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

требований к стабильности параметров соответствующих произ­

водственных процессов. Так, например, переход к планарной

технологии потребовал разработки исключительно точных процес­ сов обработки полупроводниковых кристаллов. Основными мето­

дами здесь являются несколько раз повторяющиеся процессы фотолитографии и диффузии примесей. Разрешающая способность фотолитографического процесса, используемого для создания

«окон» заданной конфигурации в пленке двуокиси кремния с целью последующей диффузип примесей, составляет около 500 лииий/мзі. Процессы диффузии требуют поддержания темпе­

ратуры на уровне 1350o C с точностью ±0,2—0,5°.

В середине 50-х годов уровень разработок в области полупро­

водниковой техники позволил начать проектирование сериппых

транзисторных универсальных ЦВМ певоенпого назначения и перейти па рубеже 60-х годов преимущественно к выпуску соот­

ветствующих моделей. Что же касается военного применения ЦВМ (военная авиация, ракетная техника и т. д.), то здесь фак­ тор стоимости ие играл решающей роли и практическое использо­ вание транзисторов началось несколькими годами раньше. При

этом первые полупроводниковые бортовые ЦВМ были введены в

эксплуатацию не позднее 1955 г. Так, в 1955 г. фирма «Американ •

Бош Арма» (США) выпустила первый экземпляр бортовой ЦВМ для установки на межконтинентальной баллистической ракете «Атлас». В машине использовалось 20 тыс. полупроводниковых

диодов и триодов, причем ее объем составлял 226 дм3, а потреб­

ляемая мощность 1 кет. Для сравнения интересно отметить, что

выпущенная в 1954 г. самолетная ЦВМ «Джекомп-Ц» (фирма * «Джекобс», США), в схемах которой использовалось около 800 сверхминиатюрных электронных ламп, занимала объем 240 дм3 и

потребляла 4 кет.

Первые серийные универсальные транзисторные ЦВМ невоен­

ного назначения были выпушены в 1958 г. одновременно в не­

скольких странах (США, ФРГ и Японии). В ноябре 1958 г. в США были введены в эксплуатацию первые экземпляры серийных

моделей универсальной ЦВМ высокого класса «Филко-2000—210»

(корпорация «Филко») и малой ЦВМ «Рекомп-П» (отдел'ение

«Аутонетикс» компании «Норт Американ Авиэйшн»), По своим вычислительным возможностям ЦВМ «Филко 2000—210» превос­ ходила все ранее выпущенные ламповые машины [ЗК Работая с

двоичными числами длиной 48 разрядов, машина выполняла опе­

239

качестве оперативной памяти. Оперативное запоминающее

4400 германиевых диодов). Первой серийной полупроводниковой

ЦВМ западногерманского производства явилась машина «Сименс-

так п электронные лампы. Серийный выпуск безламповой модели

«Эллиот-803» был начат в 1959 г. Во Фрапцпи и Италии серийный

полупроводниковой ЦВМ среднего класса «Раздан» °.

Интересно отметить, что смена ламповых ЦВМ транзисторны­

ми в выпуске новых серийных моделей пропсходила очепь бы­

стро — за один-два года. Так, в США в 1958 г. были предложены

потребителям новые модели универсальных ЦВМ как на лампах

(ИБМ-709, УНИВАК-1103, «Унивак-Файл» и др.), так и на полу­

проводниках («Филко-2000—201», «Рекомп-П»). В 1959 г. подав­ ляющее большинство новых моделей было представлено полупро­

лампах продолжали изготовляться заводами и покупались потре­

бителями.

Наряду с полупроводниковыми машинамп в некоторых стра­

нах был начат серийный выпуск других типов машин второго по­

коления. Так, в Японии в 1958 г. были выпущены первая серийная ЦВМ на параметронах CEHAK-I, изготовленная фирмой «Нип­

пон Электрик», в СССР и Франции были выпущены универсальные

серийные безламповые модели на магнитных элементах. Машина

«Сетунь», изготовленная в Московском университете, была выпу-

уіцена в 1959 г. Она явилась первой машиной, работающей в троич­

ной системе счисления (наиболее экономичной из позиционных систем счисления с целочисленным основанием). Всего в «Сету­

ни» используется около 7000 ферритовых сердечников (в логиче­

ских ячейках и оперативной памяти емкостью 162 числа длиной

9 троичных разрядов), 4800 полупроводниковых диодов, 320 тран­ зисторов и 37 ламп. Быстродействие машины 1000—2000 on ceκ.

