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

Машина БЭСМ-2

Машина «Урал-2»

ценах). В 1958 г. была закончена разработка первого экземпляра

наиболее мощной отечественной универсальной ЦВМ первого

поколения — машины «М-20». Номинальное быстродействие ма­ шины составляло 20 000 on[ceκ. При работе с 45-разрядными

двоичными числами и трехадресной структуре команд операция

сложения в плавающей запятой выполнялась_за-28-,5-.мкеек, опе­ рация умножения — за 65,5 мксек. В машине использовалось

оперативное ЗУ на ферритовых сердечниках (два блока па 2048

220

45-разрядных слов) и два типа внешней памяти (три магнитных

барабана емкостью по 4096 слов и четыре блока магнитной лен­

«Минск-11» и «Минск-12» (2000—3000

В середине 50-х годов в СССР началась разработка ЦВМ на

полупроводниках и магнитных элементах. Первой безламповой моделью явилась одна из наиболее оригинальных разработок

советских конструкторов — машина «Сетунь» (1959 г.), выпол­

ненная на магнитных элементах [38]. В 1960 г. была изготовле­

на первая универсальная ЦВМ на транзисторах — машина «Раз­

дан», а в 1961 г. — первый экземпляр серийной ЦВМ «Раздан-2».

Некоторое время (1962—1963 гг.) в СССР продолжался парал­

лельный выпуск ламповых и транзисторных ЦВМ. В 1964 г. производство ламповых ЦВМ было прекращено [39].

3. Основная схема развития универсальных ЦВМ первого поколения

Как было показано в гл. 4, применение электронных ламп

позволило резко повысить вычислительные возможности машин,

что и обусловило очень быстрый переход от автоматических релей­ ных ЦВМ к электронным. В то же время использование электрон­

ных ламп было связано с рядом существенных трудностей.

«Интересно отметить,— пишет Р. Ричардс,— что в истории развития элементов вычислительных машин наблюдался период

внесколько лет, когда техническая пригодность электронных ламп ставилась под сомнение. Во многих цифровых схемах лампы могут находиться в состоянии отсечки в течение длительного пе­

риода времени. Было обнаружено, что катоды ламп в таких усло­

виях имеют тенденцию очень быстро терять свои эмиссионные свой­

ства. Изучение показало, что при этом между никелевой подлож­ кой и оксидным покрытием катода образуется прослойка с боль­ шим сопротивлением. По неизвестной причине непрерывный или частый отбор тока с катода препятствует образованию этой про­ слойки, поскольку большинство схем, разработанных для техни­

ки связи, не находится в течение заметного промежутка времени

всостоянии отсечки, с этим явлением раньше не встречались.

Проблема широко исследовалась около 1950 г. В то время по

этому вопросу появилось несколько технических статей. Объяс­ нить это явление не удалось, однако было определено, что его

можно избежать, тщательно устраняя примеси в конструктив­

ных деталях ламп. Влияние оказывают различные виды приме­

сей, однако особенно важно, чтобы никель подложек не содержал кремния» [40, стр. 19—20].

221

Необходимость изготовления катодов со строго ограниченным содержанием примесей привела к тому, что стали выпускать лам­ пы, специально предназначенные для применения в электрон­ ных ЦВМ. Таким образом, уже в самом начале развития элект­

ронной вычислительной техники появилась необходимость в

специальной технологии, ориентированной на электронные ЦВМ.

Основные трудности, связанные с применением электронных ламп, были обусловлены их характеристиками, такими как по­

требляемая мощность, надежность, габариты и стоимость. Элект­ ронные лампы являются наименее надежным элементом почти любой электронной аппаратуры. Средний срок их службы в 50-х

годах составлял IO3—IO4 час по сравнению со сроком службы

порядка IO5 час, характерным для таких пассивных элементов,

как сопротивления и конденсаторы.

