Принципи побудови ЕОМ першого покоління

Стан, при якому ЕОМ  здатна виконувати заданi функцiї, зберiгаючи  значення заданих параметрiв у межах, встановлених НТД, називають працездатним (працездатнiстю). Якщо значення хоча б одного параметра, що характеризує здатнiсть ЕОМ виконувати заданi функцiї, не вiдповiдає встановленим НТД вимогам, то ЕОМ знаходиться в непрацездатному станi (непрацездатнiсть ЕОМ). Порушення працездатностi ЕОМ називається вiдмовою (вiдмовленням).

Поняття несправностi, як правило, ширше поняття непрацездатностi, так що вiдмова може бути одиничним  випадком пошкодження. При цьому  пошкодження ЕОМ можна подiляти на несуттєвi, при яких працездатнiсть зберiгається (наприклад, вихiд з ладу iндикаторної лампочки, порушення декоративних покриття), i iстотнi, що є причиною порушення працездатностi. При оцiнках надiйностi ЕОМ враховуються тiльки iстотнi несправностi, тобто вiдмови. Однак вiдмови ЕОМ не обов'язково зв'язанi з їхнiми пошкодженнями. Так, наприклад, введення оператором ЕОМ помилкових даних або наявнiсть помилок у програмi ЕОМ можуть привести до одержання невiрних результатiв, тобто вiдмовi. При цьому сама ЕОМ пошкоджень не має.

Як i будь-яка складна  система, ЕОМ складається з бiльш  простих частин (елементiв), взаємодiючих мiж собою в процесi виконання  машинних операцiй, i її працездатнiсть  залежить вiд працездатностi елементiв. Змiст поняття елемента конкретизується i в кожному окремому випадку, в залежностi вiд глибини деталiзацiї дослiджуваної системи. Так, наприклад, деякий вузол ЕОМ може розглядатися стосовно блоку (пристрою) не тiльки як елемент, до складу якого вiн входить, але i як система, в свою чергу яка складається з елементiв: iнтегральних мiкросхем, резисторiв, роз’ємiв i iн. Тому з погляду надiйностi пiд елементом розумiють не обов'язково невiд’ємну частину ЕОМ чи логiчний елемент, але й взагалi будь-яку частину (вузол, блок, пристрiй i навiть ЕОМ у цiлому), надiйнiсть якого вивчається без розгляду надiйностi її власних складових частин. У тих випадках, коли поняття надiйностi однаково застосовнi i до деякої системи, i до її елементiв, зручно користатися загальним для них найменуванням — об'єкт.

 Покоління ЕОМ

Переходячи до оцінки і розгляду різних поколінь, необхідно  насамперед помітити, що оскільки процес створення комп'ютерів відбувався і  відбувається безупинно (у ньому  беруть участь багато розроблювачів  з багатьох країн, що мають справу з рішенням різних проблем), важко, а в деяких випадках і даремно, намагатися точно установити, коли те чи інше покоління чи починалося закінчувалося.

ЕОМ першого  покоління

У 40-х м.м. XX в. відразу  кілька груп дослідників повторили  спробу Бэббиджа на основі техніки ХХ в. - електоромеханічних реле. Деякі з цих дослідників нічого не чули про роботи Бэббиджа і перевідкрили його ідеї заново. Першим з них був німецький інженер Конрад Цузе, що у 1941 році побудував невелику машину на основі декількох електромеханічних реле. Але через війну роботи Цузе не були опубліковані. А в США в 1943 році на одному з підприємств фірми IBM американець Говард йкен створив більш могутню машину подназванием "Марко-1". Вона вже дозволяла проводити обчислення в сотні разів швидше, ніж за допомогою арифмометра і реально використовувалася для військових розрахунків.