Серийное производство было налажено в 1961 г. (модель «Раздан-2»),

240

Машина «Сетунь»

Французская машина КАБ-500, разработанная фирмой

«Сосьетэ д’электроник д’аутоматпсм», начала выпускаться в 1960 г.

Однако меполупроводнпковые машины не получили в дальней­

шем заметного развития. Одна из основных причин — технологиче­ ская. Полупроводниковые схемы в гораздо большей степени оказа­

лись приспособленными для миниатюризации в рамках интеграль­

ной технологии.

2. Развитие структуры универсальных ЦВМ

Наиболее существенное влияние на структуру машин второго

поколения оказало применение мультипрограммирования, т. е. многопрограммного принципа работы. Прп работе в режиме муль­

типрограммирования вычислительная машина одновременно (па­

раллельно) выполняет различные команды одной и той же или раз­ ных программ, хранящихся в запоминающем устройстве. Первона­

чально мультипрограммирование было использовано, с целью

обеспечения более производительной совместной работы устройств, входящих в состав машины и имеющих различное быстродействие. В ходе применения мультипрограммирования выявилось другое важное преимущество данного метода — возможность создания более тесного контакта между человеком и машиной в процессе выполнения программы. В результате развитие мультипрограмми­

рования позволило не только повысить реальное быстродействие

ЦВМ за счет одновременной работы устройств машины, но и подго­

товить необходимые условия для появления в середине 60-х годов

вычислительных машин, ориентированных на работу с автоматиче­

241

ским распределением машинного времени (APMB) между абонен­ тами.

Таким образом можно говорить о двухаспектпой историчес­ кой роли мультипрограммирования: являясь мощным средством повышения производительности машин, оно в то же время создало

условия для более эффективной формы использования ЦВМ — работе в режиме APMB.

Первым шагом на пути развития мультипрограммирования яви­ лось совмещение работы устройства ввода-вывода и центрального устройства обработки данных в нескольких моделях ламповых ЦВМ, таких как ИБМ-704 и ИБМ-709. Дальнейшее развитие идеи мультипрограммирования получили в процессе разработки мощ­

ных вычислительных систем второго поколения типа «ЛАРК»

(1960 г., США, фирма «Сперри Рэид»), СТРЕТЧ (1961 г., США, фпрма «ИБМ») и «Атлас» (1962 г., Великобритания, фирма «Фер­

ранти»), C точки зрения области применения данные машины ха­ рактеризуются высокой степенью универсальности и могут быть приблизительно с одинаковой эффективностью использованы в ка­ честве ЦВМ для выполнения научно-технических расчетов и для обработки больших массивов пиформации. В то же время при ре­ шении одной конкретной задачи вычислительные возможности машины используются не полностью и отдельные ее устройства

оказываются недогруженными. Например, некоторые задачи тре­

буют выполнения большого объема вычислений при небольшом ко­ личестве исходных даппьтх. При решении таких задач пе загруже­

ны оконечные устройства. Другие задачи требуют обработки боль­ шого объема информации при небольшом объеме вычислений. В этом случае простаивает устройство обработки данных. Необхо­ димо отметить также, что в некоторых случаях определение данных, которые потребуются при решении задачи, может быть сделано только в процессе выполнения, и поэтому команды па ввод новых

данных не могут быть выданы заранее.

