Вычислительная машина когда изобрели
Конрад Цузе: мечтатель, создавший первый компьютер
Вторая мировая война дала мощный толчок развитию техники и науки. Военно-промышленный комплекс всегда собирал огромные человеческие, денежные и другие ресурсы. И нацисты в своей одержимости к мировому господству, особенно рьяно трудились над изобретениями и научно-техническими инновациями. Тем ни менее история создания первого программирующего компьютера началась еще до войны, с обычного желания одного немецкого архитектора упростить себе жизнь.
Конрад Цузе (1910-1995 г.г.)
Немецкий инженер и изобретатель первого в мире работающего программируемого компьютера Конрад Цузе попал в мир информационных технологий практически случайно. Будущий изобретатель был наделен неплохими способностями к изобразительному искусству, а также любил строительство и конструирование. Поэтому он поступил в Берлинский Технический Университет на факультет архитектуры и гражданского строительства (1930-1935), где увлекся математикой и физикой. Во время обучения, изучая строительство зданий и дорог, Цузе столкнулся с серьезной проблемой. Этот тип конструкций требовал решения огромных систем линейных уравнений, которые было очень трудно просчитать с помощью логарифмической линейки или даже механического калькулятора того времени.
Как вспоминал Цузе: «Я был студентом в гражданской инженерии в Берлине. Берлин — это красивый город, открывающий перед молодым человеком множество возможностей приятно провести время, например, с хорошенькой девушкой. Но вместо этого мы вынуждены были выполнять громадные и ужасные расчеты».
Для подобных просчетов инженеры использовали особые таблицы, куда записывали формулы выполнения основных операций в двоичной системе счисления. Именно тогда у Цузе возникла идея автоматизировать этот процесс применив несложное вычислительное устройство. Говоря иными словами — изобрести первую программируемую двоичную вычислительную машину.
(фото двоичной программируемой вычислительной машины Z1)
Через тернии к звездам
В 1936 году Цузе завершил логический план для своего первого компьютера V1 (от немецкого Versuchsmodell-1, то есть «опытная модель»). На самом деле названия всех машины должны были начинаться с V (от V1 до V4), но после Второй мировой войны он изменил имена на Z1-Z4 (начальная буква фамилии изобретателя), чтобы избежать неприятных ассоциаций с V1-V4 военных ракет.
Цузе не имел опыта в области электроники, не обладал достаточными знаниями в области механики и конечно же, не мог знать принципы работы других вычислительных устройств. Но эти обстоятельства его не смущали. Молодой изобретатель незамедлительно начал реализацию своей идеи. С помощью знакомых он собрали небольшую сумму денег для исследования и вместе с несколькими друзьями приступил к работе. Процесс разработки и сборки происходил в берлинской квартире его родителей — домашняя гостиная превратилась в настоящую мастерскую. Никаких специально оборудованных лабораторий, никакой помощи от правительства, министерств или университетов. Конрад делал все сам, создавая свой компьютер практически из ничего. С другой стороны, возможно именно это обстоятельство дало ему преимущество, так как он смог иначе посмотреть на вопросы машинной арифметики и найти новый подход к решению определенных задач. Позже изобретатель писал, что в силу неосведомленности он не был ограничен в поисках системы, наилучшей для автоматических вычислений. Попробовав десятичную систему, Цузе остановился на двоичной.
(Цузе в процессе работы)
Существовавшие на то время вычислительные механизмы были построены с использованием вращающихся элементов и оперировали значениями в десятичной системе счисления. Особенностью Z1 было то, что она занималась обработкой чисел в двоичной системе и для переключения использовались не реле, а металлические пластины. Надо заметить, что эти пластины вырезались Цузе и его друзьями вручную, обычным лобзиком (2000 штук!). Пластины перемещались в строго определенном направлении. Смещенные пластины, указывающие значения вычисляемых величин и математические операции, перемещали ряд других пластин, изменяющих регистр двоичных чисел и сохраняющих промежуточный результат. Полученные данные позволяли производить другие преобразования. Собственно задаваемый оператором несложный последовательный алгоритм вычислений и был прототипом современной компьютерной программы. Примечательной особенностью первого компьютера была клавиатура для ввода данных с мигающими лампочками для указания результатов.
