Файл: История развития средств вычислительной техники ( Механический и электромеханический этапы развития вычислительной техники).pdf

Для построения оперативной памяти ЭВМ применялись ферритовые сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса.

В качестве устройств ввода-вывода сначала использовалась стандартная телеграфная аппаратура (телетайпы, ленточные перфораторы, трансмиттеры, аппаратура счетно-перфорационных машин).

Впоследствии специально для ЭВМ были разработаны электромеханические запоминающие устройства на магнитных лентах, барабанах, дисках и быстродействующие печатающие устройства.

Машины первого поколения были очень внушительных размеров, потребляли большие мощности, имели сравнительно малое быстродействие, малую емкость оперативной памяти, невысокую надежность работы и недостаточно развитое программное обеспечение.

В ЭВМ этого поколения были заложены основы логического построения машин и продемонстрированы возможности цифровой вычислительной техники.

На роль первой в истории электронной вычислительной машины претендуют три конструкции.

Первой электронной вычислительной машиной чаще всего называют специализированный калькулятор ABC (Atanasoff-Berry Computer – вычислитель Атанасова-Берри). Он был разработан в период с 1939 по 1942 г. профессором Джоном Атанасовым совместно с аспирантом Клиффордом Берри и предназначался для решения системы линейных уравнений (до 29 уравнений с 29 переменными). ABC обладал памятью на 50 слов длиной 50 бит, а запоминающими элементами служили конденсаторы с цепями регенерации. В качестве вторичной памяти использовались перфокарты, где отверстия не перфорировались, а прожигались. После того, как судебным решением были аннулированы патенты создателей другого электронного калькулятора – ENIАС (Electronic Numerical Integrator And Computer – электронный цифровой интегратор и вычислитель), ABC стал считаться первой ЭВМ [7, с. 52].

Вторым претендентом считается вычислитель Colossus, построенный в 1943 г. в Англии. Изобретателем машины был профессор Макс Ньюмен, а изготовил его Томми Флауэрс. Colossus был создан для расшифровки кодов немецкой шифровальной машины «Лоренц Шлюссель-цузат-40». Машина была выполнена в виде восьми стоек высотой 2,3 м, а общая ее длина составляла 5,5 м. В логических схемах машины и в системе оптического считывания информации использовалось 2 400 электронных ламп, главным образом, тиратронов. Информация с пяти вращающихся длинных бумажных колец считывалась со скоростью 5 000 символов/с.

Более известен электронный цифровой компьютер широкого назначения ENIAC, который был спроектирован в Пенсильванском университете под руководством Джона Мочли (John Mauchly) и Джона Преспера Эккерта (John Presper Eckert). Проект создавался в конце второй мировой войны с учетом потребностей вооруженных сил США. Армейская лаборатория исследования баллистики (BRL – Ballistics Research Laboratory), которая занималась подготовкой баллистических таблиц, используемых для точной наводки крупнокалиберных орудий, при выполнении необходимых расчетов в условиях дефицита времени испытывала огромные затруднения. Для этих расчетов привлекалось свыше 200 вычислителей (сотрудников) с настольными механическими калькуляторами, на которых уравнения баллистики решались с использованием численных методов. На подготовку таблицы для одного типа орудия затрачивалось от нескольких часов до нескольких дней.

По скорости вычислений созданная машина превосходила любые электромеханические калькуляторы и могла выполнять около 5 000 сложений в секунду.

ENIAC была, по сути, не двоичной, а десятичной вычислительной машиной. Основной ее недостаток заключался в том, что программирование вычислений выполнялось в ней вручную, путем перекоммутации электрических кабелей и с помощью электрических переключателей.

Проект разработки цифрового компьютера широкого назначения был завершен в 1946 г. В дальнейшем машина применялась в Манхэттенском проекте при выполнении расчетов, связанных с созданием водородной бомбы. ENIAC эксплуатировалась в BRL вплоть до 1955 г., после чего была разобрана вследствие устаревания.

Одним из важных результатов проекта создания ENIAC является то, что компьютер, спроектированный для одной области, нашел свое применение в другой, и это показало огромное преимущество идеи универсальной вычислительной машины, способной решать широкий круг задач.

Необходимо отметить, что ни ABC, ни ENIAC не являются вы- числительными машинами в современном понимании этого термина, и правильнее классифицировать их как калькуляторы [16, с. 75].

