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

с управлением от перфоленты. В окончательном варианте машина

содержала 2300 ламп и 24 000 диодов. По данным за 1962 г. [12],

машина продолжала успешно эксплуатироваться в Национальном

бюро стандартов США.

Роль проекта CEAK в истории цифровой вычислительной тех­

ники определяется прежде всего тем, что в машине был исполь­ зован динамический способ представления информации. Вместо

статических триггеров в CEAK были применены динамические триггеры с линиями задержки. Характеристики и описание элек­

тронных схем были опубликованы еще до того, как машина была

введена в эксплуатацию. Эти данные наряду с информацией, по­

лученной в процессе эксплуатации машины, оказали определенное

влияние на некоторые проекты ЦВМ, в том числе на первые про­ екты ЦВМ на полупроводниковых элементах.

Приблизительно в одно время с машиной CEAK была введена

в эксплуатацию машина БИНАК, разработанная по проекту

Дж. Эккерта и Дж. Маучлп [13]. Целью проекта было создание машины с высокоіг надежностью вычислений. Эта цель была до­ стигнута путем дублирования внутренних устройств машины

(арифметического блока и блока оперативной памяти). Каждый

блок выполнял одновременно одну и ту же программу, причем про­

верка правильности вычислений осуществлялась сравнением им­

пульсов иа выходе устройств. При такой работе вероятность непра­

вильного решения задачи сводилась к минимуму и практически за­ висела от правильности составленной программы. В то же время очевидным недостатком такого способа контроля являлись чрез­

мерные затраты оборудования.

Цифровая вычислительная машина БИНАК работала в двоич­ ной системе счисления, использовала команды с одноадресной стру­ ктурой и по принципу работы была машиной последовательного дей­

ствия с памятью на ртутных линиях задержки. Отличительная черта БИНАК — высокая тактовая частота (4 Mгц). Принципы

построения некоторых схем машины БИНАК нашли в дальней­ шем применение в некоторых элекроппых ЦВМ. Прежде всего это

относится к схеме одноразрядного сумматора комбинационного типа [14].

Значительное влияние на развитие конструкций электронных

ЦВМ оказал проект машины ИАС, разработанный и осуществлен­ ный под руководством Дж. Неймана. Машина была построена в Принстонском институте перспективных исследований по заказу

Управления вооружения Армии США. Еще до того как машина

была введена в эксплуатацию (январь 1952 г.), подробные данные об ее схемах и методах программирования были опубликованы в

отчетах Принстонского института [15] и послужили основой для

создания ряда аналогичных по структуре машин3.

3 В том числе машины, названной в честь Дж. Неймана («Джоннпак») н введенной в эксплуатацию в. 1954 г..

200

Машина БИВАК

Машина ИАС

В машине ИАС впервые был реализован разработанный Дж.

Нейманом асинхронный принцип работы устройства управления.

Сущность асинхронного принципа работы заключается в том, что время выполнения машиной рабочих операций определяется не длительностью основного такта машины, а реальным временем,

затрачиваемым конкретным устройством для выполнения данной операции. При этом каждая новая команда начинается после

получения от соответствующего устройства сигнала об окончании предыдущей операции. Таким образом, в отличие от постоянного

такта работы, характерного для синхронных ЦВМ, асинхронные

машины работают с переменным («плавающим») тактом. В ре­

зультате асинхронная машина в принципе более быстродействую­

щая, чем синхронная. Преимуществами асинхронных машин являются также простота согласования работы устройств с раз­

личным быстродействием и обеспечение дополнительного конт­

роля (в случае неполучения сигнала о выполнении операции ма­ шина останавливается). В процессе последующего развития элект­

ронной вычислительной техники асинхронный принцип работы на­

шел широкое применение в электронных ЦВМ, прежде всего в

машинах высокого класса.