Работа над изобретением заняла более двух лет. В 1938 году машина Z1 увидела свет. Она была огромной, состояла из 20 000 частей. Электрический двигатель мощностью 1 кВт. обеспечивал тактовую частоту одного Герца (один цикл в секунду).
Основные характеристики Z1
Реализация: тонкие металлические пластины
Частота: 1 Гц
Вычислительный блок: обработка чисел с плавающей запятой
Средняя скорость расчета: умножение — 10 секунд, сложение — 5 секунд
Ввод данных: клавиатура, устройство считывания с перфоленты
Вывод данных: ламповая панель (десятичное представление)
Память: 64 слова по 22 бита
Вес: около 1000 кг
Первое устройство Цузе не имело способности «сохранять программу». Также отсутствовала команда условного перехода. Но стоит ли желать большего от машины, построенной из металлических пластин и имеющей 64 слова памяти? К тому же Цузе сам разрабатывал теоретические основы для своих компьютеров. Он был знаком с двоичной цифровой системой Лейбница. Но не имел понятия о алгебре Джорджа Буля. Он должен был изучать математическую логику многих выдающихся ученых, чтобы разработать свою собственную систему, назвав обозначения «Условные комбинаторные» (Bedingungskombinatorik).
Механическое устройство Цуза имело великую научную ценность, доказывая возможность создания программных вычислительных машин, работающих с двоичным кодом. А вот надежность машины оставляла желать лучшего. Устройство постоянно ломалось из-за плохого качества комплектации. При работе процессора с памятью возникала проблема в синхронизации, требуемой для предотвращения чрезмерной механической нагрузки на подвижные части. Но архитектура изобретения казалась вполне удачной и побудила Цузе рассмотреть другие виды технологий.
На дальнейшую работу над машиной сильно повлиял друг Цузе, инженер-электронщик Гельмут Шреер. Он по достоинству оценил разработку и предложил ее усовершенствовать, заменив пластины на электровакуумные лампы. И при создании новой модели сохранить в ней логические принципы предыдущей, позволяющие операторам производить математические операции с десятичными числами.
В 1938 году Цузе и Шреер выступили с демонстрацией электронных схем в Берлинском Университете, подробно рассказывая про построение электронного компьютера. Но стоило им упомянуть, что такое устройство потребует около 2000 радиоламп и несколько тысяч ламп накаливания, как их едва не высмеяли. Университетские ученые классифицировали затею, как фантазию двух мечтателей. Дело в том, что крупнейшие электронные устройства того времени состояли всего лишь из нескольких сотен электронных ламп.
Но критика профессоров не повлияла на решение друзей выполнить задуманное и собрать новую модель.
(друзья-ученые Цузе и Шреер)
Пытаясь найти финансирование Цузе попытался заключить контракт с бывшим производителем механических калькуляторов Куртом Паннке. На что получил вежливый отказ. Паннке выразил уверенность в том, что в области вычислительных машин уже изобрели все возможное. Тем не менее, бывший производитель калькуляторов согласился посетить мастерскую Цузе и был так впечатлен его работой, что решил дать изобретателю семь тысяч рейхсмарок.
Стремление к совершенству
Начало второй мировой войны положило конец совместным исследованиям, Цузе призвали в нацистскую армию. Там он провел менее полугода. Благодаря ходатайству влиятельных инженеров и ученых в 1940 году Цузе демобилизовался в Берлин, где стал членом гитлеровской научной элиты.
Работа над созданием релейной электронной вычислительной машины возобновилась. Шреер снова предложил свои услуги. Ученые обратились за финансовой поддержкой к военному руководству, предлагая разработать современное устройство для военно-воздушных сил Германии. Такая машина могла быстро обрабатывать сложные расчеты, повышая тем самым эффективность тактической авиации. По предварительной оценке ученых на изобретение подобного аппарата потребовалось бы около двух лет. Но военные ответили отказом. Руководство вермахта было убеждено, что за такой срок нацистская Германия уже достигнет мирового господства.