Однак ці машини були ненадійними. Тому, починаючи з 1943 року в США, група  фахівців під керівництвом Джона  Мочли і Преспера Экерта початку  конструювати комп'ютер ENIAC на основі електронних ламп. Створений комп'ютер працював у тисячу разів швидше, ніж "Марко-1". Однак виявилося, що велику частину часу цей комп'ютер простоював - адже для завдання методів розрахунків (програм) у цьому комп'ютері приходилося  протягом декількох чи годин навіть днів приєднувати потрібним образом проводу. А сам розрахунок міг зайняти після цього кілька хвилин. [3]

Проекти і реалізація машин '' Марко - 1 '', EDSAC і EDVAC в Англії і США, МЭСМ у СРСР заклали основу для розгортання  робіт зі створення ЕОМ вакуумноламповой технології - серійних ЕОМ першого покоління.

Розробка першої електронної серійної машини UNIVAC (Universal Automatic Computer) почата приблизно  в 1947 р. Еккертом і Мочлі, що заснували  в грудні того ж року фірму ECKERT-MAUCHLI. Перший зразок машини (UNIVAC-1) був побудований для бюро перепису США і пущений в експлуатацію навесні 1951 р. Синхронна, послідовного дії обчислювальна машина UNIVAC-1 створена на базі ЕОМ ENIAC і EDVAC. Працювала вона з тактовою частотою 2,25 Мгц і містила близько 5000 електронних ламп. Внутрішній запам'ятовуючий пристрій, ємкістю 1000 12 -розрядних десяткових чисел було виконано на 100 ртутних лініях затримки.

Незабаром після введення в експлуатацію машини UNVIAC-1 її розроблювачі висунули ідею автоматичного програмування. Вона зводилася до того, щоб машина сама могла підготовляти таку послідовність команд, що потрібна для рішення даної задачі.

П'ятидесяті роки - роки розквіту комп'ютерної  техніки, роки значних досягнень  і нововведень, як в архітектурному, так і в науково - технічному відношенні. Відмінні риси в архітектурі сучасної ЕОМ у порівнянні з неймановской архітектурою вперше з'явилися в ЕОМ першого покоління.

Сильним стримуючим фактором у роботі конструкторів ЕОМ початку 50-х  р.р. була відсутність швидкодіючої пам'яті. За словами одного з піонерів обчислювальної техніки - Д. Еккерта, "архітектура машини визначається пам'яттю". Дослідники зосередили свої зусилля на запам'ятовуючих властивостях ферритовых кілець, нанизаних на дротові матриці.

У 1951 р. у 22 - м томі "Journal of  Applid Phisics" Дж. Форрестер опублікував статті про застосування магнітних сердечників для збереження цифрової інформації. У машині "Whirlwind-1" уперше була застосована пам'ять на магніт. Вона являла собою 2 куби з 32 32 17 сердечниками, що забезпечували збереження 2048 слів для 16-розрядних двоичных чисел з одним розрядом контролю на парність.

У розробку електронних комп'ютерів уключилася фірма IBM. У 1952 р. вона випустила  свій перший промисловий електронний комп'ютер IBM 701, що являв собою синхронну ЕОМ рівнобіжної дії, що містить 4000 електронних ламп і 12000 германиевых діодів. Удосконалений варіант машини IBM 704 відрізнялася високою швидкістю роботи, у ній використовувалися індексні регістри і дані представлялися у формі з плваючою крапкою.

Після ЕОМ IBM 704 була випущена машина IBM 709, що в архітектурному плані наближалася  до машин другого і третього поколінь. У цій машині вперше була застосована  непряма адресація і вперше з'явилися  канали введення-висновку.

У 1956 р. фірмою IBM були розроблені магнітні голівки, що плавають, на повітряній подушці. Винахід їх дозволило створити новий  тип пам'яті - дискові ЗУ, значимість яких була повною мірою оцінена в  наступні десятиліття розвитку обчислювальної техніки. Перші ЗУ на дисках з'явилися в машинах  IBM 305 і RAMAC. Остання мала пакет, що складався з 50 металевих дисків з магнітним покриттям, що оберталися зі швидкістю 12000 про/хв. На поверхні диска розміщалося 100 доріжок для запису даних, по 10000 знаків кожна.