Ввести новую программу в ENIAC или изменить что-либо в имеющейся программе было довольно трудно. Значительно проще было бы программировать цифровую машину в том случае, если бы можно было представить программу в таком же виде, как и данные, и хранить ее примерно таким же способом. Тогда ввод новой программы свелся бы к вводу массива команд в память (или изменению имеющегося там массива), а компьютер в процессе вычислений извлекал бы их оттуда.

К окончанию разработки ENIAC относится возникновение идеи, воплощение которой находит свое отражение в современных архитектурах компьютеров.

Эта идея известна под именем концепции хранимой в памяти компьютера программы, которую обычно связывают с группой создателей ENIAC, в частности, с именем математика Джона фон Неймана (John von Neumann), который был консультантом проекта. Еще до завершения ENIAC Эккерт, Мочли и фон Нейман приступили к новому проекту – EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Calculator – электронный автоматический калькулятор дискретных величин). В 1945 г. фон Нейман под своим именем опубликовал работу «Предварительный доклад о машине EDVAC», посвященную обсуждению логической структуры нового компьютера EDVAC, в которой были приведены основные положения концепции хранимой в памяти компьютера программы.

Прототипом всех последующих компьютеров общего назначения с хранимой программой стал компьютер, известный под именем IAS (Institut for Advanced Studies – Институт современных исследований в Принстоне [США]), структура которого показана на рис. 1 [15, с. 47].

В состав компьютера входят:

– оперативная память – в ней хранятся данные и команды программы;

– арифметическое и логическое устройство (АЛУ) – обрабатывает данные, представленные в двоичной системе счисления;

– устройство управления выполнением программы (УУ) – анализирует команды программы, извлекаемые из памяти, и организует их выполнение;

– оборудование ввода-вывода – работает в соответствии с сигналами, поступающими от УУ.

Рисунок 1 = Структура компьютера IAS

За малым исключением такую структуру и распределение функций имеют все современные ЭВМ. Общепринято называть ее структурой машины фон Неймана.

2.1.2. Отечественные ЭВМ первого поколения

К отечественным ЭВМ первого поколения относятся БЭСМ-1, БЭСМ-2, «Стрела», семейство ЭВМ «Урал», «Минск-1» и др. [2, с. 45].

Хронология развития первых ЭВМ в СССР:

– организация первой вычислительной лаборатории, прообраза будущих вычислительных центров (И. Я. Акушский, 1941);

– разработка первого проекта цифровой электронной вычислительной машины (И. С. Брук, Б. И. Рамеев, август 1948 г.);

– обоснование принципов построения ЭВМ с хранимой в памяти программой независимо от Джона фон Неймана (С. А. Лебедев, октябрь-декабрь 1948 г.);

– регистрация первого свидетельства об изобретении цифровой ЭВМ (И. С. Брук, Б. И. Рамеев, декабрь 1948 г.);

– первый пробный пуск макета малой электронной счетной машины МЭСМ (С. А. Лебедев, ноябрь 1950 г.);

– приемка Государственной комиссией МЭСМ – первой в СССР и континентальной Европе ЭВМ, запущенной в регулярную эксплуатацию (С. А. Лебедев, декабрь 1951 г.);

– завершение отладки и запуск в эксплуатацию первой в Российской Федерации ЭВМ М-1 (И. С. Брук, Н. Я. Матюхин, январь 1952 г.);

– выпуск первых промышленных образцов ЭВМ (Ю. Я. Базилевский, Б. И. Рамеев, 1953 г., ЭВМ «Стрела»).

В СССР первая малая электронная счетная машина (МЭСМ) была создана в 1951 г. (принята в эксплуатацию с 25 декабря 1951 г.) под руководством С. А. Лебедева. На тот период МЭСМ также стала первой ЭВМ и в континентальной Европе.

МЭСМ была задумана Лебедевым как модель Большой электронной счетной машины (БЭСМ). Вначале она так и называлась – Модель электронной счетной машины. В процессе создания стала очевидной целесообразность преобразования ее в малую ЭВМ. Для этого были добавлены устройства ввода и вывода информации, память на магнитном барабане, увеличена разрядность, после чего слово «модель» было заменено словом «малая» [7, с. 54].

При разработке ЭВМ, как отмечал академик С. А. Лебедев в своем докладе на заседании закрытого ученого совета Института электротехники и теплоэнергетики АН УССР 8 января 1951 г., имелись «данные по 18 машинам, разработанным американцами. Эти данные носили характер рекламы, без каких-либо сведений о том, как машины устроены… При этом показатели американских машин были следующие: время умножения на ЭНИАК – 5,5 мс, на ЭДВАК – 4 мс, на запущенной в эксплуатацию МЭСМ – 8–9 мс».