В том же году Цузе начал разработку Z3 — машины полностью построенной на реле, но с логической структурой от Z1 и Z2. Она была готова к эксплуатации в 1941 г., за 4 года до разработки американских ученых — электронного цифрового компьютера ENIAC.
Программируемая вычислительная машина Z3 и была создана на базе электронных реле (600 для арифметического устройства, 1400 для памяти и 400 для блока управления). Во всех других аспектах она напоминала Z1 и Z2: двоичная система исчисления, числа с плавающей запятой, арифметическое устройство с двумя 22-разрядными регистрами, управление через 8 канальные ленты (т.е. команда состоит из 8 битов). Каждое из слов могло быть помещено в память компьютера за один тактовый цикл. Общий общем памяти достигал 64 слов по 22 бита. Именно этой машиной был впервые применен современный принцип адресного распределения памяти, когда каждое 22-разрядное слово можно поместить в память или извлечь из нее командами PRz и PSz (z — соответствующий регистр оперативного запоминающего устройства с адресами от 1 до 64). Арифметический модуль компьютера составляли параллельные сумматоры, которые применялись для обработки логарифмических выражений и чисел с плавающей запятой.
Цузе разработал свой набор инструкций, который включал около десяти основных и нескольких десятков дополнительных команд. Это был самый настоящий язык программирования использовавшийся для задания сложных алгоритмов вычислений. Так что Цузе приписывают еще и создание первого языка программирования высокого уровня — Планкалкюль (на немецком Plankalkül — «исчисление планов»). Его характерными особенностями были: свободная переносимость (независимость от архитектуры и набора команд машины), операторы условия (кроме ELSE), циклы, подпрограммы, отсутствие рекурсии, работа с массивами и подмассивами, а также сложный синтаксис
В декабре 1941 года Z3 был введен в эксплуатацию и тут же взят на вооружение производителями военных самолетов. Именно с помощью Z3 обсчитывались аэродинамические и баллистические характеристики первых немецких крылатых ракет.
После успешного внедрения в военную промышленность Z3, Цузе заключил контракт с Научно-исследовательским управлением ВВС Германии (DIV) на проектирование электрической вычислительной машины нового поколения.
Новая модель была очень похожа на Z3, включая в себя все усовершенствованные разработки Цузе. Этот компьютер включал элементы: 2500 реле, 21 ступенчатое реле. Он обладал уже 1024 регистрами памяти для хранения 22-битных слов. Благодаря более мощному процессору повысилась скорость выполнения преобразования двоичных чисел. Z4 имел устройство для подготовки программы. Также он умел избегать исчисления неверных результатов. Потребляемая мощность машины составляла 4 кВт.
Создание нового компьютера заняло три года и к декабрю 1944 проект подходил к завершению. Работая над Z4, изобретатель ставил главной целью построить прототип машины, которая в дальнейшем сможет производится тысячами. Но отсутствие нужных материалов и сложная ситуация в стране (разгар военных действий), сделали эту задачу практически невыполнимой. Во время одного из налетов авиации на Берлин первый экземпляр Z3 был полностью разрушен, а когда в мае 1945 года в столицу Германии вошла советская армия, Цузе был вынужден бежать вместе с семьей в Баварию. С собой он конечно же прихватил уже собранный компьютер Z4. В Баварских Альпах он спрятал машину до более спокойных времен.
Основные характеристики Z4
Реализация: Реле, память — металлические пластины
Частота: 30 Гц
Вычислительный блок: обработка чисел с плавающей запятой, длина машинного слова — 32 бита
Средняя скорость расчета: 0,4 секунды для сложения, 0,3 секунды для умножения
Средняя скорость вычислений: 11 операций умножения в секунду
Ввод данных: десятичная клавиатура, устройство считывания с перфоленты
Вывод данных: печатная машинка марки «Mercedes»
Память: 64 слова по 22 бита
Вес: около 1000 кг
В 1948 году Цузе связался с профессором Эдуардом Штифелем, который признал Z4 пригодным для научных расчетов. Несмотря на немного старомодный технологии машины, Штифель был впечатлен простотой программирования и мощностью арифметического устройства с его способностью обработки исключений.