Применение электронных ламп требует значительных расхо­ дов, связанных с установкой и эксплуатацией ЦВМ. Помимо

затрат на постоянную смену выходящих из строя ламп, требова­ лись затраты, обусловленные высоким уровнем мощности, по­

требляемой электронными лампами: на систему охлаждения воз­ духа, устройства электропитания, подводку силовых шин к зда­

нию, где работает машина, и, наконец, затраты, связанные с расходом электроэнергии.

Габариты электронных ламп во мпогом определяли габариты внутренних устройств ЦВМ. Даже при небольшом количестве

используемых ламп (порядка IO3) внутренние устройства ЦВМ требовали для своего размещения нескольких квадратных мет­ ров площади, что, в частности, служило серьезным препятствием для применения ЦВМ в случаях, когда вес и размеры аппарату­ ры строго ограничены (например, в авиации).

Все этп обстоятельства имели следствием стремление к мини­

мизации количества электронных ламп, являющееся одной из

важнейших особенностей рассматриваемого периода.

В начале развития электронных ЦВМ была сделана попытка

построить на электронных лампах все внутренние устройства машины. Примерами являются первая электронная ЦВМ ЭНИАК, а также первая советская электронная ЦВМ МЭСМ

с памятью, выполненной на ламповых триггерных ячейках. Реа­ лизация принципа хранимой программы требовала применения

достаточно емкой памяти. Поэтому прежде всего пришлось от­

казаться от идеи использовать электронные лампы для построе­ ния запоминающего устройства. Даже небольшое запоминающее устройство, например емкостью 512 чисел по 30 двоичных раз­ рядов, потребовало бы применения нескольких десятков тысяч ламповых диодов и триодов..

Важным шагом на пути мипимизацип количества электрон-

пых ламп явилась замена ламповых диодов полупроводниковы­

ми, преимущественно германиевыми диодами. В отличие от пер­

222

вой электронной ЦВМ с хранимой программой (ЭДСАК, Вели­

кобритания, '1949 г.), в первой ЦВМ с хранимой программой,

введенной в эксплуатацию в США (GEAK, 1950 г.), вместо дио­

дов на лампах было применено 10 500 германиевых диодов.

В результате общее количество электронных ламп в машине было сокращено до 7509.

Параллельно шло развитие элементов для внутренних запо­

минающих устройств. В первых ЦВМ с хранимой программой

использовались в основном два типа внутренней памяти — на ультразвуковых линиях задержки и электронно-лучевых труб­

ках. При этом наиболее высокие вычислительные возможности ЦВМ обеспечивались применением электронно-лучевой памяти.

В этой связи ранее отмечалось, что наиболее характерным типом

машины первого поколения является ЦВМ на электронных лам­

пах и электронно-лучевых трубках. Электронно-лучевым трубкам

присущи те же рассмотренные выше недостатки, что и электрон­ ным лампам. Поэтому наряду с совершенствованием электронно­

лучевой памяти проводились интенсивные исследования, направ­ ленные па разработку запоминающих элементов на твердом теле.

Одно время большие надежды возлагались на разработку памяти

на ферроэлектриках [41]. Однако успехи, достигнутые в области

технологии ферритов, привели к тому, что запоминающие устройства на ферритовых сердечниках сравнительно быстро

стали господствующим типом памяти, заменив таким образом

электронно-лучевые трубки.

Применение ферритовых сердечников — следующий важный шаг на пути совершенствования электронных ЦВМ. Наряду с

применением во внутренней памяти ферритовые сердечники в

сочетании с германиевыми диодами стали использоваться для

реализации логических функций. Были разработаны различные типы феррит-диодных ячеек для применения в арифметических

устройствах и схемах управления.

u Ниже представлена в обобщенном виде основная технологи­

9Имеется в виду первоначальный вариант машины (май 1950 г.). В оконча­ тельном варианте использовалось 2300 электронных ламп и 24000 герма­ ниевых диодов [12].

223

вакуумных приборов элементами на твердом теле.

Основная структурная схема ЦВМ с хранимой программой не

претерпела особых изменений па протяжении всего периода при­ менения ламповой техники. Только в конце данного периода,

т. е. во второй половине 50-х годов, начинается постепенный переход к более совершенному типу структуры, для обозначения

которого Д. Стайн и Дж. Гласье предложили термин «второе структурное поколение» [42].

