Предпосылки развития ЭВМ
Предпосылки развития ЭВМ
На протяжении жизни всего
лишь одного поколения рядом с человеком вырос странный новый вид :вычислительные
и подобные им машины, с которыми, как он обнаружил, ему придется делить мир.
Ни история, ни философия,
ни здравый смысл не могут подсказать нам, как эти машины повлияют на нашу жизнь
в будущем, ибо они работают совсем не так, как машины, созданные в эру
промышленной революции.
Марвин Минский
Рассматривая историю
общественного развития, марксисты утверждают, что ’’ история есть
ни что иное, как последовательная смена отдельных поколений ’’.
Очевидно, это справедливо и для истории компьютеров.
Вот некоторые определения
термина ’’поколение компьютеров’’, взятые из
2-х источников. ’’ Поколения вычислительных машин - это сложившееся в
последнее время разбиение вычислительных машин на классы, определяемые
элементной базой и производительностью ’’.( Паулин Г.
Малый толковый словарь по вычислительной технике: пер. с нем.
М.. : Энергия, 1975 ). ’’ Поколения
компьютеров - нестрогая классификация вычислительных систем по степени развития
аппаратных и в последнее время - программных средств ’’.( Толковый
словарь по вычислительным системам: Пер. с англ. М.:
Машиностроение, 1990 ).
Утверждение понятия
принадлежности компьютеров к тому или иному поколению и появление самого
термина ’’ поколение ’’ относится к 1964 г., когда
фирма IBM выпустила серию компьютеров IBM / 360 на
гибридных микросхемах (монолитные интегральные схемы в то время ещё не
выпускались в достаточном количестве), назвав эту серию компьютерами третьего
поколения. Соответственно предыдущие компьютеры - на транзисторах и электронных
лампах - компьютерами второго и третьего поколений. В дальнейшем эта
классификация, вошедшая в употребление, была расширена и появились компьютеры
четвёртого и пятого поколений.
Для понимания истории
компьютерной техники введённая классификация имела, по крайней мере, два
аспекта: первый - вся деятельность, связанная с компьютерами,
до создания компьютеров ENIAC рассматривалась как предыстория ;
второй - развитие компьютерной техники определялось непосредственно в терминах
технологии аппаратуры и схем.
Второй аспект подтверждает и
главный конструктор фирмы DEC и один из изобретателей мини-компьютеров Г.Белл,
говоря, что ’’ история компьютерной индустрии почти всегда двигалась
технологией’’.
Переходя к оценке и
рассмотрению различных поколений, необходимо прежде всего заметить, что
поскольку процесс создания компьютеров происходил и происходит непрерывно ( в
нём участвуют многие разработчики из многих стран, имеющие дело с решением
различных проблем ), затруднительно, а в некоторых случаях и бесполезно,
пытается точно установить, когда то или иное поколение начиналось или
заканчивалось.
В 1883 г. Томас Альва
Эдисон, пытаясь продлить срок службы лампы с угольной нитью ввёл в её вакуумный
баллон платиновый электрод и положительное напряжение, то в вакууме между
электродом и нитью протекает ток.
Не найдя никакого объяснения
столь необычному явлению, Эдисон ограничивается тем, что подробно описал его,
на всякий случай взял патент и отправил лампу на Филадельфийскую выставку. О
ней в декабре 1884 г. в журнале ’’Инженеринг’’ была заметка ’’ Явление
в лампочке Эдисона’’.
Американский изобретатель не
распознал открытия исключительной важности (по сути это было его единственное
фундаментальное открытие - термоэлектронная эмиссия).Он не понял, что его лампа
накаливания с платиновым электродом по существу была первой в мире электронной
лампой.
Первым, кому пришла в голову
мысль о практическом использовании ’’ эффекта Эдисона ’’
был английский физик Дж. А. Флеминг (1849 - 1945 ). Работая с 1882 г.
консультантом эдисоновской компании в Лондоне, он узнал о ’’
явлении ’’ из первых уст - от самого Эдисона. Свой диод -
двухэлектродную лампу Флейминг создал в 1904 г.
В октябре 1906 г.
американский инженер Ли де Форест изобрёл электронную лампу - усилитель, или
аудион, как он её тогда назвал, имевший третий электрод - сетку. Им был введён
принцип, на основе которого строились все дальнейшие электронные лампы, -
управление током, протекающим между анодом и катодом, с помощью других
вспомогательных элементов.