Применение арифметического и запоминающего устройств па­ раллельного действия наряду с использованием асинхронного

принципа работы устройства управления обеспечило высокую ско­ рость работы машины ИАС. Операции сложения и вычитания

40-разрядпых двоичных чисел выполнялись за 52 мксек, а опера­ ция умножения — за 790—990 мксек. Вплоть до 1956 г., когда была введена в эксплуатацию быстродействующая ЦВМ ИБМ-704 с памятью на ферритовых сердечниках, машина ИАС входпла в число нескольких наиболее быстродействующих ЦВМ в мире \

Отличительная особенность машины — чрезвычайно компактная

и экономичная конструкция. Всего в машине использовалось 2300

электронных ламп (главным образом двойных триодов). Без уст­

ройств ввода и вывода машина занимала объем 0,61 × 2,44 ×

×2,44 м [16].

В1945 г. лаборатория сервомеханизмов Массачусетского техно­

логического института (Кембридж, штат Мэриленд) начала иссле­ дования в области применения вычислительной техники для моде­

лирования работы самолетов. В процессе исследований в 1947 г.

был разработан проект электронной ЦВМ «Вихрь». Основные опыт­ но-конструкторские работы были завершены в 1950 г. Машина бы­

ла введена в эксплуатацию в марте 1951 г. [17, 18].

Одной из целей проекта «Вихрь» было создание машины с мак­

симальным быстродействием. Применение параллельного принципа работы наряду с некоторыми схемно-структурными особенностями

(частичная асинхронность работы, применение дополнительных

4В это число входили некоторые американские ЦВМ (см. табл. 2) и совет­ ская ЦВМ БЭСМ.

202

схем, ускоряющих процесс вьтполнеппя операции сложения)

оперировала машина (16 двоичных разрядов).

Особенностью машины явилось применение в запоминающем

устройстве электронно-лучевых трубок повой конструкции, разра­ ботанных в 1947 г. Дж. Форрестером и А. Хэфом [9]. В отличие от

трубок Вильямса, использованные в машине «Вихрь» электронно­ лучевые трубки с поддерживающим лучом не требовали периоди­ ческой регенерации электростатического разряда. Длительное хра­

нение информации в трубке обеспечивалось использованием допол­

нительной электронной пушки. Емкость запоминающего устройства составляла 1024 числа по 16 разрядов.

В процессе эксплуатации запоминающее устройство на элек­

тронно-лучевых трубках было заменено памятью с новым типом носителя — магннтпыми сердечниками. Оперативная память на магнитных сердечниках, организованная по схеме с совпадением токов, была разработана Дж. Форрестером и У. Папином и введена в эксплуатацию в 1953 г. В результате машина «Вихрь» стала пер­

вой электронной ЦВМ с запоминающим устройством на магнитных

сердечниках. Конструктивно память на сердечниках состояла из двух кубов, каждый из которых содержал 32 × 32 × 17 сердечни­

ков. Емкость одного куба составляла 1024 числа по 17 разрядов

(один разряд использовался для контроля на четность). Матричная схема организации памяти была разработана Дж,

Форрестером в 1951 г. применительно к ЗУ на ленточных сердечни­

ках [20]. В дальнейшем она была применена в большинстве ЗУ на

ферритовых сердечниках, и до сих пор является наиболее распро­

страненной схемой организации магнитной оперативной памяти большой емкости.

14 июня 1951 г. в США была введена в эксплуатацию первая

серийная электронная ЦВМ с хранимой программой — машина УНИВАК, проект которой разрабатывался с 1947 г. под руковод­

ством Эккерта и Маучли. К моменту ввода в эксплуатацию в по­

стройке находилось еще пять экземпляров данной ЦВМ. Всего бы­ ло выпущено 48 машин 5.

