|
 Первое поколение компьютеров создавалось на электронных лампах в период с 1944 по 1954 гг. Это время становления архитектуры компьютеров фон-Неймановского типа, разработки и совершенствования структуры компьютеров, совершенствования программного обеспечения, развития методов и языков программирования.
![]() 
Элементы вычислительных устройств первого поколения
Трехэлектродная электродная лампа была изобретена в 1906г. Лидом Фостером.
В 1918 году русским ученым М.А.Бонч-Бруевичем был изобретен триггер, электронное устройство, имеющее два состояния и переключающееся из одного состояния в другое под действием электрических сигналов. Это позволило заменить механические реле электронными.
Создать электронный компьютер, в принципе, можно было уже в 1919 году, но понадобились годы развития ламповой электроники, развития схемотехники, прежде чем ламповые электронные схемы были применены в компьютерах. Первые электронные счетчики были созданы в тридцатые годы 20-го столетия для счета заряженных частиц в экспериментах по ядерной физике. Механические счетчики не справлялись с этой работой из-за низкой скорости счета. Выполнены были первые электронные счетчики на газоразрядных лампах.
В 1930 году в Англии Вилли Вильямс разработал электронные счетчики на тиратронах (газоразрядных трехэлектродных лампах). К началу сороковых годов получили широкое развитие радиотехника, телевидение и радиолокация, электронная контрольно-измерительная техника. Был накоплен опыт в проектировании электронных схем и появилась возможность применения электронных приборов в вычислительных устройствах.
В 1950 году Алан М.Тьюринг, один из основоположников компьютерной технологии, задался вопросом, сможет ли когда-нибудь машина мыслить. Он предложил рассмотреть обычную цифровую вычислительную машину и поставил вопрос так: можно ли, увеличив объем ее памяти и быстродействие, а также снабдив ее нужной программой, добиться того, чтобы она могла выступать в роли человека? Вот его ответ:"Я полагаю, что вопрос "Могут ли машины мыслить?" лишен смысла и поэтому не заслуживает обсуждения. Тем не
менее я уверен, что к концу нынешнего столетия и в значениях тех слов, которыми мы пользуемся, и в мировоззрении образованного человека произойдут такие перемены, что можно будет говорить о думающих машинах, не встречая возражений" (Алан Тьюринг,1950).
Для реализации принципа хранимой программы в компьютерах первого поколения необходимо было наличие быстродействующей и емкой памяти, поэтому каждое достижение в области создания запоминающих элементов, каждая возможность наладить изготовление запоминающего устройства нового типа приводили (и приводят) к новому скачку в повышении производительности вычислительной системы. В компьютерах первого поколения эти изменения связаны с использованием сначала электронно-лучевых трубок как
элементов памяти, затем заменой их памятью на ферритовых сердечниках.
В США первые компьютеры с хранимой программой были введены в эксплуатацию в 1950 году.
Компьютер SEAC.
В мае началась эксплуатация компьютера SEAC. Компьютер был разработан лабораторией электронных вычислительных машин Национального бюро стандартов. Компьютер имел арифметическое устройство последовательного действия, двоичные числа имели 45 разрядов, частота синхроимпульсов составляла 1МГц. SEAC был одним из первых компьютеров, в котором использовались полупроводниковые диоды. Для его построения было использовано 750 электронных ламп и 10500 германиевых диодов. Запоминающее устройство на 64
ртутных линиях задержки позволяло записать 512 чисел по 45 разрядов. Для ввода данных использовалась клавиатура, для вывода - телетайпное печатающее устройство и устройство ввода и вывода на перфоленту. В дальнейшем компьютер был усовершенствован. Вдвое была увеличена память на ртутных линиях задержки и добавлен блок памяти на трубках Вильямса (1024 числа). Ввод и вывод производился на электрические пишущие маши
и, управляемые перфолентой. Этот компьютер содержал уже 2300 ламп и 24000 диодов. еще в 1962 году компьютер успешно эксплуатировался в Национальном бюро стандартов США. В компьютере SEAC впервые были применены динамические триггеры.