В 1910 г. немецкий инженеры
Либен, Рейнс и Штраус сконструировали триод, сетка в котором выполнялась в
форме перфорированного листа алюминия и помещалась в центре баллона, а чтобы
увеличить эмиссионный ток, они предложили покрыть нить накала слоем окиси бария
или кальция.
В 1915 г. американский физик
Ирвинг Ленгмюр сконструировал двухэлектронную лампу - кенотрон, применяемую в
качестве выпрямительной лампы в источниках питания. В 1916 г. ламповая
промышленность стала выпускать особый тип конструкции ламп - генераторные лампы
с водяным охлаждением.
Идея лампы с двумя сотками -
тетрода была высказана в 1919 г. немецким физиком Вальтером Шоттки и независимо
от него в 1923 г. - американцем Э. У. Халлом, а реализована эта идея
англичанином Х. Дж. Раундом во второй половине 20-х г.г.
В 1929 г. голландские учёные
Г. Хольст и Б. Теллеген создали электронную лампу с 3-мя сетками - пентод. В
1932 г. был создан гептод, в 1933 - гексод и пентагрид, в 1935 появились лампы
в металлических корпусах.. Дальнейшее развитие электронных ламп шло по пути
улучшения их функциональных характеристик, по пути многофункционального
использования.
Проекты и реализация машин ’’
Марк - 1 ’’, EDSAC
и EDVAC в Англии и
США , МЭСМ в СССР заложили основу для развёртывания работ по созданию ЭВМ
вакуумноламповой технологии - серийных ЭВМ первого поколения.
Разработка первой электронной
серийной машины UNIVAC (Universal
Automatic Computer) начата примерно в
1947 г. Эккертом и Маучли, основавшими в декабре того же года фирму ECKERT-MAUCHLI. Первый образец машины ( UNIVAC-1 ) был
построен для бюро переписи США и пущен в эксплуатацию весной 1951 г.
Синхронная, последовательного действия вычислительная машина UNIVAC-1 создана на базе ЭВМ ENIAC
и EDVAC. Работала
она с тактовой частотой 2,25 МГц и содержала около 5000 электронных ламп.
Внутреннее запоминающее устройство в ёмкостью 1000 12 -разрядных десятичных
чисел было выполнено на 100 ртутных линиях задержки.
Вскоре после ввода в
эксплуатацию машины UNVIAC - 1 её разработчики выдвинули идею автоматического
программирования. Она сводилась к тому, чтобы машина сама могла подготавливать
такую последовательность команд, которая нужна для решения данной задачи.
Пятидесятые годы - годы
расцвета компьютерной техники, годы значительных достижений и нововведений как
в архитектурном, так и в научно - техническом отношении. Отличительные
особенности в архитектуре современной ЭВМ по сравнению с неймановской
архитектурой впервые появились в ЭВМ первого поколения.
Сильным сдерживающим
фактором в работе конструкторов ЭВМ начала 50 - х г.г. было отсутствие
быстродействующей памяти. По словам одного из пионеров вычислительной техники -
Д. Эккерта, ’’ архитектура машины определяется памятью ’’.
Исследователи сосредоточили свои усилия на запоминающих свойствах ферритовых
колец, нанизанных на проволочные матрицы.
В 1951 г. в 22 - м томе ’’ Journal of Applid Phisics ’’ Дж. Форрестер опубликовал статью о применении
магнитных сердечников для хранения цифровой информации. В машине ’’ Whirlwind - 1 ’’ впервые была применена память на магнит. Она
представляла собой 2 куба с 323217 сердечниками, которые обеспечивали
хранение 2048 слов для 16 - разрядных двоичных чисел с одним разрядом контроля
на чётность.
В разработку электронных
компьютеров включилась фирма
IBM. В 1952 г. она выпустила свой первый
промышленный электронный компьютер IBM 701, который представлял
собой синхронную ЭВМ параллельного действия, содержащую 4000 электронных ламп и
12000 германиевых диодов. Усовершенствованный вариант машины IBM
704 отличалась высокой скоростью работы, в ней использовались индексные
регистры и данные представлялись в форме с плавающей запятой.
После ЭВМ IBM 704
была выпущена машина IBM 709, которая в архитектурном плане приближалась к
машинам второго и третьего поколений. В этой машине впервые была применена
косвенная адресация и впервые появились каналы ввода - вывода.
