Предпосылки развития ЭВМ
На протяжении жизни всего лишь одного поколения рядом с человеком вырос странный
новый вид :вычислительные и подобные им машины, с которыми, как он обнаружил,
ему придется делить мир.
Ни история, ни философия, ни здравый смысл не могут подсказать нам, как эти
машины повлияют на нашу жизнь в будущем, ибо они работают совсем не так, как
машины, созданные в эру промышленной революции.
Марвин Минский
Рассматривая историю общественного развития, марксисты утверждают, что ’’
история есть ни что иное, как последовательная смена отдельных поколений ’’.
Очевидно, это справедливо и для истории компьютеров.
Вот некоторые определения термина ’’поколение компьютеров’’, взятые из 2-х
источников. ’’ Поколения вычислительных машин - это сложившееся в последнее
время разбиение вычислительных машин на классы, определяемые элементной базой и
производительностью ’’.( Паулин Г. Малый толковый словарь по вычислительной
технике: пер. с нем. М.. : Энергия, 1975 ). ’’ Поколения компьютеров - нестрогая
классификация вычислительных систем по степени развития аппаратных и в последнее
время - программных средств ’’.( Толковый словарь по вычислительным системам:
Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1990 ).
Утверждение понятия принадлежности компьютеров к тому или иному поколению и
появление самого термина ’’ поколение ’’ относится к 1964 г., когда фирма IBM
выпустила серию компьютеров IBM / 360 на гибридных микросхемах (монолитные
интегральные схемы в то время ещё не выпускались в достаточном количестве),
назвав эту серию компьютерами третьего поколения. Соответственно предыдущие
компьютеры - на транзисторах и электронных лампах - компьютерами второго и
третьего поколений. В дальнейшем эта классификация, вошедшая в употребление,
была расширена и появились компьютеры четвёртого и пятого поколений.
Для понимания истории компьютерной техники введённая классификация имела, по
крайней мере, два аспекта: первый - вся деятельность, связанная с компьютерами,
до создания компьютеров ENIAC рассматривалась как предыстория ; второй -
развитие компьютерной техники определялось непосредственно в терминах технологии
аппаратуры и схем.
Второй аспект подтверждает и главный конструктор фирмы DEC и один из
изобретателей мини-компьютеров Г.Белл, говоря, что ’’ история компьютерной
индустрии почти всегда двигалась технологией’’.
Переходя к оценке и рассмотрению различных поколений, необходимо прежде всего
заметить, что поскольку процесс создания компьютеров происходил и происходит
непрерывно ( в нём участвуют многие разработчики из многих стран, имеющие дело с
решением различных проблем ), затруднительно, а в некоторых случаях и
бесполезно, пытается точно установить, когда то или иное поколение начиналось
или заканчивалось.
В 1883 г. Томас Альва Эдисон, пытаясь продлить срок службы лампы с угольной
нитью ввёл в её вакуумный баллон платиновый электрод и положительное напряжение,
то в вакууме между электродом и нитью протекает ток.
Не найдя никакого объяснения столь необычному явлению, Эдисон ограничивается
тем, что подробно описал его, на всякий случай взял патент и отправил лампу на
Филадельфийскую выставку. О ней в декабре 1884 г. в журнале ’’Инженеринг’’ была
заметка ’’ Явление в лампочке Эдисона’’.
Американский изобретатель не распознал открытия исключительной важности (по сути
это было его единственное фундаментальное открытие - термоэлектронная
эмиссия).Он не понял, что его лампа накаливания с платиновым электродом по
существу была первой в мире электронной лампой.
Первым, кому пришла в голову мысль о практическом использовании ’’ эффекта
Эдисона ’’ был английский физик Дж. А. Флеминг (1849 - 1945 ). Работая с 1882 г.
консультантом эдисоновской компании в Лондоне, он узнал о ’’ явлении ’’ из
первых уст - от самого Эдисона. Свой диод - двухэлектродную лампу Флейминг
создал в 1904 г.
В октябре 1906 г. американский инженер Ли де Форест изобрёл электронную лампу -
усилитель, или аудион, как он её тогда назвал, имевший третий электрод - сетку.
Им был введён принцип, на основе которого строились все дальнейшие электронные
лампы, - управление током, протекающим между анодом и катодом, с помощью других
вспомогательных элементов.
В 1910 г. немецкий инженеры Либен, Рейнс и Штраус сконструировали триод, сетка в
котором выполнялась в форме перфорированного листа алюминия и помещалась в
центре баллона, а чтобы увеличить эмиссионный ток, они предложили покрыть нить
накала слоем окиси бария или кальция.