Почти одновременно был введен в эксплуатацию компьютер BINAC, разработанный по проекту Дж.Эккерта и Дж.Моучли. Целью проекта было создание компьютера с высокой надежностью вычислений путем дублирования внутренних устройств. Блоки компьютера параллельно осуществляли вычисления, проверка правильности осуществлялась сравнением результатов. Это был компьютер последовательного действия с одноразрядными сумматорами комбинационного типа и памятью на ртутных линиях задержки. Его отличительной
особенностью была высокая тактовая частота (4МГц.)
Значительное влияние на развитие вычислительной техники оказал компьютер IAS (1952г.), созданный под руководством Дж.Неймана в Принстонском институте перспективных исследований по заказу управления вооружения армии США.
Компьютер IAS
В IAS был впервые реализован принцип асинхронного управления. При этом время выполнения одной операции определяется только временем, затрачиваемым устройством на ее реализацию, а не определяется длительностью такта, которая устанавливается по времени выполнения самой длительной операции, как в синхронных устройствах управления. В результате возрастает скорость выполнения операций в компьютере.
Клон компьютера IAS,
получивший название AVIDAC
Наряду с асинхронным принципом работы в компьютере IAS применены арифметическое и запоминающее устройства параллельного типа. Все это обеспечило рекордно высокую скорость вычислений. Компьютер оперировал с 40-разрядными двоичными числами. Операция сложения выполнялась за 52мксек., умножения за 790-990мксек. Компьютер отличался компактной и экономичной конструкцией, в нем использовалось всего 2300 электронных ламп (в основном двойных триодов).
В 1951 году в Англии появились первые серийные компьютеры Ferranti Mark-1 и LEO-1. А через 5 лет фирма Ferranti выпустила ЭВМ Pegasus, в которой впервые нашла воплощение концепция регистров общего назначения.
Компьютер LEO-1
В том же 1951 году офицер ВМФ США и руководитель группы программистов, в то время капитан (в дальнейшем единственная женщина в ВМФ - адмирал) Грейс Хоппер разработала первую транслирующую программу, которую она назвала компилятором (фирма Remington Rand). Эта программа производила трансляцию на машинный язык всей программы, записанной в удобной для обработки алгебраической форме.
К передовым вычислительным машинам первого поколения можно отнести компьютер Массачусетского технологического института - Whirlwind1, в котором впервые была использована память на магнитных сердечниках и компьютер ATLAS Манчестерского университета. В этих компьютерах выполняемая программа уже хранилась в памяти и, в отличие от EDVAC, обработка данных производилась не последовательно по одному двоичному разряду, а параллельно во всех разрядах машинного слова. В компьютере ATLAS впервые была
предпринята попытка использования одноуровневой памяти, по существу "виртуальной памяти" и индексных регистров для более простой адресации.
В 1945 году в лаборатории сервомеханизмов Массачузетского технологического института(Кембридж, штат Мериленд) были начаты работы по применению вычислительной техники для моделирования работы самолетов. К 1947 году был создан проект компьютера Whirlwind, а в марте 1951 года компьютер был введен в эксплуатацию.
Компьютер Whirlwind1
(Вихрь)
В 1951 году Джей Форрестер запатентовал запоминающее устройство на магнитных сердечниках. Впервые такая память применена в компьютере Whirlwind-1 (Вихрь).
В Whirlwind1 впервые была применена не только память на магнитных сердечниках, но и, тоже впервые, была использована универсальная шина. При помощи универсальной шины связи между различными устройствами компьютера осуществляются более просто и надежно. В качестве систем ввода-вывода использовались два устройства: электронно-лучевая трубка Вильямса и пишущая маши
а с перфолентой (флексорайтер).
Whirlwind
Одной из основных целей проекта было создание компьютера с максимально высоким быстродействием. Здесь был частично применен асинхронный принцип управления, что позволило достичь высокого быстродействия (20 тысяч операций в секунду) при сравнительно небольшой разрядности чисел (16 двоичных разрядов). Вначале память была выполнена на электронно лучевых трубках новой конструкции в запоминающем устройстве. В отличии от ранее использовавшихся трубок Вильямса, лучевые трубки Дж.Форрестера и А.Хэфа
не требовали периодической регенерации электростатического заряда, в них использовался поддерживающий луч дополнительной электронно-лучевой пушки. Емкость запоминающего устройства составляла 1024 числа. Однако, в процессе эксплуатации запоминающее устройство было заменено памятью на магнитных сердечниках.