В этих обстоятельствах мультипрограммирование было приме­

нено как средство повышения производительности за счет «разде­

ления времени» устройств вычислительной машины, т. е. за счет такого способа работы какого-либо устройства ЦВМ, при котором

устройство попеременно используется несколькими программами или несколькими частями одной программы, благодаря чему дости­ гается его максимальная загрузка. В машинах первого поколения

разделение времени использовалось в очень малой степени, в ре­

зультате чего загрузка устройств была весьма низкой. По оценке

Б. Райла [18], максимальная загрузка устройств в машпне, испол­ няющей одну программу без использования или с ма­ лым использованием разделения времени, составляла (в %):

память на ферритовых сердечниках — 10,

средняя ячейка памяти — 0,001,

арифметическое устройство — 20,

средний регистр управления — 25—30.

242

Таким образом, применение идей мультипрограммирования со­

здавало широкие возможности повышения производительности машин за счет максимальной (в идеале стопроцентной) загрузки

устройств.

Для реализации этих возможностей необходимо было разрабо­

тать новый подход к архитектуре вычислительных машин, отве­

чающий требованиям наиболее эффективной работы в режиме

мультипрограммирования.

Одной из первых попыток рассмотрения новых концепций

явилась работа С. Гилла [19]. В работе Б. Райла [18] следующим

образом был систематизирован оптимальный набор требований,

предъявляемых к многопрограммной вычислительной системе:

1.Хранящиеся в памяти или вводимые в машину рабочие про­ граммы должны быть независимы от абсолютных машинных ад­ ресов, таких как адреса ячеек памяти, регистров управления или любых других адресов в системе.

2.Должна иметься система приоритета (очередности) про­

грамм, с помощью которой можно с минимальной задержкой выби­ рать соответствующую программу, когда появляется возможность

выбора между несколькими программами.

3.Должна быть предусмотрена система, которая сохраняла бы

текущее состояние каждой исполняемой программы.

4.Любой регистр (управления или памяти) или любой другой

элемент системы, не используемый в данный момент времени,

должен быть доступен для исполнения командой из любой другой

параллельно выполняемой программы.

5.Должна быть обеспечена система прерывания выполняемой программы методом опроса (устройство управления переключает­

ся в соответствии с состоянием опрашиваемых устройств) и (или)

методом приостановки (сигналы из других устройств или из внеш­

него источника, например посылаемые вручную с пульта управле­

ния, поступают в устройство управления и вызывают соответствую­

щую передачу управления другой программе).

6.Должны существовать прямые связи между двумя любыми

устройствами системы, которые могут обмениваться информацией.

Не следует использовать некоторое третье устройство в качестве

временпой промежуточной памяти для информации, выработанной

водном устройстве и предназначенной для передачи в другое.

7.Должна быть обеспечена достаточная возможность микро­

программирования 7, для того чтобы получить минимум избыточ­ ности и максимум содержащейся в каждой команде информации, и прежде всего для того, чтобы иметь возможность использовать

различные регистры и логические блоки таким образом, чтобы поз­ волить одной команде занимать свободную часть цикла другой команды.

7 См. данный раздел, стр. 247.

243

8. Система должна быть организована таким образом, чтобы осуществление наблюдения и управления, необходимых для выпол­

нения нескольких программ, не требовало бы совсем или требовало бы минимум дополнительного времени.

9. Объем преобразования и пересылок данных внутри системы

должен быть сведен к минимуму.

10. Работа программиста не должна усложняться или затруд­ няться.

Методы выполнения данного обширного комплекса требовании,

примененные в машинах второго поколения, оказали решающее

влияние на развитие структур универсальных ЦВМ. Во-первых,

при разработке вычислительных машин предусматривались необ­ ходимые схемно-программные средства, обеспечивающие принци­

пиальную возможность мультипрограммной работы8. Во-вторых,

с целью создания ЦВМ, оптимальным образом отвечающим требо­

ваниям мультипрограммной работы, были разработаны новые типы структур вычислительных машин, существенно отличающиеся от основного типа структуры машин первого поколения.

Классическая структура ЦВМ первого поколения включала

оперативную память, устройство управления, арифметическое

устройство и набор периферийных устройств (внешние запоминаю­ щие устройства, устройства ввода-вывода). В 60-х годах в СССР,

США, Великобритании, Франции и других странах проектируются

новые более сложные структуры машпп, причем разработка их

неразрывно связана с реализацией идей мультипрограммпрования.