В 1911 г. американский физик Ч. Д. Кулидж предложил применить в качестве
покрытия вольфрамовой нити накала окись тория - оксидный катод - и получил
вольфрамовую проволоку, которая произвела переворот в ламповой промышленности.
В 1915 г. американский физик Ирвинг Ленгмюр сконструировал двухэлектронную лампу
- кенотрон, применяемую в качестве выпрямительной лампы в источниках питания. В
1916 г. ламповая промышленность стала выпускать особый тип конструкции ламп -
генераторные лампы с водяным охлаждением.
Идея лампы с двумя сотками - тетрода была высказана в 1919 г. немецким физиком
Вальтером Шоттки и независимо от него в 1923 г. - американцем Э. У. Халлом, а
реализована эта идея англичанином Х. Дж. Раундом во второй половине 20-х г.г.
В 1929 г. голландские учёные Г. Хольст и Б. Теллеген создали электронную лампу с
3-мя сетками - пентод. В 1932 г. был создан гептод, в 1933 - гексод и пентагрид,
в 1935 появились лампы в металлических корпусах.. Дальнейшее развитие
электронных ламп шло по пути улучшения их функциональных характеристик, по пути
многофункционального использования.
Проекты и реализация машин ’’ Марк - 1 ’’, EDSAC и EDVAC в Англии и США , МЭСМ в
СССР заложили основу для развёртывания работ по созданию ЭВМ вакуумноламповой
технологии - серийных ЭВМ первого поколения.
Разработка первой электронной серийной машины UNIVAC (Universal Automatic
Computer) начата примерно в 1947 г. Эккертом и Маучли, основавшими в декабре
того же года фирму ECKERT-MAUCHLI. Первый образец машины ( UNIVAC-1 ) был
построен для бюро переписи США и пущен в эксплуатацию весной 1951 г. Синхронная,
последовательного действия вычислительная машина UNIVAC-1 создана на базе ЭВМ
ENIAC и EDVAC. Работала она с тактовой частотой 2,25 МГц и содержала около 5000
электронных ламп. Внутреннее запоминающее устройство в ёмкостью 1000 12
-разрядных десятичных чисел было выполнено на 100 ртутных линиях задержки.
Вскоре после ввода в эксплуатацию машины UNVIAC - 1 её разработчики выдвинули
идею автоматического программирования. Она сводилась к тому, чтобы машина сама
могла подготавливать такую последовательность команд, которая нужна для решения
данной задачи.
Пятидесятые годы - годы расцвета компьютерной техники, годы значительных
достижений и нововведений как в архитектурном, так и в научно - техническом
отношении. Отличительные особенности в архитектуре современной ЭВМ по сравнению
с неймановской архитектурой впервые появились в ЭВМ первого поколения.
Сильным сдерживающим фактором в работе конструкторов ЭВМ начала 50 - х г.г. было
отсутствие быстродействующей памяти. По словам одного из пионеров вычислительной
техники - Д. Эккерта, ’’ архитектура машины определяется памятью ’’.
Исследователи сосредоточили свои усилия на запоминающих свойствах ферритовых
колец, нанизанных на проволочные матрицы.
В 1951 г. в 22 - м томе ’’ Journal of Applid Phisics ’’ Дж. Форрестер
опубликовал статью о применении магнитных сердечников для хранения цифровой
информации. В машине ’’ Whirlwind - 1 ’’ впервые была применена память на
магнит. Она представляла собой 2 куба с 323217 сердечниками, которые
обеспечивали хранение 2048 слов для 16 - разрядных двоичных чисел с одним
разрядом контроля на чётность.
В разработку электронных компьютеров включилась фирма IBM. В 1952 г. она
выпустила свой первый промышленный электронный компьютер IBM 701, который
представлял собой синхронную ЭВМ параллельного действия, содержащую 4000
электронных ламп и 12000 германиевых диодов. Усовершенствованный вариант машины
IBM 704 отличалась высокой скоростью работы, в ней использовались индексные
регистры и данные представлялись в форме с плавающей запятой.
После ЭВМ IBM 704 была выпущена машина IBM 709, которая в архитектурном плане
приближалась к машинам второго и третьего поколений. В этой машине впервые была
применена косвенная адресация и впервые появились каналы ввода - вывода.