Запоминающее устройство
на магнитных сердечниках компьютера Whirlwind
Конструктивно память состояла из двух кубов, каждый из которых содержал 32х32х17 сердечников. Емкость каждого куба составляла 1024 числа, каждое слово было 17 разрядным, один разряд использовался для контроля правильности при записи и считывнии по контролю четности. Оперативная память на магнитных сердечниках была разработана Дж.Форрестером и У.Папяном и нашла в дальнейшем широкое применение в вычислительной технике.
В 1951 году Джон Моучли и Дж. Преспер Эккерт создали универсальный автоматический компьютер UNIVAC (Universal Automatic Computer). Он мог хранить в памяти 1000 слов, 12000 цифр со временем доступа 400 мкс. На магнитной ленте могло храниться 120000 слов и 1440000 цифр. Устройства ввода/вывода работали с носителями на магнитных лентах и перфокартах. Операции сложения выполнялись за 120 мкс., умножения за 1800 мкс., деления за 3600 мкс.
Компьютер UNIVAC
Это был первый серийный компьютер с хранимой программой, проект разрабатывался с 1947 года и до 1951 года было создано пять экземпляров компьютеров. Всего было выпущено 48 таких компьютеров. Разработкой занималась небольшая фирма "Эккерт-Моучли Компьютер", основанная в 1947 году. В 1950 году эта фирма влилась в крупную фирму конторского машиностроения "Ремингтон Рэнд", которая и организовала серийный выпуск компьютеров.
Пульт управления компьютера UNIVAC
UNIVAC предназначался для обработки больших массивов комерческой информации. Первый образец машины UNIVAC-1 был построен для бюро переписи США. Одним из внушительных достижений компьютера UNIVAC было предсказание победы на президентских выборах 1952 года Д. Эйзенхауэра.
Синхронный, последовательного действия компьютер UNIVAC-1 повторял структуру компьютеров ENIAC и EDVAC. Работал компьютер на тактовой частоте 2,25 МГц и содержал около 5000 электронных ламп. Внутреннее запоминающее устройство имело емкость 1000 12-разрядных десятичных чисел и было выполнено на 100 ртутных линиях задержки. Этот компьютер интересен тем, что он был нацелен на сравнительно массовое производство без изменения архитектуры и особое внимание было уделено периферийной части (средствам ввода-вывода).
Компьютер работал не в двоичной, а в двоично-кодированной системе счисления. Для представления информации использовался семиразрядный двоичный код. Шесть разрядов служили для кодирования десятичных цифр, букв английского алфавита, а один разряд предназначался для контроля на четность. Выбор системы кодирования определялся характером информации и небольшим количеством операций над данными. Машинное слово состояло из 11 семиразрядных кодов и одного разряда, отведенного под знак числа. Это
был первый компьютер с системой контроля правильности передачи и обработки информации. Для контроля правильности выполнения операций дублировались отдельные схемы (счетчик команд, регистр арифметического устройства и др.) и результат выполнения операций в задублированных схемах проверялся путем сравнения. Последовательный принцип работы позволял использовать дублирование без больших затрат оборудования. Коммерческий успех UNIVAC оказал влияние на техническую политику ведущих зарубежных
фирм, приступивших к серийному выпуску компьютеров.
В июне 1951 года в Великобритании на конференции в Манчестерском университете Морис Уилкс представил доклад "Наилучший метод конструирования автоматической машины", который стал пионерской работой по основам микропрограммирования. Свою идею микро программирования Морис Уилкс реализовал лишь в 1957 году при создании машины EDSAC2.
М.Уилкс совместно с Д.Уиллером и С.Гиллом в 1951 году написали первый учебник по программированию "Составление программ для электронных счетных машин" (русский перевод был сделан в 1953 году).
В 1952 году (в том же году, что и EDVAC) была создана первая российская ЭВМ общего назначения семейства БЭСМ (большая электронная счетная машина), разработанная Институтом точной механики и вычислительной техники Академии наук СССР, ориентированная на решение сложных задач науки и техники.
