Введение

Шестьдесят лет назад, 14 февраля 1946 года, в университете штата Пенсильвания военным и ученым показали работу первой в мире ЭВМ под названием Electronic Numerucal integrator and Computer, или сокращенно ENIAC (электронно-числовой интегратор и вычислитель). С той поры специалисты по вычислительной технике разных стран неофициально отмечают эту дату как "день компьютерщика"*. Разработкой и изготовлением ЭНИАКа руководили молодые американские инженеры Дж. Моучли (J.W. Mauchly) и Дж. Эккерт (J.P. Eckert). По современным представлениям это был монстр, весивший 27 тонн и занимавший помещение площадью 167 м². Он состоял из 70 000 резисторов, 17 468 радиоламп, 10 000 конденсаторов, 7200 полупроводниковых диодов, 6000 переключателей и тумблеров, 4100 ферритовых колец, 1500 реле. Потребляя 150 кВт энергии, ЭНИАК умел, например, производить сложение/вычитание двух 10-разрядных чисел за 0,0002 с, а их умножение - за 0,0028 с, то есть в 20 000 раз быстрее механического арифмометра. Ныне такими вычислительными способностями обладает кремниевый микрочип площадью 0,5 мм². На заре вычислительной техники Советский Союз не только не уступал американцам, но и превосходил их. Главная заслуга в этом принадлежит академику С. А. Лебедеву, создателю знаменитых БЭСМ и "Эльбрусов".

Mark 1

В 1944 году, Говард Айкен с командой из четырех инженеров законч ил свой пятилетний проект "Вычислительной машины с автоматическим управлением последовательностью операций" (ACCK), и назвал ее "Mark 1". Впоследствии, заверщив "военную службу", на которой ему приходилось рассчитывать сложные баллистические таблицы, "Mark 1" проработал еще 15 лет в Гарвардском университете, помогая составлять математические таблицы и решая самые разнообразные задачи, от создания экономических моделей до конструирования электронных схем компьютеров. Замечательно, что ее автором был человек, широтой своих интересов - инженер, математик, физик, - напоминающий Чарльза Бэббиджа. С идеями великого англичанина Айкен познакомился случайно, спустя три года после начал а работы над "Mark 1". Пораженный предвиденьем Бэббиджа, он писал:"Живи Бэббидж на 75 лет п озже, я остался бы безработным!". Говард Гатуэй Айкен в 1937 году начал работать в Гарвардском университете над тезисами своей диссертации. Нетипичным был и его путь в науку. Закончив военно–техническую школу в Индианаполисе, Айкен поступил в Висконсинский университет, где в 1923 году получил степень бакалавра в области электротехники. Но молодого инженера тянуло к “основам науки” – математике и физике, и в 1931 году он снова становиться студентом, на этот раз Чикагского университета. В следующем году, окончательно порвав с Вестингаузом, он переходит в Гарвард, где завершает свое научное образование. Теоретическая часть диссертации Айкена содержала решение так называемых обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений. Чтобы сократить вычислительную работу, Айкен начал придумывать несложные машины для автоматического решения частных задач. В конце концов он пришел к идее автоматической универсальной вычислительной машины, способной решать широкий круг научно–технических задач.

В "Mark 1" использовались механические элементы для представления чисел и э лектромеханические - для управления работой машины. Числа хранились в регистрах, состоящих из десятизубных счетных колес. Каждый регистр содержал 24 колеса, причем 23 из них использовались для представления числа (то есть "Mark 1" мог "перемалывать" числа длинной до 23 разрядов, а одно - для представления его знака. Регистр имел механизм передачи десятков и поэтому использовался не только для хранения чисел; находящееся в одном регистре число могло быть передано в другой регистр и добавлено к находящемуся там числу (или вычтено из него). Всего в "Mark 1" было 72 регистра и, кроме того, дополнительная память из 60 регистров, образованных механическими переключателями. В эту дополнительную память вручную вводились константы - числа, которые не изменялись в процессе вычислений.

Умножение и деление производилось в отдельном устройстве. Кроме того, машина имела встроенные блоки, для вычисления sin x, 10^x и log x. Скорость выполнения арифметических операций в среднем составляла: сложение и вычитание - 0,3 секунды, умножение - 5,7 секунды, деление - 15,3 секунды. Таким образом "Mark 1" был "эквивалентен" примерно 20 операторам, работающим с ручными счетными машинами.

Работой "Mark 1" управляли команды, вводимые с помощью перфорированной ленты. Каждая команда кодировалась посредством пробивки отверстий в 24 колонках, идущих вдоль ленты, и считывалась с помощью контактных щеток. Совокупность электрических сигналов, полученных в результате "прощупывания" позиций данного ряда, определяла действие машины на данном шаге вычислений. После завершения операции лента сдвигалась, и под щетки попадал следующий ряд отверстий. В одной перфоленте Айкен объединил два типа бэббиджевских перфокарт - операционные карты и карты вычислений.