В первых ЦВМ с хранимой программой все каналы передачи

информации проходили через арифметическое устройство. В ре­

зультате оперативное ЗУ работало со скоростью арифметического

устройства при выполнении вычислений и со скоростью устройств ввода-вывода при приеме и выдаче информации. Поскольку скорость ввода-вывода значительно меньше времени срабатывания

арифметического устройства, оперативное ЗУ простаивало значительную часть времени. Поэтому с целью повышения

быстродействия в ряде последних ламповых моделей, таких как

ИБМ-705 и ИБМ-709, было предусмотрено временное распреде­

ление памяти между арифметическим устройством и устройством

ввода-вывода. Блок-схемы ИБМ-705 и ИБМ-709 (см. схему б)

отличаются от блок-схем подавляющего большинства универсаль­

ных ламповых ЦВМ с хранимой программой (см. схему а) тем,

что каналы связи проходят через запоминающее устройство. Это дает существенный выигрыш в быстродействии. Временное рас­ пределение памяти между арифметическим устройством и уст-

/

224

ройством ввода-вывода явилось исходным моментом мультипро­

граммирования, нашедшего широкое применение в транзистор­

ных ЦВМ, особенно в машпнах высокого класса.

'Другим аспектом развития структур машин первого поколе­ ния явилась их частичная дифференциация на машины для выпол­

нения научно-технических расчетов п машины для обработки

больших массивов информации (информационно-логические

ЦВМ). При этом основные отличия одних машин от других за­

ключались в том, что ЦВМ для обработки информации имели развитую систему устройств ввода-вывода, использовали не двоич­

ную, а двоично-кодированную (часто двоично-десятичную) систему счисления, имели в наборе команд развитый комплекс

логических операций и т. д. В результате, как видно из табл. 2,

некоторые из выпущенных в середине и второй половине 50-х

годов ЦВМ с большей эффективностью могли быть использованы

для выполнения научно-техиических расчетов, а другие — для обработки информации.

Интересно отметить, что стремление ориентировать проекти­

рование универсальных ЦВМ на определенную область примене­

ния (научно-технические расчеты, обработка информации)

нередко приводило к неожиданным результатам. Например, маши­

на ИБМ-650 проектировалась как универсальная ЦВМ для вы­

полнения научно-технических расчетов. Однако она оказалась лучше приспособленной для обработки коммерческой информа­ ции [43]. Как видно из табл. 2, машина ИБМ-709 также лучше приспособлена для обработки информации, хотя она проектиро­

валась и рекламировалась фирмой «ИВМ» как ЦВМ для выпол­

нения научно-технических расчетов.

Как было показано выше, важнейшей чертой развития ЦВМ с хранимой программой является переход:

а) от выпуска единичных экземпляров машин к выпуску се­ рийных моделей;

б) от эксперпмеитального изготовления элементов и узлов

электронных ЦВМ к серийному изготовлению элементов, узлов

и блоков, ориентированных на применение в электронной вычис­

лительной технике.

Причина данного перехода заключалась в росте потребностей

общества в быстродействующих устройствах для решения слож­

ных научно-технических задач и обработки больших массивов информации, а его результатом явилось создание электронной

вычислительной промышленности.

Как отмечалось ранее, в некоторых странах, прежде всего в

США, выпуск большинства первых моделей ЦВМ с хранимой

программой финансировался военными организациями. В даль­

нейшем потребности военной техники, в частности необходимость разработки ЦВМ для воеппоп авиации, продолжали оказывать значительное влияние на эволюцию электронных ЦВМ, особенно в области их миниатюризации. В то же время все большее влия-

пие на производство электронных ЦВМ стали оказывать потреб­

поставили для гражданских нужд машины и программы на сумму

100 млн. долл., а для военных целей — па сумму 300 мли. долл.

