Файл: История развития средств вычислительной техники ( Домеханический этап развития, использование простейших счётных приспособлений ).pdf
Добавлен: 29.02.2024
Просмотров: 56
Скачиваний: 0
Управление "Марк I" производилось посредством ввода через перфоленту, в которой Эйкен объединил два вида перфокарт Бебиджа - операционную и переменную. Но в системе команд "Марк I" (в её первоначальном виде) отсутствовала общая команда условного перехода (которая была предусмотрена в аналитической машине), Эйкен использовал только специализированные команды общего перехода, их было две: одна для использования функциональных перфолент, вторая для остановки машины в случае если число в специальном регистре превышало определенную величину, а так же когда вычисления одной и той же величины двумя разными способами выходили за пределы заданной точности.
Вскоре после этого машину временно передали в распоряжение военно-морского флота (ВМФ). Ее стали использовать для выполнения сложных баллистических расчетов, которыми руководил сам Г. Эйкен. В 1944 г. машина была официально передана Гарвардскому университету и работала там еще 16 лет [[44], с.44]. Работу над созданием более совершенной машины Эйкен продолжил со своей гарвардской группой при постройке "Марк II" по заказу Пентагона. Машина требовалась для морского испытательного полигона в Дальгрене. "Марк II" была готова в 1947 году в отличие от "Марк I" она была полностью
релейной системой (13 тыс. 6-полюсных реле со временем срабатывания от 6 до 10 мкс). Машина имела два сумматора, четыре множительных устройства, а также устройства для вычисления шести алгебраических трансцендентных функций (обратных величин, обратных величин квадратных корней, косинуса, тангенса, логарифмической и показательной функций). Использовалось 12 механизмов для ввода команд и чисел. Оперируя с 10-разрядными десятичными числами, машина работала относительно медленно: сложение выполнялось за 0,2 с (по 33 мкс на ввод и вывод и 125 мкс на самое операцию), умножение за 0,7 с (хотя сама операция занимала 250 мкс) [[45], с.175].
В СССР была разработана своя релейная вычислительная машина, её сконструировал инженер, специалист в счетно-аналитических машинах Николай Иванович Бессонов. Машина получила название РВМ-1 и была окончательно сконструирована в 1957. Она содержала 5500 электромеханических реле и обладала очень высоким для релейных машин быстродействием. Так, операция умножения двух чисел, представленных в форме с плавающей запятой и имеющих длину 33 двоичных разряда (27 — мантисса и 6 — порядок), выполнялась за 50 мс, т. е. 1/20 с. РВМ-1 была на столько удачной, что использовалась на протяжении восьми лет (во время когда уже были созданы и работали более мощные ЭВМ). Машина в основном использовалась в решении задач экономического характера, например на ней выполнялся перерасчет цен связанных с реформой 1961 года.
Машину PBM-I можно рассматривать как созданную на пределе возможностей электромеханических реле. Электронные ламы и другие электронные приборы обладали колоссальным преимуществом в связи с очень высокой скоростью. Это обстоятельство оказалось решающим в переходе от релейных к электронным вычислительным машинам [[46], с.238].
В 1884 г. Т. Эдисон описал открытое им явление термоэлектронной эмиссии. В 1897 г. немецкий физик Г. Браун изобрел электронно-лучевую трубку. Одна из наиболее популярных электронных ламп - триод, который был создан в 1906 г. американцем Ли де Форстером. В 1918 г. наш соотечественник М. Бонч-
Бруевич изобрел ламповый триггер, сыгравший впоследствии огромную роль в развитии вычислительной техники. К началу 40-х гг., т.е. ко времени появления первых автоматических вычислительных машин, электронные устройства полу-
чили уже значительное развитие и распространение во многих областях техники, прежде всего радиотехники. Последовали такие работы как способ наведения на цель орудий ПВО предложенная математиком Норбертом Винером, для которого требовалась вычислительная машина на лампах с использованием двоичной системы счисления и которая должна уметь сама корректировать свои действия. Почти в тоже время Алан Тьюринг пишет свою работу в которой решает проблему математической логики, где для удобства решения проблемы вводит понятие абстрактного эквивалента вычислительного алгоритма, получившего название "машины Тьюринга". Это был прообраз программируемого компьютера. В 1945 году в своем докладе Джон фон Нейман выделил и детально описал ключевые компоненты того, что сегодня называют "архитектурой фон Неймана" современного компьютера, чтобы компьютер был и эффективным, и универсальным инструментом, он должен включать следующие структуры (рис. 17): 1) арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции, 2) устройство управления, организующее процесс выполнения программ, 3) запоминающее устройство или память для хранения программ и данных, 4) устройство ввода-вывода информации [[47], с.94].
Рис. 17 Архитектура фон Неймана
Всё это, а также разработки прежних столетий дали возможность появлению электронных вычислительных машин работающих на лампах. Появилось т.н. первое поколение ЭВМ. Периодизация по поколениям происходит по периодам выхода того или иного поколения в производство (таб. 2). Отличия ЭВМ по поколениям связаны с их: 1) Элементной базой, 2) Быстродействием, 3) Емкостью памяти, 4) Способами управления и переработкой информации.