Ободренный успехом, Цузе создал собственную фирму Zuse KG. По сути, это была первая в мире коммерческая компания, занимающаяся исключительно развитием и производством компьютерных технологий для авиации и оптической промышленности, университетских лабораторий. Компания наладила выпуск коммерческих компьютеров, популярных в Германии 50-х годов (Z5, Z11, Z22 и Z23). Фирма Цузе создала первый компьютер с памятью на магнитных носителях Z22.
(компьютер с памятью на магнитных носителях Z22)
Несмотря на инженерный талант и усердие, Цузе отставал от своих американских конкурентов. Послевоенная Германия была не самым подходящим местом для инноваций в электронное будущее. Все средства правительства шли на восстановление страны. Да и у Цузе не было инфраструктуры, необходимой для дальнейших разработок. Он не мог вовремя узнавать о новых приборах и программах.
И уже в 60-х годах рынок Европы активно заполнили американские электронно-вычислительные машины, которые постепенно вытеснили компьютеры Цузе. В 1962 году фирма была продана компании «Brown Boveri and Co», а в последствии вошла в состав корпорации «Siemens».
Конрад Цузе называл себя аполитичным человеком. Делом всей своей жизни он считал развитие компьютерных технологий в Германии и сожалел, что так и не осуществил свою мечту — создать переносной персональный компьютер для деловых людей. В этом его опередили американские разработчики. После продажи компании он занялся своим давним увлечением — живописью. И даже написал несколько портретов известных людей в мире компьютерных технологий. Одним из них был Билл Гейтс, с которым Вузе познакомился на выставке.
(Цузе за вторым своим любимым занятием)
Конрад Цузе умер в 1995 году в городе в Хюхнфельд (Германия), дожив до восьмидесяти пяти лет.
Оригиналы Z1, Z2 и Z3 не сохранились до наших дней, они были разрушены во время бомбардировок Берлина в 1945 году. Зато Цузе удалось спасти компьютер Z4, который находится на родине изобретателя в Техническом музее Берлина.
Калифорнийский Музей истории компьютеров в Маунтин-Вью посмертно включил в свой состав Конрада Цузе, как выдающегося изобретателя первого полностью автоматизированного компьютера с программным управлением.
Первое поколение компьютеров: от Древнего Рима до Второй Мировой
Лень — двигатель прогресса. Стремление человечества хотя бы частично автоматизировать свою деятельность всегда выливалось в различные изобретения. Математические вычисления и подсчеты также не избежали научного прогресса. Ещё в Древнем Риме местные «таксисты» использовали аналог современного таксометра — механическое устройство, которое определяло стоимость поездки в зависимости от длины маршрута. Время шло, и к середине прошлого века эволюция вычислительных систем привела к появлению нового типа устройств — компьютеров. Тогда, конечно, их так никто не называл. Для этого использовался другой термин — ЭВМ (электронно-вычислительная машина). Но время и прогресс стерли границы между этими определениями. Так как же прогресс дошел до первых ЭВМ и как они работали?
История развития
Арифмометр
Данная машина представляла собой 13-разрядную суммирующую машину.
В следующем году вокруг этой машины начали появляться различные возражения, а именно по поводу её механизма. Существовало мнение о том, что машина да Винчи представляет собой механизм пропорционирования, а не счетную машину. Также возникал вопрос и о её работе: по идее, 1 оборот первой оси вызывает 10 оборотов второй, 100 оборотов третьей и 10 в степени n оборотов n-ной оси. Работа такого механизма не могла осуществляться из-за огромной силы трения. По итогу голоса сторонников и противников счетной машины Леонардо да Винчи разделились, но, тем не менее, IBM решила убрать эту модель из коллекции
Но, оставим наработки Леонардо Да Винчи. Расцвет арифмометров пришелся на 17 век. Первой построенной моделью стал арифмометр Вильгельма Шиккарда в 1623 году. Его машина была 6-разрядной и состояла из 3 блоков — множительного устройства, блока сложения-вычитания и блока записи промежуточных результатов.
Копия арифмометра Шиккарда
Также 17 век отметился ещё несколькими арифмометрами: «паскалина» за авторством Блеза Паскаля, арифмометр Лейбница и машина Сэмюэля Морленда. В промышленных масштабах арифмометры начали производиться в начале 19 века, а распространены были практически до конца 20-го.