Различный подход к методам построения мультипрограмм привел

ксозданию следующих типов структур:

1.Одна центральная память и несколько устройств управления.

Одна из первых серийных ЦВМ подобного типа была разработана

во Франции («Гамма-60» фирмы «Булль», 1960 г.).

Мультипрограммная работа вычислительной машины реализуется в значи­ тельной степени специальной программой-диспетчером, которая постоян­ но находится в запоминающем устройстве. В принципе с помощью только программных средств возможно полное обеспечение работы в режиме мультипрограммирования. Однако на практике это далеко не всегда целе­ сообразно (работа соответствующей программы-диспетчера будет отнимать слишком много времени). Поэтому наряду с программой-диспетчером в ЦВМ используются схемные методы, реализующие логику мультипрограм­ мирования. Обычно схемным путем реализуются система прерывания программ и система защиты памяти. Система прерывания программ реа­ гирует на все произвольно поступающие сигналы перехода к другим про­ граммам на основе определенной шкалы приоритета тех или иных сигна­ лов. В соответствии с уровнем приоритета поступающего сигнала либо продолжается выполнение текущей программы, либо происходит переход к новой программе. Система защиты памяти служит для контроля всех обращений к оперативному запоминающему устройству и не допускает об­ ращения в «защищенные» области (области памяти, занятые другими про­ граммами, или области, хотя и принадлежащие текущей программе, ио временно недоступные ей, например из-за ввода в эти области новой ин­ формации) .

244

2. Одно центральное устройство управления и несколько авто­ номных устройств оперативной памяти. Различные варианты по­

добного типа структуры получили широкое распространение в

60-х годах. Одна из первых серийных ЦВМ данного типа была раз­

работана в США («Ханиуэлл-800» фирмы «Ханиуэлл», 1960 г.). 3. Несколько устройств памяти и несколько устройств управ­

ления. Как показано в работе [18], машины со структурой данного типа оптимальным образом удовлетворяют требованиям мульти­

программной работы. Одна из первых машин с подобной структу­

рой была разработана в США фирмой «Рамо Вулдридж» в 1960 г.

(ЦВМ RW-400).

Таким образом, стремление оптимально использовать возможно­

сти многопрограммной работы привело к созданию ЦВМ, в состав которых входит несколько устройств, выполняющих одну и ту же

функцию (управление, хранение оперативной информации, выпол­ нение арифметических операций). При этом совокупность

устройств, выполняющих одну и ту же функцию (например, ариф­ метические операции), может включать как однотипные автоном­ ные устройства (например, несколько однотипных вычислителей),

так и иерархический комплекс устройств (например, один цент­ ральный и несколько вспомогательных вычислителей).

Применение нескольких вычислителей (процессоров) в составе одной системы получило название мультипроцессирования. В вы­ числительной технике 60-х годов мультипроцессирование стало

действенным методом повышения реального быстродействия ЦВМ. Несмотря на быстрый рост быстродействия за счет перехода в кон­

це 50-х годов к дискретным полупроводниковым и магнитным

элементам (машины второго поколения) с последующим переходом

в середине 60-х годов к интегральным схемам (машины третьего поколения), повышение производительности ЦВМ продолжает оставаться одной из важнейших целей проектирования новых вы­

числительных систем. В этих условиях мультипроцессирование (на основе многопрограммной работы) является наиболее эффективным

методом повышения быстродействия. В мультипроцессорных си­

стемах реализуется параллельная работа нескольких вычислителей

(процессоров), выполняющих одновременно или несколько про­

грамм, или различные части одной большой программы.

В период машин второго поколения был создан ряд мультипро­ цессорных систем, среди которых необходимо отметить две серии

машин, выпущенные фирмой «Контрол Дейта» (США) : серия 3000

с моделями 3600 (1963 г.), 3200, 3400 (1964 г.), 3100, 3300, 3800 (1965 г.), 3150 и 3500 (1967 г.) и серия 6000 с моделями 6600 (1964 г.), 6400 и 6500 (1966 г.). Организация наиболее мощной мо­ дели данных серий (ЦВМ «Контрол Дейта 6600») рассмотрена ниже

в разд. 5.