По данным восьми крупнейших компаний США в области вы­

числительной техники в 1960 г., т. е. в начале периода машин

второго поколения, выпуск для военных и гражданских нужд

составил 900 и 600 млн. долл, соответственно. В 1962 г. потребле­

ние гражданской сферы сравнялось с выпуском цо военным

и особенно в Японии удельный вес военных заказов в производ­

стве электронной вычислительной техники всегда был ниже, чем

в США.

Налаживание серийного производства имело также следстви­

ем переход от конструирования машин из нестандартизованных элементов, узлов и блоков к компоновке ЦВМ пз ограппчеппого

набора стандартизованных блоков, т. е. развитие блочного прин­

ципа конструирования.

Увелпченпе количества используемых универсальных ЦВМ

и расширение сферы их применения предъявили повые требова­ ния к средствам программирования. Основные направления

развития программирования в 50-х годах заключаются в совершен-’ ствоваиии методов ручного программирования с целью уменьше­

ния трудоемкости процессов составления программ п постепен­

ном переходе ко все более широкому использованию машинного программирования, т. е. к использованию вычислительных ма­

шин для автоматизации некоторых этапов составления про­ граммы.

Наиболее важными достижениями в области совершенство­

вания ручного программирования явилась разработка метода

библиотечных подпрограмм и операторного метода программи­ рования. Как отмечалось ранее, метод библиотечных подпрограмм был детально разработан апглийскимп учеными Μ. Уилксом,

Д. Уиллером и С. Гиллом в процессе эксплуатации первой элект­

ронной ЦВМ с хранимой программой ЭДСАК [2]. Небезынте­

ресно отметить, что впервые идея использовать библиотеку под­

программ была выдвинута Ч. Бэббиджем [45]. В настоящее вре­ мя метод библиотечных подпрограмм полностью сохраняет свое значение в качестве составной части более совершенных спосо­ бов программирования.

Существенную роль в последующем развитии программиро­ вания сыграл операторный метод, предложенный в 1952—

226

руководством А. А. Ляпунова и Μ. Р. Шура-Бура [3]. Значение

операторного метода заключается прежде всего в том, что оп

расчленил и формализовал процесс составления программы. Не­

посредственным результатом этого явилось упрощение методики составления и отладки программы. Далее операторный метод

программирования стал основой разработки формальных методов

изучения программы, в частности методов преобразования логи­ ческих схем решающих алгоритмов.

Наряду с совершенствованием методов ручного программи­

рования, в первой половине 50-х годов была начата разработка методов автоматизации составления программ на ЦВМ по инфор­

мации, записанной в сокращенном виде на некотором формаль­ ном языке. Составление программ для первых электронных

ЦВМ производплось непосредственно на языке команд конкрет-

пой машины. Возрастание сложности решаемых задач в процес­

се расширения областей применения ЦВМ показало непригод­ ность языка команд для непосредственного описания сложных алгоритмов. Не останавливаясь на изложении различных мето­ дов формализации записи решающего алгоритма (с последую­

щим машинным переводом на язык команд), отметим, что наи­ более общим и удачным подходом к задаче создания удобного

языка для оппсаппя алгоритмов явился операторный метод,

основные идеи которого были попользованы при разработке ал­

горитмических языков, ориентированных на решение широкого класса задач.

В 50-х годах был разработан ряд алгоритмических языков, в том числе получившие широкое распространение в 60-х годах языки АЛГОЛ, КОБОЛ п ФОРТРАН (см. разд. 3, гл. 6).

Широкое применение проблемно-ориентированных алгорит­

мических языков и соответственно различных методов автома­

тического перевода составляемых программ на язык машинных

команд хронологически связано с последующими периодами раз­

вития электронных ЦВМ.

8*

ЛИТЕРАТУРА

1.F. С. Williams, Т. Kilburn. Proc. IRE, 1949, 96, pt З, N 40, 81—100.

2.Μ. Уилкс, Д. Уилер, С. Гилл. Составление программ для электронных ма­ шин. Μ., ИЛ, 1950.

3.А. А. Ляпунов. В сб.: Проблемы кибернетики, вып. 1. Μ., Фпзматгпз, 1958, стр. 46—74.