Таб. 2 Поколения ЭВМ
ENIAK Electronics Numerical Integrator and Computer – ЭНИАК электронный цифровой интегратор и компьютер (вычислитель) первый из своего рода ЭВМ на электронных лампах. Его проект предложил американец Дж. Моучли в 1942 году в своей докладной записке, названной “Использование высокоскоростных ламповых устройств для расчетов” он просил финансирование у министерства обороны США на создание машины спроектированной со своим коллегой Дж. Эккертом. ЭНИАК предназначался для решения дифференциальных уравнений и иных математических расчетов. Система дифференциальных уравнений применялась при расчете баллистических таблиц для артиллерии, объем расчетов был настолько велик, что имеющиеся счетные машины не справлялись с задачей и тем сам затормаживало скорость поставок артиллерии на войну. Проект был одобрен, в июне 1943года началась сборка машины, в 1944 году удачно произведены тестовые расчеты, а в ноябре 1945 года машина была полностью готова.
ЭНИАК был цифровой машиной, но вместо двоичной системы, которая использовала только 0 и 1, ее счетчики были рассчитаны на десятичную систему (в связи с этим было использовано большее ламп, чем понадобилось бы при двоичной системе). В этом смысле она была не похожа на современный компьютер. Но в остальном она была более продвинутой, чем электромеханические и тем более механические аналоги вычислительной техники [[48], с.77]. Применение электронных ламп вместо реле обусловило качественный скачок в быстродействии. В компьютере использовалось три типа электронных схем: 1) схемы совпадения, сигнал на выходе которых появлялся только в том случае, если поступили сигналы на все входы; 2) собирательные схемы, сигнал на выходе которых появляется, если есть сигнал хотя бы на одном входе; 3)триггеры, выполненные на двойных триодах (две трехэлектродные электронные лампы монтировались в одном баллоне). ЭНИАК выполнял 5000 операций сложения и 360 операций умножения в секунду. Эта скорость была в сотни раз больше, чем у распространенных в то время механических и электромеханических арифмометров. Она имела память емкостью всего двадцать десятизначных чисел. Вес машины был равен 30 т, занимаемая площадь – 300 м2, использовано 17468 ламп, потребляемая мощность составляла 174 кВт, общая стоимость включая аренду у IBM устройства считывания перфокарт составила 750 тыс.долларов. По размерам (около 6 м в высоту и 26 м в длину) этот компьютер более чем вдвое превосходил "Марк-1" Г. Эйкена. Однако двойное увеличение в размерах сопровождалось тысячекратным увеличением в быстродействии. Позже в 1951 году Дж. Моучли и Дж. Эккертом была создана одна из первых ЭВМ предназначенная для коммерческой продажи UNIVAC, Universal Automatic Computer универсальный автоматический компьютер. содержащий около 5 тыс. электронных ламп. Внутреннее запоминающее устройство имело емкость тысячу 12-разрядных десятичных чисел и было выполнено на ста ртутных линиях задержки. 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. ЮНИВАК весила 13 т, потребляла 125 кВт, работала на тактовой частоте 2,25 МГц. Центральный комплекс (т.е. только процессор и память) имел размеры 4,3 × 2,4 × 2,6 м. Вся система занимала площадь в 35,5 м2. Всего было выпущено 48 таких компьютеров [[49], с.96]. Один из образцов ЮНИВАК был продан вещательной компании CBS и использовался для прогнозирования результатов президентских выборов США в 1952 году.
В СССР первая ЭВМ была построена в декабре 1951 года под руководством академика С.А. Лебедева директора Института электротехники Академии наук УССР. В проектировании МЭСМ (малая электронная счетная машина) участвовали кандидаты наук Л. И. Дашевский и Е. А. Шкабара, инженеры С. Б. Погребинский, А. Л. Гладыш, В. В. Крайницкий, И. П. Акулова, З. С. Зорина-Рапота, техники-монтажники С. Б. Розенцвайг, А. Г. Семеновский, М. Д. Шулейко и др. С осени 1948 г. С. А. Лебедев переориентировал свою лабораторию на создание
МЭСМ. Продумав основы ее построения, в январе-марте 1949 г. он представил их для обсуждения на специальном семинаре. В марте 1949 г. начались исследования по проектированию электронных схем элементов арифметического устройства с использованием радиоламп (триггеров, генераторов импульсов, счетчиков, разрешающих схем).
Первоначально МЭСМ задумывалась как макет или модель Большой электронной счетной машины (БЭСМ), и буква "М" в названии означала "макет". Работа над машиной носила исследовательский характер для экспериментальной проверки принципов построения универсальных цифровых ЭВМ. После первых успехов было принято решение доработать макет до полноценной машины, способной решать реальные задачи. МЭСМ размещалась на площади 60 м2, имела 6 тыс. электронных ламп, трехадресную систему команд, одно арифметическое устройство параллельного действия на триггерных ячейках, запоминающее устройство емкостью 94 слова по 16 разрядов. Быстродействие – 50 операций в секунду. Система счета - двоичная с фиксированной запятой. Ввод исходных данных - с перфорационных карт или посредством набора кодов на штекерном коммутаторе. Съем результатов - фотографирование или посредством электромеханического печатающего устройства. Контроль - системой программирования [[50], с.140].