Дальнейшим развитием идей многопрограммной работы муль­

типроцессорных вычислительных систем являются современные разработки в области многомашинных комплексов вычислительных

245

средств, т. е. сетей географически удаленных вычислительных центров, связанных линиями передачи цифровой информацпп. По оценке советского специалиста в области многомашинных ком­ плексов ІО. С. Голубева-Новожилова, пх создание представляет

собой «логическое следствие эволюции двух общих тенденций, су­

ществующих в области конструирования цифровых вычислитель­

ных машин,— стремление к модульной конструкции и стремление к организации одновременной (параллельной) работы различных

устройств машины. Эти две тенденции и привели к перераста­ нию системы модулей отдельной ЦВМ в систему самостоятель­ ных вычислительных средств, которые могут выполнять одно­ временно различные вычислительные задачи одиой системы»

[20, стр. 14].

Необходимо отметить, что первые разработки в области много­

машинных комплексов не были связаны с применением мульти­ программирования. Например, первый получивший известность

многомашинный комплекс вычислительных средств (система про­

тивовоздушной обороны американского континента «Сейдж»,

1955—1961 гг.) представлял собой систему, состоящую из соеди­

ненных униями связи пятнадцати вычислительных центров, в

каждом из которых используются две однотипные ЦВМ, причем одна из них является резервной [21].

В 60-х годах применение принципов мультипрограммирования

оказало существенное влияние на повышение производительности, гибкость и надежность работы многомашинных комплексов. При

!этом наряду со специализированными сетями ЭВМ (противоракет­ ная оборона, обработка космической информации, продажа билетов на авиалиниях и т. д.) в конце 60-х годов в СССР, США, Великобри­

тании h других странах была начата реализация проектов по созданию универсальных сетей вычислительных центров, т. е. многомашинных комплексов вычислительных средств общего на­

значения.

Итак, важнейшим следствием применения идей мультипрограм­ мирования явилось повышение производительности средств вы­ числительной техники за счет параллельной работы устройств,

выполняющих различные функции в составе ЦВМ (например, арифметическое устройство и устройство ввода-вывода), устройств,

выполняющих одну л ту же функцию (например, процессоры в со­

ставе мультипроцессорной системы), и, наконец, нескольких ЦВМ,

входящих в многомашинный комплекс. Стремление к проектиро­ ванию вычислительных машин, иаилучшим образом отвечающих

принципу мультипрограммной работы, в значительной степени повлияло на структуру ЦВМ и явилось одной из причин создания мультипроцессорных систем.

Однако роль мультипрограммирования в вычислительной тех­

нике не исчерпывается повышением производительности за счет совмещения во времени работы компонентов системы. Другой

важный аспект мультипрограммирования заключается в том, что

246

oιτo в .принципе облегчает взаимосвязь человека с машиной. «По­ скольку в настоящее время,— писали в 1961 г. Ф. Бекман, Ф. Брукс

и У. Лоулес,— вычислительные машины стали работать много бы­

стрее, то стоимость времени простоя машины становятся все более

высокой. Это вынуждает потребителя все меньше вмешиваться в

работу машины. В современных машинах пет и тени топ возможно­ сти свободного ознакомления с любыми промежуточными результа­

тами вычислении, которая имела место в работе иа настольных

счетно-решающих устройствах и так пенилась потребителями. В то

же время задачи, возникающие сегодня, являются не менее, а более сложными и поэтому, возможно, менее понимаемыми заказчиком.

