на чем работали первые эвм
История ЭВМ: от перфокарт до персональных компьютеров
Ровно 33 года назад, 12 августа 1981 года, на свет появился первый массовый персональный компьютер IBM PC, который со временем стали называть просто PC (ПК). То, что для нас уже давно стало привычным делом, в то время было настоящей революцией. M24.ru выделило основные этапы развития электронно-вычислительных машин.
Электронные вычислительные машины того времени представляли из себя массивные конструкции весом в несколько тонн. Каждый новый этап развития ЭВМ был связан не только с техническим прогрессом, но и с программным. Взять хотя бы Windows, который пришел на смену «бездушному» DOS.
Именно IBM, годом основания которой считается 1889 год, внесла огромный вклад в развитие компьютерной техники. Ее прародительница, корпорация CTR (Computing Tabulating Recording) включала в себя сразу три компании и выпускала самое различное электрическое оборудование: весы, сырорезки, приборы учета времени. После смены директора в 1914 году компания начала специализироваться на создании табуляционных машин (для обработки информации). Спустя 10 лет CTR поменяло свое название на International Business Machines или IBM.
M24.ru выделило основные этапы развития ЭВМ и их основных представителей, давших толчок к развитию современных компьютеров.
При этом история компьютеров IBM началась спустя более полувека, в 1941 году, когда был разработан и создан первый программируемый компьютер «Марк 1» весом порядка 4,5 тонн, 17 метров в длину, 2,5 метра – в высоту. Президент IBM вложил в него 500 тысяч долларов. Впервые «Марк 1» был запущен в Гарвардском университете в 1944 году. Чтобы понять, насколько сложна была конструкция машины, достаточно сказать, что общая длина проводов составила 800 км. При этом компьютер осуществлял три операции сложения и вычитания в секунду.
Первое поколение ЭВМ
Первая ЭВМ, основанная на ламповых усилителях, под названием «Эниак» была создана в США в 1946 году. По размерам она была больше, чем «Марк 1»: 26 метров в длину, 6 метров в высоту, а ее вес составлял около 30 тонн. При этом по производительности «Эниак» в 1000 раз превышала «МАРК-1», а на ее создание ушло почти 500 тысяч долларов. Но у нее были существенные недостатки: очень мало памяти для хранения данных и долгое время перепрограммирования – от нескольких часов и до нескольких дней.
Кстати, среди создателей «Эниак» был ученый Джон фон Нейман, предложивший архитектуру ЭВМ, заложенную в компьютерах с конца 1940-х до середины 1950-х годов. Именно он осуществил переход к двоичной системе счисления и хранению полученной информации.
Второе поколение ЭВМ
Второе поколение ЭВМ использовало в своей основе транзисторы, созданные в 1947 году. Это была очередная революция, в результате которой существенно уменьшились размеры и энергопотребление компьютеров, так как сами биполярные транзисторы в разы меньше вакуумных ламп.
В 1959 году появились первые компьютеры IBM на транзисторах. Они были надежны, и ВВС США стали использовать их в системе раннего оповещения ПВО. А в 1960 году IBM разработала мощную систему Stretch или «IBM-7030». Она была и вправду сильна – создатели добились 100-кратного увеличения быстродействия. В течение трех лет он был самым быстрым компьютером в мире. Однако со временем IBM уменьшила его стоимость, а вскоре и вовсе сняла с производства.
Третье поколение ЭВМ
Третье поколение компьютеров связано с использованием интегральных схем (в которых используется от десятков до сотен миллионов транзисторов), впервые изготовленных в 1960 году американцем Робертом Нойсом.
В 1964 году IBM объявила о начале работы над целой линейкой IBM System/360.
Четвертое поколение ЭВМ
Четвертое поколение связано с использованием микропроцессоров. Первый такой микропроцессор под названием «Intel-4004» был создан в 1971 году компанией Intel, до сих пор остающейся в лидерах. Спустя 10 лет IBM выпустила первый персональный компьютер, который так и назывался IBM PC. Самая дорогая конфигурация стоила 3000 долларов и предназначалась для бизнеса, а конфигурация за 1500 долларов – для дома.
