первого поколения в бывшем Советском Союзе.

Кроме основной модели по заказам различных отраслей промышленности были разработаны еще пять полностью совместимых модификаций. ЭВМ "Минск-11" (1961 г.) предназначалась для работы с сейсмической информацией и телеграфными линиями. ЭВМ "Минск-12" (1962 г.) имела вчетверо увеличенную внешнюю память на магнитной ленте. "Минск-14" и "Минск-16" предназначались для обработки телеметрической информации с искусственных спутников Земли.

Урал-2:

В марте 1965 года был проведен пуск первой в городе Иванове электронно-цифровой вычислительной машины (ЭЦВМ) "Урал-2". Машина представляла собой ламповую ЭВМ первого поколения. Она была смонтирована в новом корпусе Ивановского энергетического института в ауд. Б201.

"Урал-2" мог оперировать числами в диапазоне ±10^±19, имел оперативную память объемом 16 Кбайт, а скорость счета составляла 300000-360000 операций в минуту (в современных единицах производительности при пересчете на обработку 32 разрядных чисел производительность составляет 0,01-0,012 mips, где mips - миллион операций за секунду). В июне 1965 года ЭЦВМ "Урал-2" эксплуатировался уже в плановом режиме по 15 часов в сутки, а суммарное время его работы составило 5300 часов.

Этот период явился началом коммерческого применения электронных вычислительных машин для обработки данных. В вычислительных машинах этого времени использовались электровакуумные лампы и внешняя память на магнитном барабане. Они были опутаны проводами и имели время доступа 1х10^-3с. Производственные системы и компиляторы пока не появились. В конце этого периода стали выпускаться устройства памяти на магнитных сердечниках. Надежность ЭВМ первого поколения была еще крайне низкой.

Характеризуя период первого поколения, необходимо отметить, что чисто ламповыми были только первые компьютеры этого периода. Примерно с 1950 года начинается замена ламповых диодов полупроводниковыми. Компьютер SEAC (США, 1950г.) был одним из первых компьютеров, в котором использовались полупроводниковые диоды.

Дата добавления: 2014-01-07