ENIAC

Недолгий век электромеханических машин еще продолжался, но новое время уже стуч алось в дверь: в середине 1943 года началась работа над созданием первой электронной вычислительной машины. Руководили этой работой американские ученые Моучли и Эккерт.

В июне 1943 года артиллерийское управление заключило договор с Пенсильванским университетом на постройку "Электронной машины для расчета баллистических таблиц". Руководителем работ был назначен Моучли, а главным инженером - Эккерт. 10 инженеров, 200 техников и большое число рабочих в течение двух с половиной лет трудились над созданием "Электронно цифрового интегратора и вычислителя" (Electronical Numerical Integrator and Calculator, сокращенно ENIAC).

П редназначавшийся для военных целей ENIAC был закончен через 2 месяца после капитуляции Японии. Это было огромное сооружение (более 30 м в длину и 85 м3, его вес равнялся весу четырех (!) африканских слонов - 30 т), состоящее из 40 панелей, расположенных П-образно и содержащих более 18000 электронных ламп и 1500 реле. Машина потребляла около 150 кВт энергии - мощность, достаточная для небольшого завода.

Как только появился ENIAC, к машине Mark 1 стали относиться как к старому драндулету. Еще бы! Использование электронных ламп вместо механических и электромеханических элементов позволило резко увеличить скорость выполнения машинных операций. ENIAC тратил на умножение всего 0,0028 секунды, а на сложение и того меньше - 0,0002 секунды. Основными схемами машины были так называемые ячейки "и", действовавшие как переключатели, ячейки "или", предназначавшиеся для объединения на одном выходе импульсов, идущих от разных источников, и, наконец, триггеры.

В ENIAC'е 10 триггеров соединялись в кольцо, образуя десятичный счетчик, который исполнял роль счетного колеса механической машины. 10 таких колец плюс 2 триггера для представления знака числа образуют запоминающий регистр. Всего в ENIAC'e было 20 таких регистров. Каждый регистр снабжен схемой передачи десятков и мог быть использован для операций суммирования и вычитания. Другие арифметические операции выполнялись в специализированных блоках. Помимо памяти, на триггерных ячейках в машине имелся блок механических переключателей, на котором вручную могло быть установлено до 300 чисел. Числа передавались из одной части машины в другую посредством 11 проводников, по одному для каждого десятичного разряда и знака числа. Значение передаваемой цифры равнялось числу импульсов, прошедших по данному проводнику. Работой отдельных блоков машины управлял задающий генератор, который определял последовательность тактовых и синхронизирующих импульсов, эти импульсы "открыв али" и "закрывали" соответствующие электронные блоки машины.

Ввод чисел в машину производился с помощью перфокарт, а программное управление последовательностью выполнения операций осуществлялось, как в счетно-аналитических машинах, с помощью штеккеров и наборных полей. Хотя такой способ программирования и требовал много времени для подготовки машины, то есть для соединения на наборном поле (коммутационной доске) отдельных блоков машины, он позволял реализовывать счетные "способности" ENIAC'а и тем выгодно отличался от способа программной перфоленты, характерного для релейных машин.

Солдаты, приписанные к этой огромной машине, постоянно носились вокруг нее, скрипя тележками, доверху набитыми электронными лампами. Стоило перегореть хотя бы одной лампе, как ENIAC тут же вставал, и начиналась суматоха: все спешно искали сгоревшую лампу. Одной из причин - возможно, и не слишком достоверной - столь частой замены ламп считалась такая: их тепло и свечение привлекали мотыльков, которые залетали внутрь машины и вызывали короткое замыкание. Если это правда, то термин "жучки" (bugs), под которым подразумевают ошибки в программных и аппаратных средствах компьютеров, приобретает новый смысл.

Когда все лампы работали, инженерный персонал мог настроить ENIAC на какую-нибудь задачу, вручную изменив подключение 6 000 проводов. Все эти провода приходилось вновь переключать, когда вставала другая задача.

I   поколение (до 1955 г.)

В се ЭВМ I-го поколения были сделаны на основе электронных ламп, что делало их ненадежными - лампы приходилось часто менять. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими м ашинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла.

Притом для каждой машины использовался свой язык программирования. Набор команд был небольшой, схема арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно проста, программное обеспечение практически отсутствовало. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства, оперативные запоминающие устройства были реализованы на основе ртутных линий задержки электроннолучевых трубок.

Эти неудобства начали преодолевать путем интенсивной разработки средств автоматизации программирования, создания систем обслуживающих программ, упрощающих работу на машине и увеличивающих эффективность её использования. Это, в свою очередь, потребовало значительных изменений в структуре компьютеров, направленных на то, чтобы приблизить её к требованиям, возникшим из опыта эксплуатации компьютеров.