В 1956 г. фирмой IBM были разработаны плавающие магнитные головки на воздушной
подушке. Изобретение их позволило создать новый тип памяти - дисковые ЗУ,
значимость которых была в полной мере оценена в последующие десятилетия развития
вычислительной техники. Первые ЗУ на дисках появились в машинах IBM 305 и RAMAC-
Последняя имела пакет, состоявший из 50 металлических дисков с магнитным
покрытием, которые вращались со скоростью 12000 об / мин. НА поверхности диска
размещалось 100 дорожек для записи данных, по 10000 знаков каждая.
Вслед за первым серийным компьютером UNIVAC - 1 фирма Remington - Rand в 1952 г.
выпустила ЭВМ UNIVAC - 1103, которая работала в 50 раз быстрее. Позже в
компьютере UNIVAC - 1103 впервые были применены программные прерывания.
Сотрудники фирмы Remington - Rand использовали алгебраическую форму записи
алгоритмов под названием ’’ Short Cocle ’’ ( первый интерпретатор, созданный в
1949 г. Джоном Маучли ). Кроме того, необходимо отметить офицера ВМФ США и
руководителя группы программистов, в то время капитана ( в дальнейшем
единственная женщина в ВМФ- адмирала ) Грейс Хоппер, которая разработала первую
программу- компилятор А- О. (Кстати, термин " компилятор " впервые ввела Г.
Хоппер в 1951 г. ). Эта компилирующая программа производила трансляцию на
машинный язык всей программы, записанной в удобной для обработки алгебраической
форме.
Фирма IBM также сделала первые шаги в области автоматизации программирования,
создав в 1953 г. для машины IBM 701 " Систему быстрого кодирования ". В нашей
стране А. А. Ляпунов предложил один из первых языков программирования. В 1957 г.
группа под руководством Д. Бэкуса завершила работу над ставшим в последствии
популярным первым языком программирования высокого уровня, получившим название
ФОРТРАН. Язык, реализованный впервые на ЭВМ IBM 704, способствовал расширению
сферы применения компьютеров.
В Великобритании в июле 1951 г. на конференции в Манчестерском университете М.
Уилкс представил доклад " Наилучший метод конструирования автоматической
машины", который стал пионерской работой по основам микропрограммирования.
Предложенный им метод проектирования устройств управления нашел широкое
применение.
Свою идею микропрограммирования М. Уилкс реализовал в 1957 г. при создании
машины EDSAC-2. М. Уилкс совместно с Д. Уиллером и С. Гиллом в 1951 г. написали
первый учебник по программированию " Составление программ для электронных
счетных машин " (русский перевод- 1953 г.).
В 1951 г. фирмой Ferranti начат серийный выпуск машины " Марк-1". А через 5 лет
фирма Ferranti выпустила ЭВМ ’’ Pegasus ’’, в которой впервые нащла воплощение
концепция регистров общего назначения ( РОН ). С появлением РОН устранено
различие между индексными регистрами и аккумуляторами, и в распоряжении
программиста оказался не один, а несколько регистров - аккумуляторов.
В нашей стране в 1948 г. проблемы развития вычислительной техники становятся
общегосударственной задачей. Развернулись работы по созданию серийных ЭВМ
первого поколения.
В 1950 г. в Институте точной механики и вычислительной техники ( ИТМ и ВТ )
организован отдел цифровых ЭВМ для разработки и создания большой ЭВМ. В 1951 г.
здесь была спроектирована машина БЭСМ ( Большая Электронная Счётная Машина ), а
в 1952 г. началась её опытная эксплуатация.
В проекте вначале предполагалось применить память на трубках Вильямса, но до
1955 г. в качестве элементов памяти в ней использовались ртутные линии задержки.
По тем временам БЭСМ была весьма производительной машиной - 800 оп / с. Она
имела трёхадресную систему команд, а для упрощения программирования широко
применялся метод стандартных программ, который в дальнейшем положил начало
модульному программированию, пакетам прикладных программ. Серийно машина стала
выпускаться в 1956 г. под названием БЭСМ - 2.
В этот же период в КБ, руководимом М. А . Лесечко, началось проектирование
другой ЭВМ, получившей название ’’ Стрела ’’. Осваивать серийное производство
этой машины было поручено московскому заводу САМ. Главным конструктором стал Ю.