Большая электронная счетная машина БЭСМ
В этой трехадресной машине параллельного действия на электронных лампах (4000 ламп) была использована двоичная система счисления с плавающей точкой. По структуре, конструкции и характеристикам машина стояла на уровне лучших зарубежных компьютеров, "БЭСМ" оперировала с 39-разрядными данными со средней скоростью 10 тысяч операций в секунду. Вначале в ней использовалось оперативное запоминающее устройство на электронно-акустических линиях задержки, замененное в дальнейшем устройством на
электронно-лучевых трубках, а затем на ферритовых сердечниках, емкостью 1024 слова с произвольной выборкой. Внешнее запоминающее устройство было реализовано на двух магиитных барабанах по 5120 слов (скорость считывания с барабана - 800 чисел в 1 секунду) и магнитной ленте (120 тысяч чисел). В качестве устройств ввода использовалась перфолента, для вывода - магнитная лента с последующим печатанием на специально разработанном быстродействующем фотопечатающем устройстве, применяемом для выдачи больших
массивов данных. Кроме того, имелось электромеханическое печатающее устройство для печати контрольных значений и результатов в случае их малого количества по сравнению с объемом вычислений (скорость работы - 20 чисел в секунду).
Интересными особенностями структуры машины было введение местного управления операциями, выходящими по времени за рамки стандартного цикла, а также автономное управление при переходе на подпрограммы. Машина содержала долговременное запоминающее устройство для подпрограмм, часть которого была сменной. Для контроля применялись как серия тестов, так и специально разработанные методы логического контроля.
Созданная в том же году, что и EDVAC, БЭСМ превосходила EDVAC по многим параметрам. В БЭСМ были осуществлены решения, вошедшие в практику построения компьютеров только через несколько лет. Например, чтобы уменьшить диспропорцию между быстродействием вычислений и медленным выводом результатов на печать, было разработано устройство, дешифрирующее запись на магнитной ленте с отображением десятичных цифр результата на неоновых лампах. Вывод данных осуществлялся фотографированием результата.
Скорость выдачи данных с использованием магнитной ленты намного возрастала. Арифметико-логическое устройство БЭСМ, выполненное на ламповых логических схемах, обладало рекордным быстродействием (10000 оп/сек.), которое могло быть реализовано только при переходе к технологиям памяти, позволявшим параллельное считывание всех разрядов слова. Доводка и совершенствование БЭСМ продолжалось пока в 1955 году не была создана серийная конструкция БЭСМ1.
Несколько позднее было создано специализированное конструкторское бюро - СКБ-245 Министерства машиностроения и приборостроения под руководством Ю. Я. Базилевского и Б. И. Рамеева для конструирования серийной ЭВМ. В 1953г. ЭВМ "Стрела" была принята Государственной комиссией в эксплуатацию, а в 1954г. начался серийный выпуск ЭВМ. Серия оказалась очень маленькой: всего за четыре года было выпущено семь машин. Одна из машин проработала 15 лет в Энергетическом институте АН СССР.
![]()
ЭВМ "Стрела"
В ЭВМ "Стрела" осуществлялось параллельное представление десятиразрядных чисел с плавающей запятой в диапазоне 10±19. Структура команд была трехадресной. Арифметическое устройство с полным составом арифметических и логических операций (15 видов). Разрядность составляла 43 двоичных разряда. Внутреннее оперативное запоминающее устройство емкостью до 2048 слов было построено на 43 специальных запоминающих электронно-лучевых трубках. Внешнее запоминающее устройство (на магнитной ленте емкостью 200 тысяч слов) состояло из двух блоков. Постоянное запоминающее устройство со сменными коммутируемыми
ячейками хранило 16 стандартных программ и 256 констант. Ввод информации в машину осуществлялся с массивов перфокарт и с магнитной ленты, вывод - на магнитную ленту, перфоратор карт и широкоформатное печатающее устройство. Арифметическое устройство высокой надежности было построено на большой диодной трехвходовой матрице. На два входа матрицы подавались операнды, на третий вход - код операции, на выходной шине матрицы автоматически устанавливался код результата.