В 1956 г. фирмой IBM были
разработаны плавающие магнитные головки на воздушной подушке. Изобретение их
позволило создать новый тип памяти - дисковые ЗУ, значимость которых была в
полной мере оценена в последующие десятилетия развития вычислительной техники.
Первые ЗУ на дисках появились в машинах IBM
305 и RAMAC-
Последняя имела пакет,
состоявший из 50 металлических дисков с магнитным покрытием, которые вращались
со скоростью 12000 об / мин. НА поверхности диска размещалось 100 дорожек для
записи данных, по 10000 знаков каждая.
Вслед за первым серийным
компьютером UNIVAC - 1 фирма Remington - Rand в 1952 г.
выпустила ЭВМ UNIVAC - 1103, которая работала в 50 раз быстрее. Позже в
компьютере UNIVAC - 1103 впервые были применены программные прерывания.
Сотрудники фирмы Remington - Rand использовали
алгебраическую форму записи алгоритмов под названием ’’ Short Cocle ’’ ( первый интерпретатор, созданный в 1949 г. Джоном Маучли ).
Кроме того, необходимо отметить офицера ВМФ США и руководителя группы
программистов, в то время капитана ( в дальнейшем единственная женщина в ВМФ-
адмирала ) Грейс Хоппер, которая разработала первую программу- компилятор А- О.
(Кстати, термин " компилятор " впервые ввела Г. Хоппер в
1951 г. ). Эта компилирующая программа производила трансляцию на машинный язык
всей программы, записанной в удобной для обработки алгебраической форме.
Фирма IBM также
сделала первые шаги в области автоматизации программирования, создав в 1953 г.
для машины IBM 701 "
Систему быстрого кодирования ".
В нашей стране А. А. Ляпунов предложил один из первых языков программирования.
В 1957 г. группа под руководством Д. Бэкуса завершила работу над ставшим в
последствии популярным первым языком программирования высокого уровня,
получившим название ФОРТРАН. Язык, реализованный впервые на ЭВМ IBM 704,
способствовал расширению сферы применения компьютеров.
В Великобритании в июле 1951
г. на конференции в Манчестерском университете М. Уилкс представил доклад "
Наилучший метод конструирования автоматической машины", который
стал пионерской работой по основам микропрограммирования. Предложенный им метод
проектирования устройств управления нашел широкое применение.
Свою идею
микропрограммирования М. Уилкс реализовал в 1957 г. при создании машины EDSAC-2.
М. Уилкс совместно с Д. Уиллером и С. Гиллом в 1951 г. написали первый учебник
по программированию " Составление программ для электронных счетных машин
" (русский перевод- 1953 г.).
В 1951 г. фирмой Ferranti начат серийный выпуск машины " Марк-1". А через 5 лет фирма Ferranti
выпустила ЭВМ ’’ Pegasus ’’, в которой впервые нащла воплощение концепция
регистров общего назначения ( РОН ). С появлением РОН устранено различие между
индексными регистрами и аккумуляторами, и в распоряжении программиста оказался
не один, а несколько регистров - аккумуляторов.
В 1950 г. в Институте точной
механики и вычислительной техники ( ИТМ и ВТ ) организован отдел цифровых ЭВМ
для разработки и создания большой ЭВМ. В 1951 г. здесь была спроектирована
машина БЭСМ ( Большая Электронная Счётная Машина ), а в 1952 г. началась её
опытная эксплуатация.
В проекте вначале
предполагалось применить память на трубках Вильямса, но до 1955 г. в качестве
элементов памяти в ней использовались ртутные линии задержки. По тем временам
БЭСМ была весьма производительной машиной - 800 оп / с. Она имела трёхадресную
систему команд, а для упрощения программирования широко применялся метод стандартных
программ, который в дальнейшем положил начало модульному программированию,
пакетам прикладных программ. Серийно машина стала выпускаться в 1956 г. под
названием БЭСМ - 2.
В этот же период в КБ,
руководимом М. А . Лесечко, началось проектирование другой ЭВМ, получившей
название ’’ Стрела ’’. Осваивать серийное производство этой машины было
поручено московскому заводу САМ. Главным конструктором стал Ю. А. Базилевский,
а одним из его помощников - Б. И. Рамеев, в дальнейшем конструктор серии ’’ Урал
’’. Проблемы серийного производства предопределили
некоторые особенности ’’ Стрелы ’’ : невысокое по сравнению с БЭСМ
быстродействие, просторный монтаж и т. д. В машине в качестве внешней памяти
применялись 45 - дорожечные магнитные ленты, а оперативная память - на трубках
Вильямса. ’’ Стрела ’’ имела большую разрядность и удобную систему команд.