А. Базилевский, а одним из его помощников - Б. И. Рамеев, в дальнейшем
конструктор серии ’’ Урал ’’. Проблемы серийного производства предопределили
некоторые особенности ’’ Стрелы ’’ : невысокое по сравнению с БЭСМ
быстродействие, просторный монтаж и т. д. В машине в качестве внешней памяти
применялись 45 - дорожечные магнитные ленты, а оперативная память - на трубках
Вильямса. ’’ Стрела ’’ имела большую разрядность и удобную систему команд.
Первая ЭВМ ’’ Стрела ’’ была установлена в отделении прикладной математики
Математического института АН ( МИАН ), а в конце 1953 г. началось серийное её
производство.
В лаборатории электросхем энергетического института под руководством И. С. Брука
в 1951 г. построили макет небольшой ЭВМ первого поколения под названием М-1.
В следующем году здесь была созлана вычислительная машина М - 2, которая
положила начало созданию экономичных машин среднего класса. Одним из ведущих
разработчиков данной машины был М. А. Карцев, внёсший впоследствии большой вклад
в развитие отечественной вычислительной техники. В машине М - 2 использовались
1879 ламп, меньше, чем в ’’ Стреле ’’, а средняя производительность составляла
2000 оп / с. Были задействованы 3 типа памяти : электростатическая на 34 трубках
Вильямса, на магнитном барабане и на магнитной ленте с использованием обычного
для того времени магнитофона МАГ - 8.
В 1955 - 1956 г.г. коллектив лаборатории выпустил малую ЭВМ М - 3 с
быстродействием 30 оп / с и оперативной памятью на магнитном барабане.
Особенность М - 3 заключалась в том, что для центрального устройства управления
был использован асинхронный принцип работы. Необходимо отметить, что в 1956 г.
коллектив И. С. Брука выделился из состава энергетического института и образовал
Лабораторию управляющих машин и систем, ставшую впоследствии Институтом
электронных управляющих машин ( ИНЭУМ ).
Ещё одна разработка малой вычислительной машины под названием ’’ Урал ’’ была
закончена в 1954 г. коллективом сотрудников под руководством Рамеева.. Эта
машина стала родоначальником целого семейства ’’ Уралов ’’, последняя серия
которых ( ’’ Урал -16 ’’ ), была выпущена в 1967 г. Простота машины, удачная
конструкция, невысокая стоимость обусловили её широкое применение.
В 1955 г. был создан Вычислительный центр Академии наук, предназначенный для
ведения научной работы в области машинной математики и для предоставления
открытого вычислительного обслуживания другим организациям Академии.
Во второй половине 50 - х г.г. в нашей стране было выпущено ещё 8 типов машин по
вакуумно - ламповой технологии. Из них наиболее удачной была ЭВМ М - 20,
созданная под руководством С. А. Лебедева, который в 1954 г. возглавил ИТМ и ВТ.
Машина отличалась высокой производительностью ( 20 тыс. оп / с ), что было
достигнуто использованием совершенной элементной базы и соответствующей
функционально - структурной организации. Как отмечают А. И. Ершов и М. Р. Шура -
Бура, ’’ эта солидная основа возлагала большую ответственность на разработчиков,
поскольку машина, а более точно её архитектуре, предстояло воплотиться в
нескольких крупных сериях ( М - 20, БЭСМ - 3М, БЭСМ - 4, М - 220, М - 222 ) ’’.
Серийный выпуск ЭВМ М - 20 был начат в 1959 г.. В 1958 г. под руководством В. М.
Глушкова ( 1923 - 1982) в Институте кибернетики АН Украины была создана
вычислительная машина ’’ Киев ’’, имевшая производительность 6 - 10 тыс. оп / с.
ЭВМ ’’ Киев ’’ впервые в нашей стране использовалась для дистанционного
управления технологическими процессами.
В то же время в Минске под руководством Г. П. Лопато и В. В. Пржиялковского
начались работы по созданию первой машины известного в дальнейшем семейства ’’
Минск - 1 ’’. Она выпускалась минским заводом вычислительных машин в различных
модификациях : ’’ Минск - 1 ’’, ’’ Минск - 11 ’’, ’’ Минск - 12 ’’, ’’ Минск -
14 ’’. Машина широко использовалась в вычислительных центрах нашей страны.
Средняя производительность машины составляла 2 - 3 тыс. оп / с.
При рассмотрении техники компьютеров первого поколения, необходимо особо
остановиться на одном из устройств ввода - вывода. С начала появления первых
компьютеров выявилось противоречие между высоким быстродействием центральных
устройств и низкой скоростью работы внешних устройств. Кроме того, выявилось
несовершенство и неудобство этих устройств.