Аналитическая и разностная машины Бэббиджа
Чарльз Бэббидж — английский математик, родившийся в конце 18 века. На его счету числится большое количество научных работ и изобретений. Но в рамках данной статьи нас интересуют два его проекта: аналитическая машина и разностная машина.
Идея о создании разностной машины не принадлежит Чарльзу Бэббиджу. Она впервые была описана немецким инженером Иоганном Мюллером в книге с очень сложным названием. До конца не ясно, повлияли ли на Бэббиджа идеи Мюллера при создании разностной машины, поскольку Чарльз ознакомился с его работой в переводе, дата создания которого неизвестна.
Книга Иоганна Мюллера
Считается, что основные идеи для создания разностной машины Бэббидж взял из работ Гаспара де Прони и его идей о декомпозиции математических работ. Его идея заключалась в следующем: есть 3 уровня, на каждом из которых математики занимаются решением определенных проблем. На верхнем уровне находятся самые крутые математики и их задача — вывод математических выражений, пригодных для расчетов. У математиков на втором уровне стояла задача вычислять значения функций, которые вывели на верхнем уровне, для аргументов, с определенным периодом. Эти значения становились опорными для третьего уровня, задачей которого являлись рутинные расчеты. От них требовалось делать только грамотные вычисления. Их так и называли — «вычислители». Эта идея навела Бэббиджа на мысль о создании машины, которая могла бы заменить «вычислителей». Машина Бэббиджа основывалась на методе аппроксимации функций многочленами и вычисления конечных разностей. Собственно, поэтому машина и называется разностной.
В 1822 году Бэббидж построил модель разностной машины и заручился государственной поддержкой в размере 1500 фунтов стерлингов. Он планировал, что закончит машину в течение 3 лет, но по итогу работа была не завершена и через 9 лет. За это время он получил ещё 15500 фунтов стерлингов в виде субсидий от государства. Но всё же часть машины функционировала и производила довольно точные (>18 знаков после запятой) расчеты.
Созданная на основе работ Бэббиджа разностная машина
Во время работы над разностной машиной у Чарльза Бэббиджа возникла идея о создании аналитической машины — универсальной вычислительной машины. Её называют прообразом современного цифрового компьютера, и не зря. Она состояла из арифметического устройства (»мельницы»), памяти (»склада») и устройства ввода-вывода, реализованного с помощью перфокарт различного типа. К сожалению, данная идея осталась лишь на бумаге.
Схема аналитической машины Бэббиджа
Табулятор
История электромеханических машин начинается в 1888 году, когда американский инженер Герман Холлерит, основатель компании CTR (будущая IBM), изобрел электромеханическую счетную машину — табулятор, который мог считывать и сортировать данные, закодированные на перфокартах. В аппарате использовались электромагнитные реле, известные еще с 1831 года и до Холлерита не применявшиеся в счетной технике. Управление механическими счетчиками и сортировкой осуществлялось электрическими импульсами, возникающими при замыкании электрической цепи при наличии отверстия в перфокарте. Импульсы использовались и для ввода чисел, и для управления работой машины. Поэтому табулятор Холлерита можно считать первой счетной электромеханической машиной с программным управлением. Машину полностью построили в 1890 году и использовали при переписи населения США в том же году. Впоследствии табуляторы использовались вплоть до 1960-х — 1970-х годов в бухгалтерии, учете, обработке данных переписей и подобных работах. И даже если в учреждении имелась полноценная ЭВМ, табуляторы все равно использовали, чтобы не нагружать ЭВМ мелкими задачами.
Электромеханические машины времен ВМВ
В 1937 году Клод Шеннон в своей работе A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits показал, что электронные связи и переключатели могут представлять выражения булевой алгебры. Машины тех лет можно условно на два типа: электромеханические (основанные на электромагнитных переключателях) и электронные (полностью на электровакуумных лампах). К первым относились американский Harvard Mark I и компьютеры немецкого инженера Конрада Цузе.
