книги из ГПНТБ / Апокин, И. А. Развитие вычислительных машин

в данной записи. Название систем (десятичная, двоичная) про­

изошло от количества знаков для изображения чисел. В двоичной

системе этими знаками являются две цифры 0 и 1, численное

значение которых то же, что и в десятичной системе.

Начало исследований в области двоичной системы счисления

относится к XVII в. [19]. Впервые двоичная форма чисел встре­

чается в неопубликованном трактате (около 1600 г.) Т. Гарриота

(1560—1621 гг.). В 1658 г. Блез Паскаль показал, что любое

положительное число может быть использовано в качестве осно­ вания системы счисления. Паскаль впервые обратил внимание на

то, что с точки зрения удобства и простоты выполнения ариф­

метических операций десятичная система счисления значительно уступает некоторым другим системам счисления, например две­ надцатиричной. В 1670 г. испанский епископ Лобковиц впервые

рассмотрел способы записи чисел в различных системах счисле­ ния, включая двоичную. В 1703 г. Лейбниц впервые описал ариф­

метические действия в двоичной системе и показал полезность ее

применения в пекоторых теоретических исследованиях. Широкое

практическое применение двоичной системы связано с возникно­

вением электронной вычислительной техники и обусловлено прежде всего такими обстоятельствами, как двухпозиционный

характер работы электронных элементов, высокая экономичность двоичной системы счисления и простота выполнения арифмети­ ческих операций с двоичными числами. В то же время она наилучшим образом соответствует характеру работы элементов ЦВМ.

«Наш основной блок памяти,— писал Нейман,— по своей при­

роде приспособлен к двоичной системе... Триггер в сущности —

опять-таки двоичное устройство. В запоминающих устройства?.,

на магнитной проволоке или лептах и в запоминающих устрой­

ствах на акустических линиях задержки также используются два

различных состояния: наличие или отсутствие импульса (при

использовании несущей частоты — серии импульсов) пли же по­ лярность импульса... Следовательно, если предполагается исполь­ зовать десятичную систему..., десятичные числа приходится кодировать в двопчной системе, причем каждая десятичная циф­ ра представляется по крайней мере тетрадой двоичных цифр. Та­ ким образом, для представления с одинаковой степенью точности

десяти десятичных цифр требуется по крайней мере 40 двоичных цифр. При двоичном же представлении чисел достаточно пример­ но 33 цифры для достижения точности порядка IO-10. Поэтому

применение двоичной системы более экономично в отношении

используемого оборудования.

Основное же преимущество двоичной системы по сравнению

с десятичной состоит в большей простоте и быстродействии, с ко­ торыми могут выполняться элементарные операции... Дополни­

тельное замечание, которое заслуживает упоминания, состоит в том, что основная часть машины по своему характеру является

не арифметической, а логической. Новая логика, будучи системой

180

Дж. Буль

типа «да — нет», в основном двоична. Поэтому двоичное построе­

ние арифметических устройств существенно содействует построе­

нию более однородной машины, которая может быть лучше ском­

понована и более эффективна» [18, стр. 28].

Последний аргумент Неймана в пользу двоичной системы за­

служивает особого внимания. Применение двоичной системы счисления ориентировало на использование бинарной логики,

позволяющей уменьшить количество оборудования и упростить

логическую схему машины, а также облегчить проектирование машины путем применения аппарата алгебры логики для анализа

и синтеза логических схем ЦВМ.

Применение алгебры логики

Алгебра логики была разработана в середине прошлого века

английским математиком и философом Дж. Булем и рассматри­

10 Работа Буля «Исследование законов мысли» была опубликована в 1854 г. Впервые идея математизации логики была высказана Лейбницем.

181

оыть с успехом применен для решения некоторых технических

проблем. В 1910 г. П. С. Эренфест впервые высказал идею ис­

пользовать алгебру логики в качестве математического метода

анализа и синтеза релейных схем [20]. В '1923 г. советский спе­

циалист по гидротехническим сооружениям Н. Μ. Герсеванов по­ казал, что можно использовать аппарат алгебры логики при вы­ полнении расчетов сооружений [21]. Систематическое исследо­

вание вопросов, связанных с применением алгебры логики для

расчета электрических сетей, было начато во второй половине 30-х

годов японскими инженерами Накашима и Хапзава, советским

ученым В. И. Шестаковым [22] и американским ученым К. Шен­

ноном [23]. Разработка вычислительных машин на двухпозици­

онных электронных элементах создала возможности для широкого

применения алгебры логики при конструировании электронных

схем. Эти возможности были обусловлены тем, что алгебра логики оперирует с бинарными функциями, т. е. с функциями, которые

принимают лишь два значения («истинно» и «ложно», 0 и 1). Применение алгебры логики, как и предвидел Нейман, стало