Построенная на 6000 электронных лампах, ЭВМ "Стрела" имела среднюю производительность вычислений 2 тысячи трехадресных операций с плавающей точкой в секунду, полезное машинное время работы доходило до 18 часов в сутки. "Стрела" отличалась гибкой системой программирования. Различные виды групповых арифметических и логических операций, условные переходы и сменяемые стандартные программы, а также системы контрольных тестов и организующих программ позволяли создавать библиотеки
эффективных программ различного направления, осуществлять автоматизацию программирования и решение широкого круга математических задач.
Компьютер IBM 701
В 1953 году появился первый компьютер фирмы IBM - IBM 701 - синхронный, параллельного действия, содержащий 4000 электронных ламп и 1200 германиевых диодов. Объем оперативной памяти составлял 2048 слов. Время сложения составляло 84 мкс., умножения - 204 мкс., деления - 216 мкс. В 1954 году 18 компьютеров были поставлены главному заказчику - американскому правительству, из них три были поставлены в атомные лаборатории, восемь в авиакомпании, три в большие корпорации, две в правительственные агентства и две на флот. В
начале 1955 года еще одна машина была направлена в американское бюро погоды.
В 1955 году был выпущен ламповый компьютер IBM 704 c отличительными чертами компьютера второго поколения, он имел индексный регистр, аппаратные средства для выполнения операций с плавающей запятой и первый вариант операционной системы. Параллельно с развитием структуры компьютера развивается программное обеспечение в виде пакетов стандартных прикладных программ.
Один из 4000 логических модулей компьютера IBM 704
В этом же году фирма Remington Rang выпустила компьютер UNIVAC-1103, который работал в 50 раз быстрее UNIVAC-1. Позже в UNIVAC-1103 впервые были применены программные прерывания.
Применение электронных ламп позволило повысить скорость вычислений уже в первых несовершенных моделях на три прядка по сравнению с автоматическими релейными машинами, а в более совершенных на четыре порядка. На первых порах программирование заключалось в составлении программ на языке машины, использовались методы программирования в символических обозначениях. Программа в последних ламповых компьютерах составлялась уже не на машинном языке, а на языке Ассемблера. С 1954 года вводится язык
программирования ФОРТРАН. Применялась память на магнитных сердечниках, вытеснившая в дальнейшем запоминающие устройства на электронно-лучевых трубках и ртутных ультразвуковых линиях задержки. Были введены индексные регистры, и команды установки заданного значения индексного регистра, и
ремента и декремента, позволившие значительно упростить процесс программирования и длину программ. В командах можно было указывать адрес операнда непосредственно или использовать команды, формирующие адрес при помощи индексного регистра. В большинстве машин первого поколения индексный регистр отсутствовал. Компьютеры первого поколения создавались как универсальные и применялись, в основном, для решения научно-технических задач, но не имели еще системного программного обеспечения.
Типичные представители ЭВМ первого поколения среди отечественных - МЭСМ, Минск1, Урал1, Урал2, Урал4, М1, М3, БЭСМ2, Стрела и др. Они были значительных размеров, потребляли большую мощность, имели невысокую надежность работы и слабое программное обеспечение. Быстродействие их не превышало 2-3 тыс. операций в секунду, емкость оперативной памяти - 2048 машинных слов, длина слова - 48 разрядов.
Урал1
Этот период явился началом коммерческого применения электронных вычислительных машин для обработки данных. В вычислительных машинах этого времени использовались электровакуумные лампы и внешняя память на магнитном барабане. Они были опутаны проводами и имели время доступа 1х10-3с. Производственные системы и компиляторы пока не появились. В конце этого периода стали выпускаться устройства памяти на
магнитных сердечниках. Надежность ЭВМ первого поколения была еще крайне низкой.
Характеризуя период первого поколения, необходимо отметить, что чисто ламповыми были только первые компьютеры этого периода. Примерно с 1950 года начинается замена ламповых диодов полупроводниковыми. Компьютер SEAC (США, 1950г.) был одним из первых компьютеров, в котором использовались полупроводниковые диоды.
Источники информации:
1. И.А.Апокин, Л.Е.Майстров. Развитие вычислительных машин.- М., Наука,
1974.- 399с.
2. http://www.computerhistory.org/timeline/topics/computers.page
Timeline of Computer History
3. http://www.computer50.org/kgill/atlas/atlasbook.html
The Atlas.
4. http://www.computerhistory.org/timeline
История вычислительной техники от 1945 до 1990гг.
|