В отличие от рассмотренных выше электронных ЦВМ с хра­

нимой программой, ориентированных на выполнение научио-

5 Машина УНИВАК приобрела широкую известность после того, как в 1952 г. опа была использована для предсказания результата президентских выбо­ ров в США на основе первых поступивших сведений о предварительных итогах голосования по различным избирательным округам. Благодаря при­ сущей электронным ЦВМ высокой скорости вычислений обработка этих результатов была произведена очень быстро, и машина предсказала побе­ ду кандидата республиканской партии Эйзенхауэра почтп сразу же после получения первых сведений о результатах голосования в различных штатах.

203

технических расчетов, машина УНИВАК предназначалась в

основном для обработки больших массивов коммерческой инфор­

мации. Машина работала не в двоичной, а в двоично-кодированной

системе счисления. Для представления информации использовался

семиразрядный двоичный код. При этом шесть разрядов служили

для кодирования десятичных цифр, букв английского алфавита,

знаков препинания и т. д. Один разряд кода предназначался для

контроля на четность. Применение двоично-кодированной системы счисления вместо двоичной было обусловлено спецификой обра­ батываемой информации (большое количество вводимой-выводи- мой информации при относительно небольшом количестве опера­

ций над числами).

Машинное слово ЦВМ УНИВАК состояло из 11 семиразряд­ ных кодов и одного разряда, отведенного на знак числа. Оператив­ ная память имела емкость 1000 слов, для запоминания которых

использовалось 100 ртутных линий задержки.

Машина УНИВАК — одна из первых электронных ЦВМ с раз­

витой системой контроля правильности передачи и обработки ин­

формации. Из примененных методов контроля наиболее важными

были два метода: проверка на четность и дублирование схем. В

отличие от БИНАК, в машине УНИВАК дублировались не устрой­

ства, а отдельные схемы (счетчик команд, регистр арифметичес­ кого устройства и т. д.). Задублированные схемы одновременно вы­ полняли одни и те же операции. Контроль осуществлялся сравне­

нием выходных импульсов. Поскольку в УНИВАК был применен

последовательный принцип работы, соответствующие схемы конт­

роля были весьма просты и их применение не приводило к сущест­

венному увеличению количества аппаратуры. В дальнейшем дан­

ный метод контроля был использован в ряде электронных ЦВМ по­

следовательного действия.

Быстродействие машины определялось следующими характе­

ристиками: операция сложения (вычитания) выполнялась за

0,5 мсек, операция умножения — за 2,5 мсек. Всего в машине использовалось более 5000 электронных ламп [21].

Серийный выпуск машины УНИВАК явился заметной вехой

вразвитии электронных ЦВМ. Все рассмотренные ранее машины

схранимой программой разрабатывались научно-исследователь­

скими институтами и выпускались (за исключением ИАС) в одном

экземпляре. Заказчиками часто выступали военные организации,

которые использовали ЦВМ для выполнения научно-технических

расчетов при проектировании новых средств военной техники

(моделирование работы самолетов, расчет баллистических траекто­

рий и т. д.).

Коммерческий успех УНИВАК, обеспечивший ее серийный выпуск, оказал определенное влияние на техническую политику ряда ведущих зарубежных фирм в области вычислительной тех­

ники. В первой половине 50-х годов налаживается серийное производство ЦВМ с хранимой программой, причем наряду

205

с. заказами военных организации все большее значение начинают

приобретать заказы промышленных и торговых фирлг, правитель­

ственных учреждении, высших учебных заведении, научно-иссле­

довательских институтов и т. д.

Машина УНИ ВАК была разработана небольшой фирмой «Эк-

керт-Маучли Компьютер», основанной в 1947 г. В 1950 г. прои­

зошло слияние этой фирмы с крупной фирмой в области контор­ ского машиностроения «Ремингтон Рэнд», которая организовала

серийное производство машины УНИВАК. В 1953 г. серийное производство универсальных ЦВМ с хранимой программой начала

одна из крупнейших фирм США в области вычислительной тех­ ники— фирма «IIБМ» (основана в 1911 г.). В 1953 г. была выпу­

щена серийная модель высокого класса ІІБМ-701 с памятью па трубах Вильямса емкостью 2048 слов по 36 двоичных разрядов. По

своей структуре ИБМ-701 — одноадресная синхронная машина

параллельного действия, работающая в двоичной системе счисле­

ния с фиксированной запятой. Всего было выпущено девять эк­

земпляров данной модели [22].