важным инструментом проектирования электронных ЦВМ. Нема­ ловажное место в теории проектирования ЭВМ заняли универ­

сальные электронные элементы, такие как элемент Шеффера

(схема «НЕ — И») и элемент, реализующий операцию Пирса

(схема «НЕ — ИЛИ»), т. е. элементы, позволяющие конструиро­

вать логическую часть машины из однотипных схем. Большое

внимание стало уделяться применению алгебры логики для мини­ мизации количества используемых логических схем. Как отмеча­ ет Μ. Bpeyep, «по части упрощения булевых функций, пожалуй, имеется гораздо больше работ, чем по любому другому вопросу

проектирования вычислительных устройств» [24, стр. 171'1]. Заме­

тим, что алгебра логики нашла применение также и в области

программирования (составление логических схем программ).

В первых ламповых ЦВМ с хранимой программой были при-

мепепы основные типы логических схем, используемых в насто­ ящее время в вычислительной технике. В дальнейшем изменялись только технологические методы реализации логических схем (ста­

Проект ЭДВАК

Как отмечалось выше, отчеты Дж. Неймана содержали не только обоснование новых идей, но и конкретный план их реа­ лизации — проекты машин ЭДВАК и НАС. Методы реализации обоих проектов оказали глубокое влияние на развитие электрон-

пой цифровой вычислительной техники. Прежде всего это отно­ сится к более раннему проекту (ЭДВАК), работы по которому

были начаты в 1945 г. (по контракту с министерством обороны

182

Maiiiiina ОДВАК

США) н выполнялись Муровской электротехнической школой

Пенсильванского университета, т. е. там же, где была построена

машина ЭНИАК “ [25, 26].

Роль проекта ЭДВАК в истории вычислительной техпики оп­

ределяется в значительной степени тем обстоятельством, что ход

реализации проекта освещался в периодически выпускаемых от­

четах, данные которых послужили отправной точкой для работ

над рядом проектов электронных ЦВМ в США п Великобритании

во второй половине 40-х годов. Некоторые из этих ЦВМ были построены в весьма сжатые сроки и по дате ввода в эксплуата­ цию опередили машину ЭДВАК. Так, первой введенной в экс­

плуатацию машиной с хранимой программой явилась рассмотрен­ ная в следующей главе английская ЦВМ ЭДCAK (1949 г.), на

разработку проекта которой значительпое влияние оказали идеи

проекта ЭДВАК. В 1950 г. основные опытпо-конструкторские

работы по проекту ЭДВАК были завершены. В 1952 г. были за­

кончены последние испытания и началась систематическая экс­ плуатация машины на Абердинском артиллерийском полигоне

Армии США.

11 Работами по проекту ЭДВАК руководили Маучлп, Эккерт и Нейман.

183

По техническим параметрам ЭДВАК выгодно отличается от

машины ЭНИАК. При более высоком быстродействии 12 в машине ЭДВАК использовались 3500 электронных ламп, т. е. в пять раз

меньше, чем в ЭНИАК. Уменьшение количества электронных

ламп было достигнуто как за счет широкого использования полу­

проводниковых диодов, так и за счет построения памяти не па

писи программы в запоминающее устройство. По своим размерам ЭДВАК значительно меньше ЭНИАК и состоит из панелей высо­

той 2,14 лі, занимающих площадь около 13 лг.

Развертывание опытно-конструкторских работ по проекту ЭДВАК наряду с параллельным развитием научно-исследователь­ ских и опытно-конструкторских работ по ряду других проектов

электронных ЦВМ (см. гл. 6) знаменует завершение периода

зарождения электронной цифровой вычислительной техники.

Хронологически рамки этого периода включают начало работ по проекту Атанасова (1939 г.) и начало опытно-конструкторских

работ по проекту Неймана (1946 г.). Важными вехами этого пе­

риода явились докладная записка Маучли (1942 г.), предложив­

шего проект ЭНИАК, успешное завершение работ по проекту ЭНИАК (1945 г.) и отчеты Неймана, особепио отчет 1946 г., внес­ ший фундаментальный вклад в развитие идей конструирования

электронных ЦВМ и программирования.

Важным итогом данного периода является убедительный по­ каз преимуществ применения электроники в цифровой вычисли­

тельной технике. Именно в этом состоит основное значение про­ екта ЭНИАК. Вторым важным итогом является формирование идей конструирования ЦВМ, наплучшим образом отвечающих

специфике электронных элементов.