Интересно, что разработкой компьютера занимались всего четыре человека. Причем IBM не запатентовала ни операционную систему DOS, ни BIOS, что породило огромное количество клонов. Уже в 1996 году IBM уступило первое место по продажам ПК на ею же основанном рынке.
Несмотря на то, что современные гаджеты сильно отличаются по характеристикам от своего предшественника, все они относятся к тому же поколению ЭВМ.
Основные толчки для развития компьютеров дала наука (появление ламп, а затем транзисторов). В настоящее время распространяется ввод информации с голоса, общения с машиной на человеческом языке (приложение Siri в iPhone) и активная работа над роботами. Основное мнение, что будущее – за квантовыми компьютерами, которые будут использовать в своей основе молекулы и нейрокомпьютерами, использующими центральную нервную систему человека и непосредственно его мозг. Однако для того, чтобы эти технологии появились, необходимо досконально изучить эти системы.
На чем работали первые эвм
Первая ЭВМ — универсальная машина на электронных лампах построена в США в 1945 году.
Эта машина называлась ENIAC (расшифровывается так: электронный цифровой интегратор и вычислитель). Конструкторами ENIAC были Дж.Моучли и Дж.Эккерт.
Скорость счета этой машины превосходила скорость релейных машин того времени в тысячу раз.
Первый электронный компьютер ENIAC программировался с помощью штеккерно-коммутационного способа, то есть программа строилась путем соединения проводниками отдельных блоков машины на коммутационной доске.
Эта сложная и утомительная процедура подготовки машины к работе делала ее неудобной в эксплуатации.
Основные идеи, по которым долгие годы развивалась вычислительная техника, были разработаны крупнейшим американским математиком Джоном фон Нейманом
В 1946 году в журнале «Nature» вышла статья Дж. фон Неймана, Г. Голдстайна и А. Беркса «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства».
В этой статье были изложены принципы устройства и работы ЭВМ. Главный из них — принцип хранимой в памяти программы, согласно которому данные и программа помещаются в общую память машины.
В 1949 году была построена первая ЭВМ с архитектурой Неймана — английская машина EDSAC.
Годом позже появилась американская ЭВМ EDVAC. Названные машины существовали в единственных экземплярах. Серийное производство ЭВМ началось в развитых странах мира в 50-х годах.
В нашей стране первая ЭВМ была создана в 1951 году. Называлась она МЭСМ — малая электронная счетная машина. Конструктором МЭСМ был Сергей Алексеевич Лебедев 
Под руководством С.А. Лебедева в 50-х годах были построены серийные ламповые ЭВМ БЭСМ-1 (большая электронная счетная машина), БЭСМ-2, М-20.
В то время эти машины были одними из лучших в мире.
В 60-х годах С.А. Лебедев руководил разработкой полупроводниковых ЭВМ БЭСМ-ЗМ, БЭСМ-4, М-220, М-222.
Выдающимся достижением того периода была машина БЭСМ-6. Это первая отечественная и одна из первых в мире ЭВМ с быстродействием 1 миллион операций в секунду. Последующие идеи и разработки С.А. Лебедева способствовали созданию более совершенных машин следующих поколений.
Электронно-вычислительная техника: с чего все началось
Персональный компьютер – то, без чего невозможно представить жизнь современного человека. Но не всегда подобные устройства присутствовали в реальности. Развитие таких устройств началось задолго до появления электричества.
В данной статье будет рассказано о том, каким образом компьютеры и другие «виртуальные машины» пришли в современность. Информация будет одинаково полезна и взрослым, и школьникам.
Вычислительная техника – определение
Сначала требуется понять, что собой представляет ЭВМ. Лишь в этом случае получится выбрать правильное направление в изучении истории.
Трактуется соответствующий термин совершенно по-разному. В широком смысле это – техустройства, включающие в свой состав:
Данные «компоненты» используются для обработки информации и различных процессов. Помогают описывать всевозможные явления. Проводят вычисления, включая математические.
В качестве вычислительной машины сегодня подразумевают компьютеры – персональные, ноутбуки или суперкомпьютеры. Современные технологии позволяют классифицировать все ЭВМ на разные категории.