Mark I
Работа над Mark I началась в 1939 году в Endicott laboratories по субподрядному договору с IBM. В качестве основы использовались наработки Чарльза Бэббиджа. Компьютер последовательно считывал инструкции с перфоленты, условного перехода не было, циклы организовывались в виде склеенных в кольцо кусков перфоленты. Принцип разделения данных и инструкций в Mark I получил известность как Гарвардская архитектура. Машину закончили в 1944 году и передали в ВМФ США. Характеристики:
В 1936 немецкий инженер Конрад Цузе начал работу над своим первым вычислителем Z1. Первые две модели из серии Z были демонстративными. Следующий же компьютер, Z3, который закончили в 1941, имел практическое применение: с его помощью делали аэродинамические расчеты (стреловидные крылья самолетов, управляемые ракеты). Машина была выполнена на основе телефонных реле. Инструкции считывались с перфорированной пленки. Так же, как в Mark I, отсутствовали инструкции условного перехода, а циклы реализовывались закольцованной перфолентой. Z3 имел некоторые преимущества перед своими будущими собратьями (ENIAC, Mark I): вычисления производились в двоичной системе, устройство позволяло оперировать числами с плавающей точкой. Так как Цузе изначально исходил из гражданских интересов, его компьютеры более близки к современным, чем тогдашние аналоги. В 1944 году практически был завершен Z4, в котором уже присутствовали инструкции условного перехода. Характеристики Z3:
Первые ламповые компьютеры
Однозначно определить первый в мире компьютер сложно. Многими учеными определение первого поколения основывается на вычислительной базе из электронных ламп. При этом первое поколение компьютеров разрабатывалось во время Второй мировой войны. Возможно, созданные в то время компьютеры засекречены и по сей день. В целом выделяют два возможных первенца — ENIAC и Colossus
ENIAC
Electronic Numerical Integrator and Computer (Электронный числовой интегратор и вычислитель) или ENIAC создавался по заказу от армии США для расчета баллистических таблиц. Изначально, подобные расчеты производились людьми и их скорость не могла соотноситься с масштабом военных действий. Построен компьютер был лишь к осени 1945 года.
Colossus
Colossus в отличие от ENIAC был очень узконаправленной машиной. Он создавался исключительно с одной целью — декодирование немецких сообщений, зашифрованных с помощью Lorenz SZ. Эта машина было схожа с немецкой Enigma, но состояла из большего числа роторов. Для декодирования этих сообщений было решено создать Colossus. Он включал в себя 1500 электронных ламп, потреблял 8,5 КВт и обладал тактовой частотой в 5.8 МГц. Такое значение частоты достигалось за счет того, что Colossus был создан для решения только одной задачи и применяться в других областях не мог. К концу войны на вооружении Британии стояло 10 таких машин. После войны все они были уничтожены, а данные о них засекречены. Только в 2000 году эта информация была рассекречена.
Реконструированная модель Colossus
Принцип работы
Вакуумные лампы
Радиолампа представляет собой стеклянную колбу с электродами, из которой откачан воздух. Простейшая разновидность ламп — диод, состоящий из катода и анода, а также спирали, разогревающей катод до температур, при которых начинается термоэлектронная эмиссия. Электроны покидают катод и под действием разности потенциалов притягиваются к аноду. В обратном направлении заряд не переносится, так как заряженных ионов в колбе нет (вакуум). При изменении полярности электроны, покинувшие разогретый электрод, будут притягиваться обратно. До второго электрода они долетать не будут, отталкиваясь от него из-за отрицательного потенциала. Если добавить еще один электрод, то получится триод. В электровакуумном триоде устанавливается сетка между катодом и анодом. При подаче на сетку отрицательного потенциала она начинает отталкивать электроны, не позволяя им достичь анода. При подаче модулированного сигнала ток будет повторять изменения потенциала на сетке, поэтому изначально триоды использовали для усиления сигналов.
Радиолампа и схема триггера на двух триодах
Если взять два триода и соединить анод каждого с сеткой другого, то мы получим триггер. Он может находиться в одном из двух состояний: если через один триод идет ток (триод открыт), то на сетке второго триода появляется потенциал, препятствующий току через второй триод (триод закрыт). Если кратковременно подать отрицательный потенциал на сетку открытого триода, то мы прекратим ток через него, что откроет второй триод, который уже закроет первый. Триоды поменяются местами. Таким образом можно хранить один бит информации. Через другие схемы триодов можно строить логические вентили, реализующие конъюнкцию, дизъюнкцию и отрицание, что позволяет создать электронно-вычислительное устройство.