Интересно развитие запоминающих устройств в ЭВМ первого поколения. Изначально в качестве запоминающего устройства использовали статические триггеры на ламповых триодах. Однако, получить запоминающее устройство на электронных лампах приемлемой емкости требовало неимоверных затрат. Для запоминания одного двоичного разряда требовалось два триода, при этом для сохранения информации они должны были непрерывно потреблять энергию. Это, в свою очередь, приводило к серьезным выделениям тепла - с этой проблемой столкнулись в СССР при создании МЭСМ и катастрофическому снижению надежности, например у ЭНИАК в США в которой было чрезмерное количество ламп. В результате, запоминающее устройство было крайне громоздким, дорогим и ненадежным. В 1944 году начал разрабатываться новый тип запоминающих устройств, основанный на использовании ультразвуковых ртутных линий задержки. Идея была заимствована из устройства уменьшения помех от неподвижных предметов и земли, разработанного для радаров во время Второй Мировой Войны. Чтобы убрать неподвижные объекты с экрана радара отражённый сигнал разделяли на два, один из которых посылался непосредственно на экран радара, а второй задерживался. При одновременном выводе на экран нормального и запаздывающего сигналов любое появлявшееся из-за задержки и обратной полярности совпадение стиралось, оставляя только подвижные объекты. Задержка сигнала осуществлялась с помощью линий задержки - наполненных ртутью трубок с пьезокристаллическим преобразователем на концах. Ртуть использовалась, потому что её удельное акустическое сопротивление почти равно акустическому сопротивлению пьезокристаллов. Это минимизировало энергетические потери, происходящие при передаче сигнала от кристалла к ртути и обратно. Для использования в качестве памяти, ртутные линии задержки были несколько доработаны. На принимающем конце трубки был установлен повторитель, который посылал входной сигнал обратно на вход линии задержки, таким образом, импульс, посланный в систему хранения данных, продолжал циркулировать в линии задержки, следовательно, сохранялся бит информации до тех пор, пока было электропитание. Каждая линия задержки сохраняла не один импульс (бит данных), а целый набор импульсов, количество которых определялось скоростью прохождения импульса через ртутную линию задержки (1450 м/с), длительностью импульсов, интервалом между ними и длинной трубки (рис.18) [ [51]].
Рис. 18 Паять на ртутных линиях задержки для ЭНИАКа
Память на ртутных линиях задержки была огромным шагом вперед. Однако, она обладала существенных недостатков, а именно: линии задержки требовали строгой синхронизации с устройством считывания данных, для минимизации энергетических потерь; происходящих при передаче сигнала в линии задержки, ртуть надо содержать при температуре в 40°C, так как при этой температуре ртути удается достигнуть максимального согласования акустических сопротивлений ртути и пьезокристаллов; сигнал мог отражаться от стенок и концов трубки; скорость работы памяти на ртутных линиях задержки была невелика и ограничивалась скоростью звука в ртути; и конечно сама ртуть работа с которой требовал жестких правил безопасности.
Поэтому требовалась новая, более быстрая память для продолжения развития ЭВМ. Вскоре, после создания первой ЭВМ на ультразвуковых ртутных линиях задержки, начались работы по исследованию нового типа памяти, использующего электронно-лучевые трубки, представляющие собой модификацию осциллографических трубок. Впервые, способ хранения данных с помощью электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) был разработан в 1946 году Ф. Уильямсом. Изобретение Уильямсона могло сохранять всего один бит и работало следующим образом. С помощью электронно-лучевой трубки пучок электронов фокусировался на участке пластины, покрытой специальным веществом. В результате, этот участок под действием вторичной эмиссии испускал электроны и приобретал положительный заряд, который сохранялся доли секунды, даже после отключения луча. Если через короткие интервалы времени повторять бомбардировку электронами, то заряд участка можно сохранять столько, сколько потребуется. Если же луч, не отключая, чуть передвинуть на соседний участок, то электроны, испущенные соседним участком, будут поглощены первым участком, и он примет нейтральный заряд. Таким образом, в ячейку, состоящую из двух смежных участков, можно быстро записывать 1 бит информации. Ячейка без заряда - 1, ячейка с положительным зарядом - 0. Спустя некоторое время память на на ЭЛТ стали заменять памятью на магнитных сердечниках - это запоминающее устройство, хранящее информацию в виде направления намагниченности небольших ферритовых сердечников, обычно имеющих форму кольца. Ферритовые кольца расставлялись в прямоугольную матрицу и через каждое кольцо проходило, в зависимости от конструкции запоминающего устройства, от двух до четырёх проводов для считывания и записи информации. Память на магнитных сердечниках была основным типом компьютерной памяти с середины 1950-х и до середины 1970-х годов [[52]].