Слідом за першим серійним комп'ютером UNIVAC-1 фірма Remington-Rand у 1952 р. випустила  ЕОМ UNIVAC-1103, що працювала в 50 разів  швидше. Пізніше в комп'ютері UNIVAC-1103 уперше були застосовані програмні  переривання.

Співробітники фірми Remington-Rand використовували алгебраїчну форму запису алгоритмів за назвою "Short Cocle" (перший інтерпретатор, створений у 1949 р. Джоном Мочлі). Крім того, необхідно відзначити офіцера ВМФ США і керівника групи програмістів, у той час капітана (надалі єдина жінка у ВМФ - адмірал) Грейс Хопер, що розробила першу програму - компілятор ПРО. (До речі, термін "компілятор" уперше ввела Г. Хопер у 1951 р.). Ця програма, що компілює, робила трансляцію на машинну мову всієї програми, записаної в зручній для обробки алгебраїчній формі.

Щоб спростити й пошвидшити процес завдання програм, Мочлі і Екерт  стали конструювати новий комп'ютер, що міг би зберігати програму у  своїй пам'яті. У 1945 р. до роботи був  притягнутий знаменитий математик  Джон фон Нейман, що підготував доповідь про цей комп'ютер. Доповідь була розіслана многим вченим і одержала широку популярність, оскільки в ньому фон Нейман ясно і просто сформулював загальні принципи функціонування комп'ютера. І дотепер переважна більшість комп'ютерів зроблена відповідно до тих принципів, що він запропонував.

 Перший комп'ютер, у якому  втілені принципи фон Неймана,  був побудований у 1949 р. англійським  ученим Морісом Уилксом.

Свою ідею мікропрограмування М.Уилкс  реалізував у 1957 р. при створенні  машини EDSAC-2. М. Уилкс разом з Д. Уиллером і С. Гиллом у 1951 р. написали перший підручник по програмуванню "Складання програм для електронних рахункових машин" (російський переклад- 1953 р.).

У 1951 р. фірмою Ferranti початий  серійний випуск машини "Марко-1". А через 5 років фірма Ferranti випустила  ЕОМ "Pegasus", у якій уперше знайшла  втілення концепція регістрів загального призначення (РЗП). З появою РЗП усунуте  розходження між індексними регістрами й акумуляторами, і в розпорядженні програміста виявився не один, а кілька регістрів-акумуляторів.

У нашій країні в 1948 р. проблеми розвитку обчислювальної техніки  стають загальнодержавною задачею. Розгорнулися роботи зі створення серійних ЕОМ першого покоління.

Основним активним елементом  ЕОМ першого покоління є електронна лампа. Машини вітчизняного виробництва: ВЕРМ-1 (Велика Електронно-Рахункова  Машина), ВЕРМ-2, "Стріла", "Урал-1", "Урал-2", "Урал-4", М-1, М-3, М-20. Ці машини дуже громіздкі, споживають велику кількість енергії, мають невисоку надійність і слабке програмне забезпечення.

Швидкодія цих машин  не перевищувало 10 тис. операцій у секунду. Ємність оперативної пам'яті - 4Кб машинних слів. Але зате уже вони продемонстрували широкі можливості вычилительных робіт в області комічних досліджень, ядерної фізики і т.д.

У 1950 р. в Інституті  точної механіки й обчислювальної техніки (ИТМ і ОТ) організований відділ цифрових ЕОМ для розробки і створення  великий ЕОМ. У 1951 р. тут була спроектована машина ВЕРМ (Велика Електронна Рахункова Машина), а в 1952 р. почалася її досвідчена експлуатація.

З цього часу і почався  дуже енергійний розвиток обчислювальної техніки. Лампові машини не відрізнялися високою надійністю - щодня перегоряло 20-30 ламп (з декількох десятків тисяч). Крім того, вони споживали багато енергії і займали площу приблизно з баскетбольну площадку.