Классификация электронно-вычислительных устройств
Каждый вычислительный прибор предлагает человеку те или иные возможности. Нынешнее развитие технологий и прогресса предусматривает разделение рассматриваемых машин на следующие области:
Это не самая полная классификация. Из года в год она расширяется. Но перечисленные «блоки» являются наиболее распространенными. Их считают основными.
Этапы развития
В истории развития ЭВМ принято выделять несколько ключевых этапов. К ним относят:
Это условное разделение по хронологическим принципам. Пока использовалась одна вычислительная машина, люди активно развивали другие подобные устройства.
С чего все началось
Вычислительная техника появилась задолго до современности. Все действия человека требовали проведения подсчетов. Пример – обмен, разделение добычи, формирование запасов для дальнейшей жизни.
Раньше наиболее распространенным способом подсчета случило использование собственных пальцев. Позже человек стал задействовать палки, узлы и камни. Но с развитием прогресса требовалось выполнение более сложных задач. Так людям приходилось придумывать различные приспособления, которые смогли бы посодействовать в реализации поставленных целей.
История сложилась так, что в странах были разные меры:
Конвертация из одной системы в другую требовали наличия определенных знаний и навыков. Этим занимались специально обученные лица. Их нередко вызывали из других стран. Так система вычисления потребовала изобретения первых машин вычислительного характера.
Ручной этап
Как только человечество стало нуждаться в вычислениях, оно начало активно использовать различные предметы для этого. И с течением времени изобретать спецустройства для подсчетов.
Изначально применялись палочки, пальцы, узелки и им подобные мелкие предметы. Первая «машина», которая облегчила вычисления – это специальная доска. Называется «абак». Появилась в 5-6 веках до нашей эры.
Здесь процесс вычисления осуществлялся за счет перемещения камешков и костей в углубления бронзовых досок. Они также могли изготавливаться из камня или слоновой кости. С течением времени «абак» получил несколько полосок и колонок. В Греции такое устройство появилось в 5 веке до Н. Э.. Японцы называли такую машину «серобян», а китайцы – «суанпан».
На Руси примерно в 15 веке появился «дощатый счет», который внешне напоминал нынешние счеты. А в 9 веке в Индии изобрели позиционную систему вычисления.
В начале 17 века Леонардо да Винчи смог создать 13-разрядное устройство для подсчетов сумм. Оно включало в себя десятизубные кольца. В основе были стержни, на которых крепились 2 зубчатых колесика. Они отличались по размеру друг от друга.
Механический этап
Эволюция ЭВМ напрямую зависела от развития человечества. В 17 веке математические подсчеты стали ключевыми в развитии истории. Это привело к изобретению новых устройств для расчетов. Но до компьютеров было еще далеко.
В 17 веке Паскаль смог сделать «суммирующую» машинку, которую назвали Паскалиной. Она умела:
А в 1670-80-х годах Лейбниц сконструировал счетную машину, которая умела выполнять все арифметические действия. За последующие 200 лет ученые изобрели несколько аналогичных «девайсов». Но все они не получили широкого распространения. Связано это с тем, что машины работали долго.
В СССР в 1879 году Чебышев изобрел счетную машину. Она справлялась с вычитанием и сложением многозначных чисел. Огромную популярность приобрел некий арифмометр. Его изобрел инженер из Питера Однер в 1874. Работала конструкция достаточно быстро.
Электромеханический этап
Активное развитие вычислительной техники началось именно в 19 веке. В 30-х годах 20-го столетия в свет в СССР вышел арифмометр, который приняли за совершенный. Назывался «Феликс». Использовались такие устройства до 1978 года.
Электромеханический этап в истории является не самым долгим. Он длился порядка 60 лет. Начинается с созданием первого в мире табулятора. Это устройство появилось, благодаря инженеру Гурману Холлериту. Произошло это в 1887 году. Машина включала в себя:
Девайс считывал и занимался сортировкой статистических записей, которые делались на перфокартах. Позже фирма Голлерита (Холлерита) стала основой IBM.
Ванновар Буш в 1930 году смог представить миру дифференциальный анализатор. Для его работы требовалось электричество, а для хранения информации не удавалось обходить без электронных ламп. Задействовалась машинка для проведения сложных математических подсчетов.
В 1936 году Алан Тьюринг разработал устройство, которое стало основой современных компьютеров. «Девайс» умел пошагово выполнять операции, запрограммированные во внутренней памяти.
Через год Джордж Стибиц (Америка) изобрел электромеханическое средство для выполнения двоичных сложений. В основе лежала булевая алгебра. Она стала неотъемлемой частью современных ЭВМ.
Начало компьютерной эры
Развитие электрических устройств и человечества требовало от населения создания разнообразных технологий, облегчающих жизнь. Вторая Мировая Война стала крайне важным моментом в рассматриваемом вопросе.
Конрад Цузе (Германия) в 1941 году создал первую вычислительную машину, которая управлялась программами. Она называется Z3. Основана на:
Машина работала в двоичной системе, а также оперировала числами с плавающей запятой. Но первое поколение компьютеров начинается с усовершенствованного устройства Цузе – Z4.
В 1942 году американцы создали ЭВМ на вакуумных трубках, а через год в Англии построили первую секретную и реально признанную электронно-вычислительную машину под названием «Колосс». Там было 2 000 электронных ламп для хранения и обработки данных.
Изначально «девайс» предназначался для взлома и расшифровки кодов секретных сообщений, которые передавались по немецким шифровальным машинам «Энигма». Уинстон Черчилль после войны подписал указ об уничтожении соответствующего устройства.
Появление архитектуры
В 1945 году Джон фон Нейман смог сделать прообраз архитектуры общего назначения, которая используется в основе современных компьютеров. Математик предложил записывать программы в виде кодов непосредственно в память машин. Предусматривалось совместное хранение утилит и данных на «девайсе».
Эта теория стала основой ENIAC. Так назывался первый компьютер, созданный в США. Имел он весьма внушительные параметры:
За секунду такой компьютер производил до 300 операций умножения или 5 000 сложения.
Универсальная программируемая европейская ЭВМ появилась в 1950 году в СССР. Малая электронная счета машина изобретена Сергеем Лебедевым. Быстродействие ограничивалось 50 операциями в секунду. Использовал «девайс» около 6 000 электровакуумных ламп.
В 1952 возникла электронная счетная машина БЭСМ. Тоже разработана под предводительством Лебедева. Выполняло устройство до 10 000 операций. Ввод данных производился через перфоленты и фотопечати.
Чуть позже началось создание больших ЭВМ «Стрела» и «Урал». Последние разработки устройств аппаратно и программно совместимы друг с другом. Для них имелся широкий спектр периферических устройств, благодаря чему удавалось менять комплектацию «девайса».
Лампы, которые использовали первые компьютеры, быстро выходили из строя. Транзисторы, изобретенные в 1947, решили соответствующую проблему. Через электрические свойства проводников удавалось выполнять математические вычисления, но быстрее и с меньшим потреблением энергии.
Транзисторы массово производятся американской компанией «Техас Инструментс». В 1946 в Массачусетсе возник первый построенных на транзисторах компьютер второго поколения – TX-O.
Использование ЭВМ началось не только в военных целях, но и в государственных. Различные фирмы и компании применяли такие компьютеры для подсчетов. Это привело к созданию новых технологий. Пример – разработка высокоуровневых языков программирования. К ним относят:
Были разработаны приложения-трансляторы, при помощи которых коды с перечисленных языков преобразовывались в команды, считываемые задействованным компьютером.
Интегральные микросхемы
В 1958-60-х Роберт Нойс и Джек Килби выпустили в свет интегральные микросхемы. В основе находились кремниевые или геманиевые кристаллы. Микросхемы достигали в размерах не более сантиметра и работали быстрее «предшественников». Использовали меньше энергии. Это – шаг к появлению третьего поколения компьютеров.
В 1964 фирма IBM создала первый компьютер семейства SYSTEM 360. В основе него лежали интегральные микросхемы. Так началось массовое производство компьютеров. Мир увидел более 20 тысяч экземпляров SYSTEM 360.
В 1972 СССР разработали единую серию компьютеров. Это – стандартизированные комплексы для работы вычислительных центров с общей системой команд. В основе лежит американская система IBM 360.
Далее компания DEC предложила вниманию мини-компьютер PDP-8. Это – первый коммерческий проект соответствующей области. Небольшая стоимость позволила приобретать девайс даже небольшим корпорациям.
В это же время начали развиваться операционные системы, а также периферийные устройства. Языки программирования тоже получили более широкое распространение и развитие.
Персональные компьютеры в мире
Четвертым поколением компьютеров считают девайсы, созданные после 1970. Тогда возникли интегральные микросхемы. С ними компьютеры обладали такими характеристиками и особенностями:
Стив Джобс и компания Apple – первые производители персональных компьютеров. Сконструированы такие девайсы в 1976. Назывались Apple 1. Стоили по 500 долларов. В 1977 в свет вышло поколение Apple 2.
Компьютеры начали походить на бытовые приборы: получили не только широкое распространение, но и оригинальные дизайн с интерфейсов, которым было удобно пользоваться рядовому юзеру.
В 1979 IBM выпустила свой первый компьютер на рынок товаров и услуг. А в 1981 появился первый микрокомпьютер. Он имел:
В 1984 Apple разработала машину Macintosh, обладающую удобным пользовательским интерфейсом.
Пятое поколение
Начинается примерно с 1992 года. Концепция получила формулировку: вычислительные машины, созданные при помощи сверхсложных микропроцессоров. У них параллельно-векторная структура, позволяющая одновременно выполнять десятки последовательных команд, заложенных в программное обеспечение.
У таких машин несколько сотен процессоров с параллельной работой. Помогают создавать эффективно функционирующие сети и очень быстро производить обработку данных.
Нынешнее время
Примерно с 2013 года началось стремительное развитие машин вычислительного типа шестого поколения. Представлены электронными и оптоэлектронными ЭВМ с работой на основе десятков тысяч микропроцессоров. Они наделены параллелизмом. Способны моделировать архитектуру нейронных биологических систем, благодаря чему возможно успешное распознавание сложных образов.
Сейчас для «крупных» операций в качестве решений используют суперкомпьютеры. Они не предназначаются для стационарного «домашнего» применения. Обладают множеством функций и огромной мощностью. Основная сфера применения – Big Data.
Технологии и IT стремительно развиваются. Неизвестно, какие еще идеи будут реализованы в ближайшее время. Но в эру цифровых технологий разработчики стараются внедрять в свои машины искусственный интеллект.
Тенденции показывают то, что фирмы-производители стараются по сей день совершенствовать рассматриваемые «девайсы». Настоящее время демонстрирует следующее — они больше ориентированы на «рядового пользователя». Наделяются не только красивым интерфейсом, но и обладают неплохими мощностями.
Также вам может быть интересна статья «Компьютер – как все начиналось».
P. S. Интересуют компьютеры и сфера информационных технологий? Обратите внимание на профессиональные курсы Otus!
Первое поколение ЭВМ
Первое поколение ЭВМ создавалось на электронных лампах в период с 1944 по 1954 гг.
Электронная лампа – это прибор, работа которого осуществляется за счет изменения потока электронов, двигающихся в вакууме от катода к аноду.
Движение электронов происходит за счет термоэлектронной эмиссии – испускания электронов с поверхности нагретых металлов. Дело в том, что металлы обладают большой концентрацией свободных электронов, обладающих различной энергией, а, следовательно, и скоростями движения. По мере нагревания металла энергия электронов возрастает, и некоторые из них преодолевают потенциальный барьер на границе металла.
Принцип работы электронной лампы следующий. Если на вход лампы подается логическая единица (например, напряжение 2 Вольта), то на выходе с лампы мы получим либо логический ноль (напряжение менее 1В), или логическую единицу (2В). Логическую единицу получим, если управляющее напряжение отсутствует, так как ток беспрепятственно пройдет от катода к аноду. Если же на сетку подать отрицательное напряжение, то электроны, идущие от катода к аноду, будут отталкиваться от сетки, и, в результате, ток протекать не будет, и на выходе с лампы будет логический ноль. Используя этот принцип, строились все логические элементы ламповых ЭВМ.
В простейшем случае катодом служит нить из тугоплавкого металла (например, вольфрама), накаливаемая электрическим током, а анодом – небольшой металлический цилиндр. При подаче напряжения на катода под действием термоэлектронной эмиссии с катода начнут исходить электроны, которые в свою очередь будут приниматься анодом.
Подробнее об устройстве и принципе работы электронных ламп можно узнать на сайте «Ее величество лампа. Физика и схемотехника».
Применение электронных ламп резко повысило вычислительные возможности ЭВМ, что способствовало быстрому переходу от первых автоматических релейных вычислительных машин к ламповым ЭВМ первого поколения.
Однако, не обошлось без проблем. Использование электронных ламп омрачала их низкая надежность, высокое энергопотребление и большие габариты. Первые ЭВМ были поистине гигантских размеров и занимали несколько комнат в научно-исследовательских институтах. Обслуживание таких ЭВМ было крайне сложным и трудоемким, постоянно выходили из строя лампы, происходили сбои при вводе данных, и возникало множество других проблем. Не менее сложными и дорогостоящими приходилось делать и системы питания (нужно было прокладывать специальные силовые шины для обеспечения питания ЭВМ и делать сложную разводку, чтобы подвести кабели ко всем элементам), и системы охлаждения (лампы сильно грелись, от чего еще чаще выходили из строя).
Несмотря на это, конструкция ЭВМ быстро развивалась, скорость вычисления достигала нескольких тысяч операций в секунду, емкость ОЗУ – порядка 2048 машинных слов. В ЭВМ первого поколения программа уже хранилась в памяти, и использовалась параллельная обработка разрядов машинных слов.
Создаваемые ЭВМ, в основном, были универсальными и использовались для решения научно-технических задач. Со временем производство ЭВМ становится серийным, и они начинают использоваться в коммерческих целях.
В этот же период происходит становление архитектуры Фон-неймановского типа, и многие постулаты, нашедшие свое применение в ЭВМ первого поколения, остаются популярными и по сей день.
Основные критерии разработки ЭВМ, сформулированные Фон-Нейманом в 1946 году, перечислены ниже:
1. ЭВМ должны работать в двоичной системе счисления;
2. все действия, выполняемые ЭВМ, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательного набора команд. Каждая команда должна содержать код операции, адреса операндов и набор служебных признаков;
3. команды должны храниться в памяти ЭВМ в двоичном коде, так как это позволяет:
а) сохранять промежуточные результаты вычислений, константы и другие числа в том же запоминающем устройстве, где размещается программа;
б) двоичная запись команд позволяет производить операции над величинами, которыми они закодированы;
в) появляется возможность передачи управления на различные участки программы, в зависимости от результатов вычислений;
4. память должна иметь иерархичную организацию, так как скорость работы запоминающих устройств значительно отстает от быстродействия логических схем;
5. арифметические операции должны выполняться на основе схем, выполняющих только операции сложения, а создание специальных устройств – нецелесообразно;
6. для увеличения быстродействия необходимо использовать параллельную организацию вычислительного процесса, т.е. операции над словами будут производиться одновременно во всех разрядах слова.
Стоит отметить, что ЭВМ первого поколения создавались не с нуля. В то время уже были наработки в области построения электронных схем, например, в радиолокации и других смежных областях науки и техники. Однако, наиболее серьезные вопросы были связаны с разработкой запоминающих устройств. Ранее они практически не были востребованы, поэтому какого-либо серьезного опыта в их разработки накоплено не было. Следовательно, каждый прорыв в разработке запоминающих устройств приводил к серьезному шагу вперед в конструировании ЭВМ, так как разработка быстродействующей и емкой памяти – это неотъемлемое условие разработки мощной и быстродействующей ЭВМ.
Первые ЭВМ использовали в качестве запоминающего устройства – статические триггеры на ламповых триодах. Однако, получить запоминающее устройство на электронных лампах приемлемой емкости требовало неимоверных затрат. Для запоминания одного двоичного разряда требовалось два триода, при этом для сохранения информации они должны были непрерывно потреблять энергию. Это, в свою очередь, приводило к серьезным выделениям тепла и катастрофическому снижению надежности. В результате, запоминающее устройство было крайне громоздким, дорогим и ненадежным.
В 1944 году начал разрабатываться новый тип запоминающих устройств, основанный на использовании ультразвуковых ртутных линий задержки. Идея была заимствована из устройства уменьшения помех от неподвижных предметов и земли, разработанного для радаров во время Второй Мировой Войны.
Чтобы убрать неподвижные объекты с экрана радара отражённый сигнал разделяли на два, один из которых посылался непосредственно на экран радара, а второй задерживался. При одновременном выводе на экран нормального и запаздывающего сигналов любое появлявшееся из-за задержки и обратной полярности совпадение стиралось, оставляя только подвижные объекты.
Ртуть использовалась, потому что её удельное акустическое сопротивление почти равно акустическому сопротивлению пьезокристаллов. Это минимизировало энергетические потери, происходящие при передаче сигнала от кристалла к ртути и обратно.
Для использования в качестве памяти, ртутные линии задержки были несколько доработаны. На принимающем конце трубки был установлен повторитель, который посылал входной сигнал обратно на вход линии задержки, таким образом, импульс, посланный в систему хранения данных, продолжал циркулировать в линии задержки, а, следовательно, сохранялся бит информации до тех пор, пока было электропитание.
Каждая линия задержки сохраняла не один импульс (бит данных), а целый набор импульсов, количество которых определялось скоростью прохождения импульса через ртутную линию задержки (1450 м/с), длительностью импульсов, интервалом между ними и длинной трубки.
Впервые такое устройство хранения данных было использовано в английской ЭВМ – ЭДСАК, вышедшей в свет в 1949 году.
Память на ртутных линиях задержки была огромным шагом вперед, по сравнению с памятью на ламповых триодах, и привела к скачку в развитии вычислительной техники. Однако, она обладала рядом серьезных недостатков:
1. линии задержки требовали строгой синхронизации с устройством считывания данных. Импульсы должны были поступать на приёмник именно в тот момент, когда компьютер был готов считать их;
2. для минимизации энергетических потерь, происходящих при передаче сигнала в линии задержки, ртуть надо содержать при температуре в 40°C, так как при этой температуре ртути удается достигнуть максимального согласования акустических сопротивлений ртути и пьезокристаллов. Это тяжелая и некомфортная работа;
3. изменение температуры ртути также приводило к уменьшению скорости прохождения звука. Приходилось поддерживать температуру в строго заданных рамках, либо регулировать тактовую частоту компьютера, подстраиваясь под скорость распространения звука в ртути при текущей температуре;
4. сигнал мог отражаться от стенок и концов трубки. Приходилось применять серьезные методы для устранения отражений и тщательно настраивать положение пьезокристаллов;
5. скорость работы памяти на ртутных линиях задержки была невелика и ограничивалась скоростью звука в ртути. В результате, она была слишком медленной и значительно отставала от вычислительных возможностей ЭВМ, что сдерживало их развитие. В результате, скорость ЭВМ с памятью на ультразвуковых ртутных линиях задержки составляла несколько тысяч операций в секунду;
6. ртуть – чрезвычайно токсичный и дорогой материал, применение которого связано с необходимостью соблюдения жестких норм безопасности.
Поэтому требовалась новая, более быстрая память для продолжения развития ЭВМ. Вскоре, после создания первой ЭВМ на ультразвуковых ртутных линиях задержки, начались работы по исследованию нового типа памяти, использующего электронно-лучевые трубки, представляющие собой модификацию осциллографических трубок.
Впервые, способ хранения данных с помощью электронно-лучевых трубок был разработан в 1946 году Фредериком Уильямсом. Изобретение Уильямсона могло сохранять всего один бит и работало следующим образом.
С помощью электронно-лучевой трубки пучок электронов фокусировался на участке пластины, покрытой специальным веществом. В результате, этот участок под действием вторичной эмиссии испускал электроны и приобретал положительный заряд, который сохранялся доли секунды, даже после отключения луча. Если через короткие интервалы времени повторять бомбардировку электронами, то заряд участка можно сохранять столько, сколько потребуется.
Если же луч, не отключая, чуть передвинуть на соседний участок, то электроны, испущенные соседним участком, будут поглощены первым участком, и он примет нейтральный заряд.
Таким образом, в ячейку, состоящую из двух смежных участков, можно быстро записывать 1 бит информации. Ячейка без заряда – 1, ячейка с положительным зарядом – 0.
Для считывания сохраненного бита информации, с противоположной стороны пластины прикреплялись электроды, измеряющие величину изменения заряда ячейки, а сама ячейка подвергалась повторному воздействию лучом электронов. В результате, независимо от первоначального состояния, она получала положительный заряд. Если ячейка уже имела положительный заряд, то изменение ее заряда было меньше, чем, если бы она имела нейтральный заряд. Анализируя величину изменения заряда, определяли значение сохраненного в этой ячейке бита.
Однако, процесс считывания данных уничтожал информацию, сохраненную в ячейке, поэтому после операции чтения приходилось повторно записывать данные. В этом процесс работы с памятью на электронно-лучевых трубках был очень похож на работу с современной динамической памятью.
Первый компьютер с такой памятью появился летом 1948 года и позволял сохранять до тридцати двух тридцати двух разрядных двоичных слов.
Со временем память на электронно-лучевых трубках была заменена памятью с магнитными сердечниками. Этот тип памяти был разработан Дж. Форрестером и У. Папяном, и введен в эксплуатацию в 1953 году.
Память на магнитных сердечниках хранила данные в виде направления намагниченности небольших ферритовых колец. Каждое кольцо сохраняло 1 бит информации, а вся память представляла собой прямоугольную матрицу.
В простейшем случае устройство памяти было следующим.
Вдоль строк матрицы через кольца пропускались провода возбуждения (на рисунке они выделены зеленым цветом). Аналогичные провода пропускались через кольца вдоль столбцов матрицы (синий цвет).
Ток, проходящий через эти провода, устанавливал направление намагниченности колец. Причем, сила тока была такова, что один провод не мог изменить направление намагниченности, а, следовательно, направление намагниченности изменялось только в кольце, находящемся на пересечении красного и синего провода. Это было необходимо, так как на каждый провод возбуждения было нанизано несколько десятков ферритовых колец, а изменять состояние нужно было только в одном кольце.
Если в выбранном кольце изменять состояние намагниченности не требовалось, то подавали ток в провод запрета (красный цвет) в направлении, противоположном току в проводах возбуждения. В результате, сумма токов была недостаточной для изменения намагниченности кольца.
Таким образом, в каждом колечке могли храниться 1 или 0, в зависимости от направления намагниченности.
Для считывания данных с выбранного ферритового кольца, на него по проводам возбуждения подавались такие импульсы тока, что их сумма приводила к намагниченности кольца в определенном направлении, независимо от первоначального намагничивания.
При изменении намагниченности кольца в проводе считывания возникал индукционный ток. Измеряя его, можно было определить, насколько изменилось направление намагниченности в кольце, а, следовательно, узнать хранимое им значение.
Как видите, процесс считывания уничтожал данные (также, как и в современной динамической памяти), поэтому после считывания было необходимо заново записать данные.
Вскоре, этот тип памяти стал доминирующим, вытеснив электронно-лучевые трубки и ультразвуковые ртутные линии задержки. Это дало еще один скачок в производительности ЭВМ.
Дальнейшее развитие и совершенствование ЭВМ позволило им прочно занять свою нишу в области науки и техники.
К числу передовых ЭВМ первого поколения можно отнести:
EDVAC — одна из первых электронных вычислительных машин, разработанная в лаборатории баллистических исследований армии США, представленная публике в 1949 году;
EDSAC — электронная вычислительная машина, созданная в 1949 году в Кембриджском Университете (Великобритания) группой во главе с Морисом Уилксом;
Whirlwind – ЭВМ, созданная в Массачусетском Технологическом Университете в марте 1951 года;
Все эти и многие другие вычислительные машины первого поколения подготовили надежную стартовую площадку для победного марша ