|
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. 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 1911 г.
американский физик Ч. Д. Кулидж предложил применить в качестве покрытия
вольфрамовой нити накала окись тория - оксидный катод - и получил вольфрамовую
проволоку, которая произвела переворот в ламповой промышленности. 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 32 32 17
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 нашей стране в 1948 г. проблемы развития вычислительной
техники становятся общегосударственной задачей. Развернулись работы по созданию
серийных ЭВМ первого поколения. 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.
| |