Малая счетная машина имела универсальное арифметическое устройство, которое выполняло 50 арифметических или логических операций в секунду, и потребляла мощность 25 кВт. Блок-схема ее основных устройств показана на рис. 2 [11, с. 93], где:

– А0 – код адреса операции в БЗК;

– А1 – код первого адреса в БЗК;

– А2 – код второго адреса в БЗК;

– А3 – код третьего адреса в БЗК;

– АУ – арифметическое устройство;

– БЗАУ – блок запоминания арифметического устройства;

– БЗК – блок запоминания команд;

– БЗМЗ – блок запоминания магнитной записи;

– БЗШЗК – блок запоминания штекерного запоминающего устройства для команд;

– БЗШЗЧ – блок запоминания штекерного запоминающего устройства для чисел;

– ВЧ – блок вывода кодов чисел;

– ДИ – датчик главных импульсов и импульсов смещения;

– КК – коммутатор команд;

– КМЗ – коммутатор магнитной записи;

– КОп – коммутатор операций;

– МБ – магнитное запоминающее устройство на барабане;

– МДИ – магнитный датчик ДИ;

– См – сумматор арифметического устройства;

– УЗпЧт – блок управления записью и чтением с магнитного барабана;

– УК – блок управления командами;

– УКК – блок управления коммутатором команд;

– УККОп – блок оперативного управления коммутатором команд;

– УКМЗ – блок управления коммутатором магнитной записи;

– УКОп – блок управления коммутатором операций;

– УМК – блок местного управления командами;

– УОп – блок управления операциями;

– УСп – устройство совпадения;

– УЦК – блок управления центральным коммутатором;

– УШЗ – блок управления штекерными запоминающими устройствами;

– ЦК – центральный коммутатор;

– ЦУ – блок центрального управления;

– ШЗК – штекерное запоминающее устройство для кодов команд;

– ШЗЧ – штекерное запоминающее устройство для кодов чисел;

– ЭЗК – электронное запоминающее устройство для кодов команд;

– ЭЗЧ – электронное запоминающее устройство для кодов чисел.

Рисунок 2 = Блок-схема основных устройств МЭСМ

В 1952 г. в опытную эксплуатацию была запущена вычислительная машина М-1 (И. С. Брук, Н. Я. Матюхин, А. Б. Залкинд). Она содержала 730 электронных ламп, имела оперативную память емкостью 256 25-разрядных слов, рулонный телетайп. Производительность машины составляла 15 – 20 оп./с. Впервые была применена двухадресная система команд. Первые задачи по обращению матриц большой размерности и другие задачи по вычислительной математике на М-1 решались академиком С. Л. Соболевым для исследований в области ядерной физики [7, с. 57].

Следующая за М-1 машина М-2, созданная группой выпускников МЭИ под руководством И. С. Брука, обладала емкостью оперативной памяти 512 34-разрядных слов и быстродействием 2 000 оп./с. На М-2 проводились расчеты для Института атомной энергии, Института теоретической и экспериментальной физики АН СССР, Института проблем механики АН СССР (расчеты прочности плотин Куйбышевской и Волжской гидроэлектростанций), Теплотехнической лаборатории АН СССР, Военно-воздушной академии, Артиллерийской академии, института «Стальпроект», предприятия академика А. И. Берга и многих других научных и промышленных организаций.

В апреле 1953 г. в эксплуатацию была запущена самая быстро- действующая в Европе ЭВМ БЭСМ (С. А. Лебедев) с быстродействием 8 – 10 тыс. оп./с. Областью еѐ применения были научные и производственные задачи.

В 1953 г. была выпущена ламповая ВМ «Стрела» (Ю. А. Базилевский, Б. И. Рамееев) с быстродействием 2 000 оп./с. Область применения: научные расчеты в ВЦ АН СССР, ИПМ АН СССР МГУ им. М. В. Ломоносова и в вычислительных центрах некоторых министерств [7, с. 58].

Сводные данные по перечисленным отечественным ЭВМ первого поколения представлены в табл. 1.

Таблица 1

Сводные данные по отечественным ЭВМ первого поколения

В 1953 г. серьезные вычислительные задачи для нужд обороны страны, науки и народного хозяйства можно было решать на трех экземплярах вычислительных машин – БЭСМ, «Стрела» и М-2 [14, с. 217].