Наибольшее распространение за рубежом среди машин перво­ го поколения получила модель 1ІБМ-650, первый экземпляр кото­ рой был выпущен в 1954 г. Разработка этой машины велась с

1949 г. и преследовала цель создания недорогой и падежной уни­ версальной ЦВМ для выполнения научно-технических расчетов.

Удачная конструкция машины способствовала ее широкому приме­

нению как в качестве расчетной ЦВМ, так и для обработки боль­

ших массивов информации. Всего было выпущено около 1625 эк­

земпляров данной машины, т. е. более одной трети всех изгото­

вленных за рубежом универсальных ламповых ЦВМ с хранимой программой.

Вычислительные возможности І1БМ-650 во многом зависели от

характеристик ее оперативной памяти, выполненной на магнитном барабане емкостью 2000 слов (по 10 десятичных разрядов) и ско­

ростью вращения 12 500 об/мин. Одна из зон барабана выполняла

функции буферного ЗУ, что позволяло одновременно производить

перфокарточный ввод-вывод данных и выполнять вычисления. Ра­ бочие операции в машине выполнялись в двоично-пятеричном ко­

де. Время операции сложения составляло 800 мксек. Тактовая час­ тота машины — 125 кгц [23].

Одной из особенностей машины являлась развитая система периферийных устройств, в состав которых входили устройства

ввода-вывода на перфокартах, перфоленточиые устройства, бло­ ки с магнитной лентой, печатающее устройство и т. д. В процессе последующей модификации набор внешних устройств был допол­ нен памятью на магнитных дисках. Внутренние устройства ма­

шины также подверглись модификации: были применены схе­

мы, обеспечивающие выполнение операций с плавающей запя­ той, индексные регистры и память на сердечниках емкостью

60 слов.

206

Важнейшими особенностями зарубежных ламповых моделей,

выпущенных во второй половине 50-х годов, являлись замена элек­ тронно-лучевых трубок ферритовыми сердечниками в качестве эле­ ментов оперативной памяти и повышение скорости работы за счет

совмещения во времени операций ввода-вывода с вычислениями,

производимыми машиной.

В апреле '1956 г. фирмой «ИВМ» была выпущена модель

ИБМ-704, представляющая собой модификацию машины ИБМ-701. В ИБМ-704 использовались память на ферритовых сердечниках

емкостью 4096 слов по 36 двоичных разрядов, индексные регист­

ры и встроенная арифметика с плавающей запятой [24]. Всего

было изготовлено '130 экземпляров данной модели. Через два года

(август '1958 г.) был выпущен первый экземпляр машины ИБМ-709, отличительной особенностью которой являлось наличие

нескольких каналов ввода-вывода с буферным накоплением в па­

мяти, т. е. работающих параллельно с центральным вычислителем.

Оперативная память машины, выполненная иа ферритовых сер­

дечниках, состояла из восьми модулей емкостью 4096 слов каждый

[12]. Всего было выпущено около 50 экземпляров данной мо­ дели.

Вторая половина 50-х годов ознаменовалась важными изобре­ тениями, нашедшими практическое применение в следующий пе­

риод развития универсальных ЦВМ — в машинах второго поколе­ ния. В 1956 г. фирмой «ИБМ» были разработаны плавающие маг­

нитные головки на воздушной подушке. Изобретение плавающих

головок позволило создать новый тип внешней памяти (ЗУ на маг­

нитных дисках), нашедший широкое применение в машинах 60-х

годов [25]. В 1957 г. в Великобритании была введена в эксплуата­

цию первая машина с микропрограммным управлением ЭДСАК-П,

разработанная по проекту Μ. В. Уилкса [26]. Идея микропро­

граммирования, предложенная Μ. В. Уилксом еще в '195'1 г., на­

шла широкое применение в машинах второго и, особенно, треть­ его поколений.