Первая ЭВМ ’’ Стрела
’’ была установлена в отделении прикладной математики
Математического института АН ( МИАН ), а в конце 1953 г. началось серийное её
производство.
В лаборатории электросхем
энергетического института под руководством И. С. Брука в 1951 г. построили
макет небольшой ЭВМ первого поколения под названием М-1.
В следующем году здесь была
созлана вычислительная машина М - 2, которая положила начало созданию
экономичных машин среднего класса. Одним из ведущих разработчиков данной машины
был М. А. Карцев, внёсший впоследствии большой вклад в развитие отечественной
вычислительной техники. В машине М - 2 использовались 1879 ламп, меньше, чем в ’’
Стреле ’’, а средняя производительность составляла 2000 оп / с.
Были задействованы 3 типа памяти : электростатическая на 34 трубках Вильямса, на
магнитном барабане и на магнитной ленте с использованием обычного для того
времени магнитофона МАГ - 8.
В 1955 - 1956 г.г. коллектив
лаборатории выпустил малую ЭВМ М - 3 с быстродействием 30 оп / с и оперативной
памятью на магнитном барабане. Особенность М - 3 заключалась в том, что для
центрального устройства управления был использован асинхронный принцип работы.
Необходимо отметить, что в 1956 г. коллектив И. С. Брука выделился из состава
энергетического института и образовал Лабораторию управляющих машин и систем,
ставшую впоследствии Институтом электронных управляющих машин ( ИНЭУМ ).
Ещё одна разработка малой
вычислительной машины под названием ’’ Урал ’’ была
закончена в 1954 г. коллективом сотрудников под руководством Рамеева.. Эта
машина стала родоначальником целого семейства ’’ Уралов ’’,
последняя серия которых ( ’’ Урал -16 ’’ ), была выпущена в 1967 г.
Простота машины, удачная конструкция, невысокая стоимость обусловили её широкое
применение.
В 1955 г. был создан
Вычислительный центр Академии наук, предназначенный для ведения научной работы
в области машинной математики и для предоставления открытого вычислительного
обслуживания другим организациям Академии.
Во второй половине 50 - х
г.г. в нашей стране было выпущено ещё 8 типов машин по вакуумно - ламповой
технологии. Из них наиболее удачной была ЭВМ М - 20, созданная под руководством
С. А. Лебедева, который в 1954 г. возглавил ИТМ и ВТ.
Машина отличалась высокой
производительностью ( 20 тыс. оп / с ), что было достигнуто использованием
совершенной элементной базы и соответствующей функционально - структурной
организации. Как отмечают А. И. Ершов и М. Р. Шура - Бура, ’’ эта
солидная основа возлагала большую ответственность на разработчиков, поскольку
машина, а более точно её архитектуре, предстояло воплотиться в нескольких
крупных сериях ( М - 20, БЭСМ - 3М, БЭСМ - 4, М - 220, М - 222 ) ’’.
Серийный выпуск ЭВМ М - 20 был начат в 1959 г.. В 1958 г. под руководством В.
М. Глушкова ( 1923 - 1982) в Институте кибернетики АН Украины была создана
вычислительная машина ’’ Киев ’’, имевшая производительность 6 - 10 тыс. оп / с. ЭВМ ’’
Киев ’’ впервые в нашей стране использовалась для
дистанционного управления технологическими процессами.
В то же время в Минске под
руководством Г. П. Лопато и В. В. Пржиялковского начались работы по созданию
первой машины известного в дальнейшем семейства ’’ Минск - 1 ’’.
Она выпускалась минским заводом вычислительных машин в различных модификациях : ’’
Минск - 1 ’’, ’’ Минск - 11 ’’, ’’ Минск - 12 ’’, ’’
Минск - 14 ’’. Машина широко использовалась в вычислительных
центрах нашей страны. Средняя производительность машины составляла 2 - 3 тыс. оп
/ с.
При рассмотрении техники
компьютеров первого поколения, необходимо особо остановиться на одном из
устройств ввода - вывода. С начала появления первых компьютеров выявилось
противоречие между высоким быстродействием центральных устройств и низкой скоростью
работы внешних устройств. Кроме того, выявилось несовершенство и неудобство
этих устройств.