4. Обобщенная схема периода зарождения электронных ЦВМ

Нетрудно заметить, что одной из основных идей отчетов

Дж. Неймана был принцип хранимой программы, большинство других идей явилось равитием этого принципа. Действительно,

если программа работы запоминается машиной, то:

12 Операции сложения и умножения двух 10-разрядных десятичных чисел выполнялись машиной ЭНИАК со скоростью 0,2 и 2,8 мсек соответствен­ но. Машина ЭДВАК, оперируя с двоичными числами длиной 44 разряда, выполняла операцию сложения за 0,86 мсек и операцию умножения за 2,9 мсек. Таким образом, машины близки друг другу по ^номинальному быстродействию. Однако наличие значительно более емкой внутренней памяти и другие особенности конструкции существенно повышали вычис­ лительные возможности ЭДВАК. По оценке К. Найта, реальное быстродей­ ствие машины ЭДВАК при решении научно-технических задач превосхо­

дило быстродействие ЭНИАК в 4,2 раза [27].

13 Идея использовать в памяти ЦВМ акустические линии задержки была предложена Эккертом.

184

1)наиболее удобно представить как числа, с которыми опери­

рует машина, так и команды программы в одной и той же числовой

форме;

2)целесообразно использовать для хранения как чисел, так и команд программы одно и то же устройство;

3)обеспечивается возможность полной автоматизации работы

машины за счет предварительного составления программы, пре­ дусматривающей возможность изменения путей решения задачи

взависимости от значений промежуточных результатов вычи­

слений.

В то же время реализация концепции хранимой программы была связана с преодолением существенных технических труд­

ностей (создание быстродействующей и экономичной памяти, раз­

работка электронных схем управления, практическая разработка

методики программирования и т. и.). Поэтому первые электрон­ ные ЦВМ с хранимой программой были разработаны только

спустя несколько лет после появления отчетов Неймана — в '1949—1952 гг., хотя работа над соответствующими проектами бы­

ла начата в большинстве случаев в 1945—1946 гг.

В то же время потребность в создании вычислительных уст­

ройств для решения научно-технических задач обусловила разра­

ботку и выпуск во второй половине 40-х годов ряда марок универ­ сальных автоматических ЦВМ, не использующих принцип хра­ нимой программы и выполненных как на электромеханических реле, так и на электронных лампах.

Подробное рассмотрение этих машин, не оказавших заметного

влияния на развитие вычислительной техники, не входит в нашу

задачу. В то же время некоторые из данных ЦВМ заслужива­ ют упоминания, поскольку в свое время (вторая половина 40-х годов) они нашли широкое практическое применение.

В 1947 г. фирма «ИВМ» (США) закончила разработку машины

SSEC 14. По характеру используемых элементов эта машина должпа быть отнесена к смешанному релейно-электронному типу: в машине использовалось 23 тыс. реле и 13 тыс. вакуумных ламп.

Эта гигантская по своим размерам машина получила широкую известность, в частности, благодаря тому, что она была установ­

лена в Нью-Йорке (в здании корпорации «ИВМ») и открыта для

осмотра посетителями.

Емкость внутренней памяти, выполненной на триггерных ячей­

ках, составляла всего восемь десятичных чисел по 19 разрядов. Имелось также запоминающее устройство на реле емкостью

150 чисел. Кроме того, была предусмотрена сложная система за­

которых содержал один перфоратор и десять устройств для счи-

14 Введена в эксплуатацию в январе 1948 г.

185

тывапігя с лепты. При этом была использована очень широкая

перфолента, допускающая 80 поперечных пробивок (ширина

ленты соответствовала длине стандартных перфокарт). Один ряд

пробивок позволял фиксировать одно число длиной 19 десятичных

разрядов, и, естественно, создавалась возможность параллельно­

го считывания всех разрядов одного числа.

В арифметическом устройстве машины использовалось более

В 1948 г. фирма «ИВМ» выпустила модель 604, выполненную

полностью па электронных элементах (использовалось 100 ваку­ умных ламп). В машине был применен тот же способ программи­

рования, что и в ЭНИАК: штеккерпое программирование, осуще­ ствлялось путем ручного соединения с помощью коммутационной

панели отдельных блоков машины в последовательности, необхо­ димой для решения данной задачи. Машина имела внутреннее

запоминающее устройство емкостью 45 десятичных разрядов, выполненное на триггерных ячейках. Простота конструкции и не­

высокая стоимость обусловили чрезвычайно широкую популяр­ ность машины. Она закупалась фирмами и правительственными

организациями вместо счетных перфорационных машин и исполь­

607, 608 и 609). Только с 1954 г., после создания популярной

серийной модели ИБМ-650, фирма перешла на преимуществен­

ный выпуск машин с хранимой программой '5.

Заканчивая рассмотрение периода зарождения электронпой вычислительной техники, наметим па основе приведенных выше данных обобщенную схему его развития (см. схему). Как видно

из схемы, созданию электронных ЦВМ предшествовал сравни­

тельно высокий уровень развития электроники и перфорационной

вычислительной техники. Было налажено серийное производство таких приборов, как, например, электронные счетчики для счета частиц в ядерной физике, и таких устройств, как различные типы

табуляторов.