У проекті спочатку передбачалося  застосувати пам'ять на трубках  Вільямса, але до 1955 р. як елементи пам'яті  в ній використовувалися ртутні лінії затримки. По тим часам ВЕРМ була дуже продуктивною машиною - 800 оп/с. Вона мала трехадресную систему команд, а для спрощення програмування широко застосовувався метод стандартних програм, що надалі поклав початок модульному програмуванню, пакетам прикладних програм. Серійно машина стала випускатися в 1956 р. за назвою ВЕРМ-2.

У цей же період у КБ, керованому М.А.Лесечко, почалося проектування інший ЕОМ, що одержало назву "Стріла". Освоювати серійне виробництво  цієї машини було доручено московському заводу САМ. Головним конструктором став Ю. А.Базилевский, а одним з його помічників - Б.И.Рамеєв, надалі конструктор серії "Урал". Проблеми серійного виробництва визначили деякі особливості "Стріли": невисоке в порівнянні з ВЕРМ швидкодія, просторий монтаж і т.д. У машині як зовнішню пам'ять застосовувалися 45-дорожечные  магнітні стрічки, а оперативна пам'ять - на трубках Вільямса. "Стріла" мала велику розрядність і зручну систему команд.

Перша ЕОМ "Стріла" була встановлена у відділенні прикладної математики  Математичного інституту АН (МІАН), а наприкінці 1953 р. почалося серійне її виробництво.

У лабораторії электросхем  енергетичного інституту під  керівництвом И.С.Брука в 1951 р. побудували макет невеликий ЕОМ першого  покоління за назвою М-1.

У наступному році тут була створена обчислювальна машина М-2, що поклала початок створенню економічних машин середнього класу. Одним з ведучих розроблювачів даної машини був М.А.Карцев, внесший згодом великий внесок у розвиток вітчизняної обчислювальної техніки. У машині М-2 використовувалися 1879 ламп, менше, ніж у "Стрілі", а середня продуктивність складала 2000 оп/с. Були задіяні 3 типи пам'яті: електростатична на 34-х трубках Вільямса, на магнітному барабані і на магнітній стрічці з використанням звичайного для того часу магнітофона МАГ-8.

У 1955-1956 р.м. колектив лабораторії  випустив малу ЕОМ М-3 зі швидкодією 30 оп/з  і оперативною пам'яттю на магнітному барабані. Особливість  М-3 полягала в тім, що для центрального пристрою керування був використаний асинхронний принцип роботи. Необхідно відзначити, що в 1956 р. колектив И. С. Брука виділився зі складу енергетичного інституту й утворив Лабораторію керуючих машин і систем, що стала згодом Інститутом електронних керуючих машин (ІНЕКМ).

Архітектура класичної ЕОМ. Принципи фон Неймана

В 1945 році відомий американський  математик Дж. фон Нейман сформулював  основні принципи побудови програмно-керованих  ЕОМ, котрі в подальшому доповнювалися  та уточнювались:

- програмного керування,  який полягає в тому, що ЕОМ  може автоматично проводити перетворення вихідних даних у відповідністю із заданою програмою;

- умовного переходу, що  придає гнучкість та універсальність  програмам за рахунок забезпечення  можливості переходу в процесі  вирішення задачі на ту чи  іншу ділянку програми в залежності від результатів проміжних обчислень або вхідних даних;

- збереженої програми, котрий полягає в тому, що її  розміщують в запам’ятовуючий  пристрій ЕОМ;

- довільного доступу  до елементів пам’яті;

- використання двійкової  системи числення;

- багаторівневої ієрархічної  пам’яті.

Ці принципи актуальні  і для сучасних ЕОМ, але створення  нових поколінь та сімейств машин  доповнює та уточнює їх.

В ЕОМ, починаючи з  третього покоління (див. далі покоління комп’ютерів), додатково застосовуються наступні принципи:

- мультипрограмування  – сумісного виконання різних  команд однієї і тієї ж або  різних, незалежних одна від одної,  програм, котрі зберігаються в  оперативній пам’яті;