Запоминающее устройство
На первых порах развития ЭВМ использовались разные подходы к созданию запоминающих устройств. Помимо памяти на триггерах из радиоламп и на электромагнитных реле (как в Z3) имелись следующие виды:
Линии задержки
Основная идея линий задержки возникла в ходе разработки радаров во время Второй мировой войны. В первых ЭВМ в качестве линий использовались трубки с ртутью (у нее очень низкое затухание ультразвуковых волн), на концах которой располагались передающий и принимающий пьезокристаллы. Информация подавалась с помощью импульсов, модулированных высокочастотным сигналом. Импульсы распространялись в ртути. Информационная емкость трубки в битах равнялась максимальному количеству одновременно передаваемых импульсов. Единица кодировалось присутствием импульса на определенном «месте», ноль — отсутствием импульса. Приемный пьезокристалл передавал импульс на передающий — информация циркулировала по кругу. Для записи вместо регенерации импульсов вводились записываемые. Такой вид памяти использовался в компьютерах EDVAC, EDSAC и UNIVAC I.
Запоминающее устройство на ртутных акустических линиях задержки в UNIVAC I
Запоминающие электронно-лучевые трубки (трубки Уильямса)
При попадании электронного луча на точку на люминофорном экране происходит вторичная эмиссия и участок люминофора приобретает положительный заряд. Благодаря сопротивлению люминофорного слоя, точка долю секунды держится на экране. Однако, если не отключать луч сразу, а сдвинуть его в сторону от точки, рисуя тире, то электроны, испущенные во время эмиссии, поглощаются точкой, и та приобретает нейтральный заряд. Таким образом, если выделить N точек, то можно записать N бит информации (1 — нейтральный заряд, 0 — положительный заряд). Для считывания информации используется доска с электродами, прикрепленная к внешней стороне экрана. Электронный луч снова направляется в точку, и та приобретает положительный заряд независимо от изначального. С помощью электрода можно определить величину изначального заряда (значение бита), однако информация уничтожается (после каждого считывания нужна перезапись). Так как люминофор быстро теряет заряд, необходимо постоянно считывать и записывать информацию. Такой вид памяти использовался в Манчестерском Марк I и Ferranti Mark1; американских IBM 701 и 702
Магнитные барабаны
Магнитные барабаны чем-то похожи на современные магнитные диски. На поверхность барабана был нанесен тонкий ферромагнитный слой. Несколько считывающих головок, расположенных по образующим диска, считывают и записывают данные на своей отдельной магнитной дорожке.
Архитектура фон Неймана
Архитектура фон Неймана строилась на следующих принципах:
Основным недостатком этой архитектуры является ограничение пропускной способности между памятью и процессором. Из-за того, что программа и данные не могут считываться одновременно, пропускная способность между памятью и процессором существенно ограничивает скорость работы процессора. В дальнейшем, данную проблему решили с помощью введения кеша, что вызвало другие проблемы( например, уязвимость Meltdown).
Справедливости ради необходимо уточнить, что данные идеи не являются идеями Джона фон Неймана в полной степени. Также в их разработке участвовали ещё несколько ученых, пионеров компьютерной техники: Джон Преспер Экерт и Джон Уильям Мокли.
Гарвардская архитектура
Языки
В самых первых компьютерах программы считывались с перфоленты (как в Z3 и Mark I). Устройство чтения перфоленты предоставляло управляющему устройство код операции для каждой инструкции и адреса памяти. Затем управляющее устройство все это декодировало, посылало управляющие сигналы вычислительному блоку и памяти. Набор инструкций жестко задавался в схеме, каждая машинная инструкция (сложение, сдвиг, копирование) реализовывалась непосредственно в схеме. В ENIAC для изменения программы его нужно было перекоммутировать заново, на что уходило значительное время. Машинные коды считают первым поколением языков программирования.
Перфорированная лента с программой вычислений
Первые программисты всегда имели при себе блокнот, в который они записывали наиболее употребляемые подпрограммы — независимые фрагменты программы, вызываемые из главной подпрограммы, например извлечение корня или вывод символа на дисплей. Проблема состояла в том, что адреса расположения переменных и команд менялись в зависимости от размещения в главной программе. Для решения этой проблемы кембриджские программисты разработали набор унифицированных подпрограмм (библиотеку), которая автоматически настраивали и размещали подпрограммы в памяти. Морис Уилкс, один из разработчиков EDSAC (первого практически реализованного компьютера с хранимой в памяти программой), назвал библиотеку подпрограмм собирающей системой (assembly system). Теперь не нужно было собирать программу вручную из машинных кодов, специальная программа (ассемблер) «автоматически» собирала программу. Первые ассемблеры спроектированы Кэтлин Бут в 1947 под ARC2 и Дэвидом Уилером в 1948 под EDSAC. При этом сам язык (мнемоники) называли просто множеством базовых команд или начальными командами. Использовать слово «ассемблер» для процесса объединения полей в командное слово начали в поздних отчетах по EDSAC. Ассемблер можно назвать вторым поколением языков.
«Начальные команды» для EDSAC
Компьютеры первого поколения в СССР
После Второй мировой войны часть немецких разработок в области компьютерных технологий перешли СССР. Ведущие специалисты сразу заинтересовались возможностями ЭВМ, а правительство согласилось, что устройства для быстрых и точных вычислений — это перспективное направление.
МЭСМ и БЭСМ
В 1948 году основоположник советской вычислительной техники С.А. Лебедев направил в Академию наук СССР докладную записку: в ней сообщалось о необходимости создания ЭВМ для практического использования и научного прогресса. Для разработки этой машины под Киевом, в Феофании институту отвели здание, ранее принадлежавшее монастырю. Через 2 года МЭСМ (малая электронная счетная машина) произвела первые вычисление — нахождение корней дифференциального уравнения. В 1951 году инспекция из академии наук приняла работу Лебедева. МЭСМ имела сложную трехадресную систему команд и следующие характеристики:
В 1950 году Лебедева перевели в Москву. Там он начал работать над БЭСМ-1 и к 1953 году построил опытный образец, отличавшийся отличной производительностью. Характеристики были следующими:
Серия «М» и «Стрела»
В тоже время в Москве велась работа над М-1. М-1 была намного менее мощной, чем МЭСМ, но при этом занимала намного меньше места и тратила меньше энергии. Характеристики М-1:
В 1952 году на свет выпустили М-2. Её мощность увеличилась практически в 100 раз, при этом количество ламп увеличилось только вдвое. Подобный результат получился благодаря использованию управляющих полупроводниковых диодов. Характеристики М-2 были следующие:
В «массовое» производство первой попала «Стрела». Всего было произведено 7 штук. Характеристики «Стрелы» были следующие:
Во многих смыслах «Стрела» была хуже М-2. Она выполняла всё те же 2 тысячи операций в секунду, но при этом занимала на порядок больше места и тратила в несколько раз больше электричества. М-2 не попала в массовое производство, поскольку её создатели не уложились в срок. М-1 не обладала хорошей производительностью и к моменту, когда М-2 была доведена до ума, «Стрела» была отдана в производство.
Следующий потомок серии «М» — М-3 вышел в 1956 году и был в каком-то смысле урезанным вариантом. Она выполняла порядка 30 операций в секунду, но при этом занимала мало места, благодаря чему пошла в серийное производство. Характеристики М-3 были следующие:
Эпилог
Без технологического рывка, сделанного в 40-е годы, и четко сформированного вектора развития вычислительной техники, возможно, сегодня мы бы и не сидели в компьютерах и телефонах, читая статейки на хабре. Как показал опыт разных ученых, порой уникальные и революционные для своего времени образцы вычислительной техники не были востребованы как государством, так и обществом (например, машины серии Z Конрада Цузе). Переход ко второму поколению компьютеров во многом определился сменой вакуумных ламп на транзисторы и изобретением накопителей на ферритовых сердечниках. Но это уже другая история…
Облачные серверы от Маклауд быстрые и надежные. Без древнего железа.
Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!