Заметим также, что во второй половине 30-х годов появились

математические работы, в которых была доказана принципиальная

возможность решения с помощью автоматов любой проблемы, под-

15 Первая серийная модель с хранимой программой (ИБМ-701) была выпу­ щена фирмой в 1953 г.

186

дающейся алгоритмической обработке. Данное доказательство со­

держалось в опубликованных в 1936 г. работах английского мате­

матика А. Тыоринга и американского математика Э. Поста [29, 30]. Хотя данные работы, явившиеся крупным вкладом в развитие тео­

рии алгоритмов, не оказали непосредственного влияния на конст­ руирование первых автоматических ЦВМ, все же их появление

свидетельствовало о том, что проблема механизации любых по

уровню сложности вычислений с помощью автоматов стала акту­

альной в рассматриваемый период. Более того, некоторые ученые пришли к выводу, что решение данной проблемы может быть най­ дено только на основе электронной техники, применение которой

потребует создать машину с новой структурой, отвечающей специ­ фике работы электронных схем. По свидетельству Н. Винера, «эти мысли почти носились тогда в воздухе» [31, стр. 47]. Известным

препятствтгем на пути реализации подобных идей являлась тради­

ционность мышления ряда талантливых специалистов в области вычислительной техники, работавших с механическими и электро­

механическими устройствами и стремившихся создать на их основе

ЦВМ для выполнения сложных научно-технических расчетов. Поэ­ тому в создании автоматических ЦВМ наметились два пути: при­

менение электронных схем и использование релейно-контактных

элементов. Разумеется, лучшее понимание проблемы конструиро­

вания автоматических ЦВМ проявили ученые, избравшие пер­

вый путь (Атанасов, Маучли, Нейман и др.). Однако было бы неправильным отрицать выдающийся вклад Цузе, Айкена и дру­

гих конструкторов релейных ЦВМ, так как им первым удалось

создать автоматические программируемые машины и, таким обра­ зом, доказать практическую возможность реализации подобных проектов.

После создания ЭНИАК преимущества, обеспечиваемые элек­ тронными схемами, стали очевидными. Однако конструкция «ЭНИАК» во многом повторяла электромеханические системы.

Задача детальной разработки новых схемно-структурпых реше­

ний была выполнена Дж. Нейманом и его коллегами по проектам

ЭДВАК и ИАС. По этому пути пошлп Дж. Форрестер, Дж. Ма­

учли, Дж. Эккерт (США), А. Тыоринг, Μ. Уилкс, Ф. Вильямс

(Великобритания), С. А. Лебедев, Б. И. Рамеев (СССР) и мно­

гие другие конструкторы первых ЦВМ с хранимой программой.

Однако некоторые конструкторы продолжали отстаивать старые принципы. В результате параллельно продолжалось развитие уни­

версальных релейных машин, релейно-электронных и электрон­ ных ЦВМ со штеккерным программированием. При этом следует

отметить, что в данных условиях, т. е. после создания ЭНИАК,

разработка универсальных релейных машин (типа MAPK-II)

являлась бесперспективным направлением и продолжалась по

инерции. Что же касается разработки универсальных электрон­ ных ЦВМ со штеккерным программированием, то их появление было обусловлено тем, что реализация принципов хранимой прог-

188

А. Тьюринг

раммы была связана с преодолением значительных технических трудностей, в результате чего разработка соответствующих проек­ тов требовала определенного времени. Например, проект ЭДВАК,

начатый в 1945 г., был завершен только в 1952 г. Между тем

возрастающие потребности промышленности, науки и техники удовлетворялись за счет внедрения систем со штеккерным про­ граммированием (типа ИБМ-604). Окончательный переход к конструированию универсальных ЦВМ на основе принципов хра­

нимой программы связан с серийным производством подобных си­

стем, т. е. с серийным выпуском универсальных машин первого поколения, рассматриваемых в следующей главе.

ЛИТЕРАТУРА

1.Μ. А. Боич-Бруевич. Телеграфия и телефония без проводов, 1918, 1, № 2.

2.W. H. Eccles, F. W. Jordan. Radio Rev., 1919, 1, N 3.

3.К. Штейнбух. Автомат и человек. Μ., «Советское радио», 1967.

4.W. H. Desmonde, К. 1. Berkling. Datamation, 1966, 1, N 9.

5.H. Aiken. IEEE Spectrum, 1964, 1, N 8.

6.H. Н. Athen, G. Μ. Hopper. Electr. Engr., 1946, 65, N 8, 10, 11.

7.E. G. Andrews. Bell Syst. Techn. J., 1967, 42, N 2.

189