Первые машины второго поколения, т. е. машины на дискрет­ ных полупроводниковых и магнитных элементах, были разрабо­ таны для военных целей в середине 50-х годов, а первые универ­

прекращался вплоть до 1961 г., а эксплуатация их — вплоть до

середины 60-х годов.

Как было отмечено выше, ЦВМ иа электронных лампах наибо­

лее широкое применение (за рубежом) нашли в США и Велико­ британии. При этом в США было введено в эксплуатацию около

тании, Франции и других странах эксплуатировались электронные

ЦВМ со штеккериым программированием, использовавшиеся в со­ ставе перфорационных вычислительных комплектов. Всего в США

207

было введено в эксплуатацию около 6700 электронных вычисли­

тельных перфораторов, а в Великобритании — около 700 [27, 28].

B_J¿CC.E_JXe.P3.bie. проекты электронных ЦВМ ..былц..предложепы

в 1948 г. С. А. Лебедевым и Б. И. Рамеевым. Проект Малой элек­

тронной счетной машины (МЭСМ) был разработан в Институте

электротехники АН УССР (г. Киев) под руководством С. А. Ле­

бедева. В 1950 г. проведены были основные опытно-конструктор­

ские работы, монтаж и испытания машины. В течение 1951 г. в

конструкцию машины был внесен ряд усовершенствований, и в октябре этого же года машина была введена в эксплуатацию. Как и всякая первая разработка в новой области техники, разработка МЭСМ носила во многом экспериментальный характер. Тем не менее машина нашла широкое практическое применение. Одной

из наиболее важных задач, решенных с помощью МЭСМ, явился расчет устойчивости работы магистральной линии электропередачи

Куйбышев — Москва (1951 г.).

Основным элементом МЭСМ был статический триггер иа лам­

повых триодах, который использовался во всех внутренних уст­

ройствах: арифметическом блоке, блоке управления и оператив­

ной памяти. Емкость памяти, выполненной на триггерах, состав­

ляла 94 слова, в том числе 31 число длиной 17 двоичных разрядоь и 64 команды длиной 20 двоичных разрядов. Команды имели трех­

адресную структуру. Всего машина выполняла 12 команд. Ско­

рость выполнения команд определялась преимущественно неболь­ шой частотой синхронизирующих импульсов (5 кгц). Номиналь­ ное быстродействие машины составляло 50 оп/сек. При этом опе­

рации сложения, вычитания и умножения двух 17-разрядиых чи­

сел выполнялись за 17,6 мсек. Операция деления длилась от 17,6

до 20,8 мсек.

Наряду с оперативной памятью на триггерах в машине исполь­

зовались еще два типа памяти: штеккериое и магнитное запомина­

ющие устройства. Штеккериое устройство емкостью 94 слова при­

менялось для ручного ввода чисел и команд. Ono состояло пз го­

ризонтальных и вертикальных шин, соединение которых осущест­

влялось штеккерамп через диоды. Магнитное запоминающее уст­

ройство, разработанное в Институте физики АН УССР под руко­

водством А. А. Харкевича, было выполнено на барабане и магнит­

ной ленте. Магнитный барабан служил для записи чисел и команд,

которые не могли быть размещены в оперативной памяти. Емкость барабана составляла 5000 слов. Магнитная лепта предназначалась для ввода-вывода данных.

Построение оперативной памяти иа триггерах требовало боль­ шого количества электронных ламп. Всего в машине использова­

лось 6000 ламп (3500 триодов и 2500 диодов), в том числе 4000 ламп в запоминающем устройстве. Потребляемая мощность со­

ставляла 25 кет.

Основные недостатки МЭСМ — малая емкость оперативной па­

мяти, небольшая разрядность чисел и-низкая тактовая частота.

208