4.А. С. Вавилов, II. С. Жевелева. Электронные вычислительные машины за рубежом. Μ., Машгпз, 1962.

5.I. L. Auerbach. Proc. IRE, 1961, 49, N 1, 330—348.

6.N. Nisenoff. Proc. IEEE, 1966, 54, N 12, 1820—1835.

7.Μ. В. Уилкс. Автоматические цифровые вычислительные машины. Μ., Судпромгпз, 1960.

8.С. А. Лебедев. В кн.: Конференция «Пути развития советского математи­ ческого машиностроения и приборостроения», пленарные заседания. Μ., ВИНИТИ, 1956, стр. 31—43.

9.Т. Kilburn. Nature, 1949, 164, N 4173, 684—687.

10.F. S. Williams, T. Kilburn, G. C. Toothill. Proc. IEE, 1951, 98, pt 2, N 61, 13.

И. Вычислительные машины (CEAK и ДИСЕАК) Национального бюро стан­ дартов США. Μ., Машгиз, 1958.

12.R. Serrel a. oth. Proc. IRE, 1962, 50, N 5, 1039—1058.

13.A. A. Auerbach a. oth. Proc. IRE, 1952, 40, N 1, 12—29.

14.Μ. А. Карцев. Арифметика цифровых машин. Μ., «Наука», 1969.

15.H. H. Goldstine, I. von Neumann. Planning and coding of problems for an

electronic instrument (report). Princeton, Institute for Advanced Study, v. 1, 1947, v. 2, 3, 1948.

16.G. Estrin. Math. Tables and Other Aides Comput., 1953, 7, N 4, 108—114.

17.R. R. Everett. Rev. Electronic Digital Computers. Joint AIEE— IRE Compu­ ter Conf., Philadelphia, 1951. N. Y., AIEE, 1952, p. 70-74.

18.N. H. Taylor. Rev. Electronic Digital Computéis. Joint AIEE— IRE Compu­ ter Conf., Philadelphia, 1951. N. Y., AIEE, 1952, p. 75—78.

19.A. F. Haelf. Electronics, 1947, 20, N 9, 80—83.

20.J. W. Forrester. J. Appl. Phys., 1951, 22, N I, 41—48.

21.I. P. Eckert a. oth. Rev. Electronic Digital Computers. Joint AIEE-IRE Computer Conf., Philadelphia, 1951. N. Y., AIEE, 1952, p. 6—14.

22.W. Buchhols. Proc. IRE, 1953, 41, N 10, 1262-1275.

23.F. E. Hamilton, E. C. Kubic. J. ACM, 1954, 1, N 1, 13-20.

24.Μ. Пелегрен. Электронные вычислительные машины. Μ., «Машинострое­ ние», 1954.

25.А. Хогленд. Цифровая магнитная запись. Μ., «Советское радио», 1967.

26. Μ. V. Wilkes. Proc. 1958. Eastern Joint Computer Conf. N. Y., AIEE, 1959,

p.18—20.

27.«ADP Service Newsletter», 4, N 17, Jan. 11, 1960; 5, N 4, July 25, 1960.

28. British commercial computer digest. Enfield, Computer Consultants,

1961.

29.Б. И. Рамеев, И. С. Врук. Автоматическая цифровая вычислительная ма­ шина (краткое описание). Μ., 1948 (технический отчет).

30.С. А. Лебедев, В. А. Мельников. Общее описание БЭСМ и методика выпол­ нения операций. Μ., Фпзматгиз, 1959.

31.В. И. Лаут, Л. А. Любович. Запоминающее устройство иа электронно-лу­ чевых трубках быстродействующей счетной машины Академии наук

СССР. Μ., Изд-во АН СССР, 1951.

32. А. А. Павликов. Быстродействующая электронная счетная машина АН СССР. Магнитное запоминающее устройство. Μ., Изд-во АН СССР, 1957.

33.А. И. Китов, Н. А. Криницкий. Электронные цифровые машины и про­ граммирование. Μ., Физматгпз, 1961.

34.Быстродействующая вычислительная машина М-2. Μ., Гостехиздат, 1951.

228