В результате такого отделения машины от потребителя машине приходится выполнять много лишней работы, которая увеличива­

ет объем печатного материала, содержащего ненужную информа­

цию, объем не представляющих интереса результатов, вызывает не­

обходимость продолжения длинных расчетов, бесполезность кото­ рых была бы с самого начала очевидна для потребителя, и, пакоиец,

удлиняет процесс отладки программ и математических моделей, что

связано с невозможностью частого изменения программ п моделей

в процессе наладки. Многопрограммпость позволяет потребителю

по желанию приостановить решение его задачи, не вызывая при этом дорогостоящего простоя машины. Такое экономическое реше­ ние проблемы обеспечивает более тесный контакт машины и чело­

века в процессе ее работы» [22, стр. 112].

Таким образом мультипрограммирование обеспечило возмож­

ность непосредственного вмешательства человека в процесс вы­

полнения программы. Разумеется, такая возможность существо­

вала всегда, однако при однопрограммном способе работы она была

экономически певыгодпой. При параллельном выполнении про­

грамм работа над каждой из них может быть прекращена в любой момент времени без всякого ущерба. Использование на практике

этого принципиального преимущества мультипрограммирования привело к разработке серийных ЦВМ, работающих в режиме раз­

деления времени между абонентами (потребителями, заказчика­

ми) . Анализ возможностей открываемых данной формой организа­

ции и использования ЦВМ показывает, что работа в режиме

APMB между абонентами является одной из наиболее важпых и

перспективных тенденций современной вычислительной техни­

ки [23]. Более подробно вопросы, связанные с ролью APMB в вы­

числительной технике, рассмотрены в следующей главе, посвящен­ ной машинам третьего поколения.

Важной структурной особенностью ряда машин второго поко­ ления явилось использование микропрограммирования, т. е. мето­ да схемной реализации машинных команд с помощью постоянного

запоминающего устройства. Идеи микропрограммного управления были разработаны и впервые осуществлены на практике англий­ ским ученым Μ. Уилксом. В 1957 г. была введена в эксплуатацию

первая машина с микропрограммным управлением ЭДСАК-П, раз­

247

работанная по проекту Уилкса. В дальнейшем микропрограммиро­

вание было применено как в специализированных, так и в универ­

сальных ЦВМ, в частности в сверхбыстродействующей машине

«Атлас».

Сущность микропрограммного управления заключается в том,

что каждая машинная операция (например, операция умножение)

выполняется специальной микропрограммой, хранящейся в долго­ временном запоминающем устройстве, которое является источни­ ком управляющих сигналов и таким образом выполняет функции устройства управления. Одна из целей подобной организации управления машиной заключается в том, что создается возмож­

ность менять состав операций (набор команд), выполняемых маши­

ной путем простой замены матриц долговременного (обычно по­ стоянного) запоминающего устройства. В результате ЦВМ с микро­

программным управлением является в принципе более

производительной по сравнению с ЦВМ, рассчитанной на выпол­

нение фиксированного набора операций. Повышение производи­

тельности достигается за счет того, что при решении задач откры­

вается возможность создания микропрограмм, оптимальным

образом учитывающих специфику алгоритмов выполнения слож­ ных операций. Немаловажна также возможность исправления

просчетов конструктора машины, в задачу которого входило установление набора и содержимого микропрограмм, т. е. уста­ новление состава операций, выполняемых ЦВМ. Дополнительным

преимуществом микропрограммирования часто является более низкая стоимость системы управления машиной. Фактор, ограни­

чивающий быстродействие микропрограммной машины,— ско­ рость работы запоминающего устройства для хранения микро­

программ.

Возможности широкого применения средств микропрограмми­

рования в конечном счете определяются быстродействием и сто­

имостью аппаратуры микропрограммного управления. Переход к интегральной технологии во второй половине 60-х годов создал объективные условия для более эффективного использования ми­ кропрограммного способа управления и расширения функций,

решаемых средствами микропрограммирования (см. разд. 5 гл. 7).

3. Развитие средств программирования

Основные особенности развития программирования в период машин второго поколения обусловлены расширением областей

применения ЦВМ и усложнением их структуры.

Расширение областей применения —одна из важнейших при­

чин разработки большого количества алгоритмических языков.

По состоянию на 1967 г. во всем мире использовалось около 1000

алгоритмических языков, включая специализированные языки и

языки, ориентированные на запись широкого класса алгоритмов,

248