Г. - edsac

Во-вторых, любой специалист в области электроники знает, что быстродействие электронного компонента и быстродействие всей системы, построенной на этих компонентах, не только может различаться на несколько порядков (не в пользу системы), но и не всегда прямо связаны между собой. Именно по этой причине применение электронных ламп не привело к резкому и мгновенному повышению быстродействия вычислительных машин, по сравнению с релейными.

Во-первых, в настоящее время быстродействие компьютеров таково, что полагать электронные компоненты лишенными инерции уже нельзя. Просто вместо времени механического переключения реле сейчас учитывают время пролета носителя заряда через переход и другие величины подобного временного диапазона (доли наносекунд – наносекунды).

Применение практически безынерционных электронных ламп позволило выйти на новый уровень при построении вычислительных средств. Правда в этом рассуждении есть сразу два «но».

Как уже говорилось выше, во многих источниках первым электронным вычислительным устройством считается ЭНИАК. Однако, более полный анализ позволяет в этом усомниться.

ЭВМ на основе вакуумных ламп

В определенном смысле, релейные компьютеры не являются электронными. Конечно же, никто не оспаривает принадлежности реле к электронным компонентам. Но срабатывание реле предусматривает механическое замыкание (или размыкание) его контакта при протекании тока в обмотке реле. Таким образом, реле как бы является электронным устройством по входу и механическим по выходу. Это позволило многим исследователям отнести релейные компьютеры к отдельному классу электромеханических вычислительных устройств, переведя их в «предысторию» ЭВМ. Реле имеет принципиальный недостаток – инерционность, ограничивающий быстродействие любой системы, использующей реле.

В 1939 году Джон Винсент Атанасов (John Vincent Atanasoff) и Клиффорд Берри (Clifford E. Berry) из Университета штата Айова разработали Atanasoff-Berry Computer (ABC). Это был первый в мире электронный цифровой компьютер. Конструкция насчитывала более 300 электровакуумных ламп, в качестве памяти использовался вращающийся барабан. Несмотря на то, что машина ABC не была программируемой, она была первой, использующей электронные лампы в сумматоре. Соизобретатель ENIAC Джон Мокли(John Mauchly) изучал ABC в июне 1941 года, и между историками существуют споры о степени его влияния на разработку машин, последовавших за ENIAC. ABC был почти забыт, до тех пор пока в центре внимания не оказался иск «Хоневелл против Sperry Rand», постановление по которому аннулировало патент на ENIAC (и некоторые другие патенты), из-за того что, помимо других причин, работа Атанасова была выполнена раньше.

Рис. 2.11. Копия компьютера Атанасова – Бери.

Во время Второй мировой войны, Великобритания достигла определённых успехов во взломе зашифрованных немецких переговоров. Код немецкой шифровальной машины «Энигма» был подвергнут анализу с помощью электромеханических машин, которые носили название «бомбы». Такая «бомба», разработанная Аланом Тьюрингом и Гордоном Уэлшманом (англ. Gordon Welchman), исключала ряд вариантов путём логического вывода, реализованного электрически. Большинство вариантов приводило к противоречию, несколько оставшихся уже можно было протестировать вручную.

Немцы также разработали серию телеграфных шифровальных систем, несколько отличавшихся от «Энигмы». Машина Lorenz SZ 40/42 использовалась для армейской связи высокого уровня. Первые перехваты передач с таких машин были зафиксированы в 1941 году. Для взлома этого кода, в обстановке секретности, была создана машина «Колосс» (Colossus). Спецификацию разработали профессор Макс Ньюман (Max Newman) и его коллеги; сборка Colossus Mk I выполнялась в исследовательской лаборатории Почтового департамента Лондона и заняла 11 месяцев, работу выполнили Томми Флауэрс (Tommy Flowers) и др. По сведениям из различных источников, Colossus заработал в 1943 или в 1944 году.

«Колосс» стал первым полностью электронным вычислительным устройством. В нём использовалось большое количество электровакуумных ламп, ввод информации выполнялся с перфоленты. «Колосс» можно было настроить на выполнение различных операцийбулевой логики, но он не являлся тьюринг-полной машиной. Помимо Colossus Mk I, было собрано ещё девять моделей Mk II. Информация о существовании этой машины держалась в секрете до 1970-х гг. Уинстон Черчилль лично подписал приказ о разрушении машины на части, не превышающие размером человеческой руки. Из-за своей секретности, «Колосс» не упомянут во многих трудах по истории компьютеров. Считать эту машину «полной» ЭВМ нельзя, т.к. она вычисляла далеко не все функции, т.е. была узкоспециализированным устройством. Два поколения "Колосса" - Mark 1 и Mark 2 - использовались под конец Второй мировой войны британскими криптографами для взлома зашифрованных вермахтом сообщений. Машина обрабатывала 5000 символов в секунду (скорость могла быть повышена, но значительно увеличивался риск повреждения бумажных лент с данными). Само существование этого компьютера оставалось тайной до 1970-х годов, когда стало ясно, что распространение передовых знаний может помочь в совершенствовании техники и программ.

Рис. 2.12. Colossus Mark 2.

ENIAC (Electronical Numerical Integrator and Computer) — первый широкомасштабный электронный цифровой компьютер, который можно было перепрограммировать для решения полного диапазона задач. Архитектуру компьютера разработали в 1943 году Джон Преспер Экерт и Джон Уильям Мокли, учёные из Университета Пенсильвании. ENIAC был построен в 1946 году по заказу Армии США в Лаборатории баллистических исследований для расчётов таблиц стрельбы. Запущен 14 февраля 1946 года.

В отличие от созданного в 1941 году немецким инженером Конрадом Цузе комплекса Z3, использовавшего механические реле, в ЭНИАКе в качестве основы компонентной базы применялись электронные лампы. Всего комплекс включал 17468 ламп, 7200 кремниевых диодов, 1500 реле, 70000 резисторов и 10000 конденсаторов. Потребляемая мощность — 150 кВт. Вычислительная мощность — 300 операций умножения или 5000 операций сложения в секунду. Вес — 27 тонн. Вычисления производились в десятичной системе.

Американский ENIAC часто называют первым электронным компьютером общего назначения, публично доказал применимость электроники для масштабных вычислений. Это стало ключевым моментом в разработке вычислительных машин, прежде всего из-за огромного прироста в скорости вычислений, но также и по причине появившихся возможностей для миниатюризации. Эта машина была в 1000 раз быстрее, чем все другие машины того времени. Разработка «ЭНИАК» продлилась с 1943 до 1945 года. В то время, когда был предложен данный проект, многие исследователи были убеждены, что среди тысяч хрупких электровакуумных ламп многие будут сгорать настолько часто, что «ЭНИАК» будет слишком много времени простаивать в ремонте, и тем самым, будет практически бесполезен. Тем не менее, на реальной машине удавалось выполнять несколько тысяч операций в секунду в течение нескольких часов, до очередного сбоя из-за сгоревшей лампы.

Рис. 2.13. «Машинный зал» ЭНИАК.

«ЭНИАК», безусловно, удовлетворяет требованию полноты по Тьюрингу. Но «программа» для этой машины определялась состоянием соединительных кабелей и переключателей — огромное отличие от машин с хранимой программой, появившихся у Конрада Цузе в 1940 году. Тем не менее, в то время, вычисления, выполняемые без помощи человека, рассматривались как достаточно большое достижение, и целью программы было тогда решение только одной единственной задачи. (Улучшения, которые были завершены в 1948 году, дали возможность исполнения программы, записанной в специальной памяти, что сделало программирование более систематичным, менее «одноразовым» достижением). До 1948 года для перепрограммирования ENIAC нужно было перекоммутировать его заново, в то время как Z3 умел считывать программы с перфорированной ленты.

Первый успешный численный прогноз погоды был произведен в 1950 году командой американских метеорологов — Жюлем Чарни, Филипом Томсоном, Ларри Гейтсом, норвежцем Рагнаром Фьюртофтом и математиком Джоном фон Нейманом с использованием ENIAC. Они использовали упрощенные модели атмосферных потоков на основе баротропного уравнения вихря скорости. Это упрощение понизило вычислительную сложность задачи и позволило произвести расчеты с использованием доступных в то время вычислительных мощностей.

Переработав идеи Эккерта и Мочли, а также, оценив ограничения «ЭНИАК», Джон фон Нейман написал широко цитируемый отчёт, описывающий проект компьютера (EDVAC), в котором и программа, и данные хранятся в единой универсальной памяти. Принципы построения этой машины стали известны под названием «архитектура фон Неймана» и послужили основой для разработки первых по-настоящему гибких, универсальных цифровых компьютеров.

EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) — одна из первых электронных вычислительных машин.

Контракт на создание нового компьютера был подписан в апреле 1946 года, с начальным бюджетом в 100 ООО долларов.

EDVAC (в отличие от ENIAC с десятичной системой) использовал двоичную систему счисления, располагал встроенными операциями сложения, вычитания и умножения, а также программной реализацией деления; объём памяти составлял тысячу 44-битных слов (позже дополнен до 1024 слов, что даёт 5,5 килобайт в современной терминологии).

Рис. 2.14. EDVAC.

Физически, компьютер состоял из следующих компонентов:

• устройство чтения/записи с магнитной ленты;

• контролирующее устройство с осциллографом;

• устройство-диспетчер, принимающее инструкции от контролирующего устройства и из памяти и направляющее их в другие устройства;

• вычислительное устройство, выполняющее за раз одну арифметическую операцию над парой чисел и посылающее результат в память;

• таймер;

• устройство памяти, состоящее из двух наборов по 64 ртутных акустических линий задержки, в каждой линии хранилось по 8 слов;

• три временных регистра, в каждом из которых хранилось одно слово.

Время операции сложения — 864 микросекунды, умножения — 2900 микросекунд (2,9 миллисекунды).

Компьютер состоял из почти 6000 электровакуумных ламп, и 12000 диодов, и потреблял 56 кВт энергии. Занимаемая площадь —

45,5 м², масса — 7850 кг. Полный состав обслуживающего персонала — 30 человек на каждую 8-часовую смену.

SSEM (Small-Scale Experimental Machine) («Ваbу») стала первым компьютером с фон-неймановской архитектурой памяти.

Рис. 2.15. Запоминающее устройство SSEM на ЭЛТ, «трубка Уильямса».

Принцип действия «трубки Уильямса» в качестве памяти достаточно прост. Электронный луч, сканируя поверхность экрана, не только вызывает вспышки тех точек, куда подается заряд, но и оставляет их заряженными на 0,2 секунды. Это явление можно использовать как для формирования изображения, так и для хранения данных, если непрерывно регенерировать изображение, считывать состояние точек и производить в них запись. Реальная процедура сложнее, запись ведется в форме точек и тире, учитывая, что считывающий луч нарушает запись, ее необходимо восстанавливать и т.д. Все это преодолимые препятствия, но общей слабостью любых запоминающих устройств на ЭЛТ остаются органически присущие им ошибки, из-за особенностей фосфорного покрытия иногда биты теряются, но реальной альтернативы им не было, и трубки применялась в качестве запоминающих устройств для ЭВМ вплоть до конца 50-х годов, когда индустрия перешла на ферритовую память.

Память «Ваbу» состояла из 32 машинных слов по 32 бит (матрица на экране), то есть ее емкость была равна 128 байт, и предназначалась она для хранения команд, данных и результатов. Кроме ЭЛТ в логике машины использовались 300 диодов и 280 пентодов. Весогабаритные параметры этого «Ваbу», как у небольшого грузовика: длина более 5 м, высота более 2 м, вес около тонны. Количество команд - 7: безусловный переход, несколько команд управления регистрами, вычитание и остановка, а формат команды близок к одноадресному.

Первая программа насчитывала 17 команд, и ее написал Том Килбурн весной 1948 года, а выполнена она была впервые 21 июня того же года. Этот день можно считать днем рождения программирования. Программа находила наибольший делитель для числа 262 144 перебором, вычитая по 1 от 262 144, и далее. Деление выполнялось повторением вычитания. За 52 минуты SSEM выполнила 3,5 млн. операций и получила очевидный ответ - 131 072. Программа использовала 8 машинных слов в качестве рабочей памяти, то есть всего потребовалось 25 машинных слов вместе с самой программой.

На основе экспериментального компьютера SSEM через год был создан Manchester Mark 1.

Характеристики Manchester Mark 1:

• около 17 метров в длину

• 75 тысяч электронных ламп

• 3 тысячи механических реле

• память: 96 40-битных слов (4 трубки Уильямса)

• магнитный барабан: 1024—4096 40-битных слов

• процессор: 30 инструкций (26 в апрельском варианте), аккумуляторная архитектура, быстродействие 0,00056 MIPS (но для умножения — гораздо медленнее)

Данный компьютер производил вычисления с точностью до 23 значащих цифр и при этом выполнял операцию сложения за 3 секунды, а деления за 12 секунд.

Архитектура британского компьютера EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Computer) наследовала архитектуру американского EDVAC.

На создание EDSAC ушло два с половиной года. Весной 1949 года была завершена отладка машины, и 6 мая 1949 года была выполнена первая программа — вычисление таблицы квадратов чисел от 0 до 99.

Рис. 2.16. EDSAC.

Компьютер состоял из примерно 3000 электронных ламп. Основная память компьютера состояла из 32 ртутных ультразвуковых линий задержки (РУ/13), каждая из которых хранила 32 слова по 17 бит (включая бит знака) — всего это даёт 1024 ячеек памяти. Была возможность включить дополнительные линии задержки, что позволяло работать со словами в 35 двоичных разрядов (включая бит знака). Вычисления производились в двоичной системе со скоростью от 100 до 15 ООО операций в секунду. Потребляемая мощность — 12 кВт, занимаемая площадь — 20 м².

CSIRAC (Council for Scientific and Industrial Research Automatic Computer, Автоматический компьютер Совета по научным и промышленным исследованиям) — первая австралийская цифровая ЭВМ и четвёртая в мире ЭВМ с хранимой в памяти программой. Первоначально был известен как CSIR Mk 1. Первый компьютер, на котором исполнялась цифровая музыка, и единственный уцелевший компьютер первого поколения.

Рис. 2.17. SCIRAC в Мельбурнском музее.

Машина является характерным представителем первого лампового поколения компьютеров. CSIRAC включал в себя приблизительно 2000 электронных ламп. В качестве основного хранилища данных использовались ртутные линии задержки, с типичной ёмкостью в 768 20-битных слов (позже удвоенной) дополненной параллельными дисковым запоминающим устройством с общей ёмкостью в 1024 слова и временем доступа 10 мс. Память работала на частоте 1000 Гц, а устройство управления, синхронизированное с частотой, требовало 2 цикла для выполнения команды (позднее скорость была удвоена до 1 цикла на команду). Шина, называвшаяся в этом проекте «цифровой магистралью», примечательна по сравнению с большинством компьютеров тем, что была последовательной, то есть передавала один бит за раз. Система команд была минимальной, но поддерживала основные арифметические и логические операции, а также условный и безусловный переходы, что делало возможным написание библиотеки подпрограмм.

Ввод данных в машину осуществлялся посредством перфоленты, после безуспешных экспериментов с перфокартами. Машина управлялась через консоль (пульт), которая позволяла пошагово исполнять программы и специальным ЭЛТ-монитором, на котором отображалось состояние регистров. Вывод данных осуществлялся на стандартный телетайп или перфоленту. CSIRAC требовал для работы 30 кВт электроэнергии.

МЭСМ (Малая Электронная Счётная Машина) — советская ЭВМ, первая в СССР и континентальной Европе. Разрабатывалась лабораторией С. А. Лебедева (на базе киевского Института электротехники АН УССР) с конца 1948 года.

Первоначально МЭСМ задумывалась как макет или модель Большой Электронной Счётной Машины (БЭСМ), первое время буква «М» в названии означала «макет». Работа над машиной носила исследовательский характер, в целях экспериментальной проверки принципов построения универсальных цифровых ЭВМ. После первых успехов и с целью удовлетворения обширных потребностей в вычислительной технике, было принято решение доделать макет до полноценной машины, способной решать реальные задачи.

Рис. 2.18. МЭСМ.

Данные считывались с перфокарт или набирались с помощью штекерного коммутатора. Также мог использоваться магнитный барабан, хранящий до 5000 кодов чисел или команд. Для вывода использовалось электромеханическое печатающее устройство либо фотоустройство для получения данных на фотоплёнке.

Характеристики МЭСМ:

• арифметическое устройство: универсальное, параллельного действия, на триггерных ячейках

• представление чисел: двоичное, с фиксированной запятой, 16 двоичных разрядов на число, плюс один разряд на знак

• система команд: трёхадресная, 20 двоичных разрядов на команду. Первые 4 разряда — код операции, следующие 5 — адрес первого операнда, ещё 5 — адрес второго операнда, и последние б — адрес для результата операции. В некоторых случаях третий адрес использовался в качестве адреса следующей команды. Операции: сложение, вычитание, умножение, деление, сдвиг, сравнение с учётом знака, сравнение по абсолютной величине, передача управления, передача чисел с магнитного барабана, сложение команд, остановка.

• оперативная память: на триггерных ячейках, для данных — на 31 число, для команд — на 63 команды

• постоянная память: штекерная, для данных — на 31 число, для команд — на 63 команды

• тактовая частота: 5 кГц

• быстродействие: 3000 операций в минуту (полное время одного цикла составляет 17,6 мс; операция деления занимает от

до 20,8 мс)

• количество электровакуумных ламп: 6000 (около 3500 триодов и 2500 диодов)

• занимаемая площадь: 60 м²

• потребляемая мощность: около 25 кВт

UNIVAC I (UNIVersal Automatic Computer I) — первый коммерческий компьютер, созданный в Соединённых Штатах, и третий коммерческий компьютер в мире (после германского Z4).

В основном спроектирован Джоном Экертом и Джоном Мокли, изобретателями компьютера ENIAC. Первый экземпляр UNIVAC был установлен в Бюро переписи населения США 31 марта 1951 года и запущен 14 июня того же года.

Рис. 2.19. UNIVAC I

Характеристики:

UNIVAC I использовал 5200 электровакуумных ламп, весил 13 тонн, потреблял 125 кВт и мог выполнять около 1905 операций в секунду, работая на тактовой частоте 2,25 МГц. Центральный комплекс (то есть только процессор и память) имел размеры 4.3 х 2.4 х 2.6 метров. Вся система занимала площадь в 35.5 кв. м. Основная память состояла из 1000 слов по 12 символов.

Компьютер Whirlwind - первый компьютер воспроизводящий графику и текст на дисплее (экран большого осциллографа). Он был также первым компьютером, в котором использовалась оперативная память на магнитных сердечниках - кольцах, нанизанных на пересекающиеся металлические проводники. Такая организация оперативной памяти применялась вплоть до 70-х гг.

Изначально система имела 512 байт основной памяти и была способна выполнять 20 тыс. инструкций в секунду, а позже благодаря переходу на память с магнитными сердечниками (ранний вариант RAM) производительность удвоилась, что сделало Whirlwind самым быстродействующим компьютером своего времени. Операция сложения выполнялась за 8 мкс, умножения - 25,5 мкс (при использовании памяти на лампах - 61 мкс), деления - 57 мкс.

Рис. 2.20. Whirlwind 1951 г.

После создания в 1949 г. в Англии модели EDSAC был дан мощный импульс развитию универсальных ЭВМ, стимулировавший появление в ряде стран моделей ЭВМ, составивших первое поколение. На протяжении более 40 лет развития вычислительной техники(ВТ) появилось, сменяя друг друга, несколько поколений ЭВМ.

Урал-1 — малая (по существовавшей на момент создания классификации) ламповая программно-управляемая вычислительная машина из семейства ЭВМ «Урал», ориентированная на решение инженерно-технических и экономических задач. Применялась на производствах, в вычислительных центрах НИИ, конструкторских бюро. Первая серийно производимая ЭВМ на территории СССР.

Рис. 2.21. Урал-1, 1955 г.

ЭВМ первого поколения в качестве элементной базы использовали электронные лампы и реле; оперативная память выполнялась на триггерах, позднее на ферритовых сердечниках; быстродействие было, как правило, в пределах 5—30 тыс. арифметических оп/с; они отличались невысокой надежностью, требовали систем охлаждения и имели значительные габариты. Процесс программирования требовал значительного искусства, хорошего знания архитектуры ЭВМ и ее программных возможностей. На первых порах данного этапа использовалось программирование в кодах ЭВМ (машинный код), затем появились автокоды и ассемблеры. Как правило, ЭВМ первого поколения использовались для научно-технических расчетов, а сам процесс программирования больше напоминал искусство, которым занимался весьма узкий круг математиков, инженеров-электриков и физиков.

Дата добавления: 2014-01-06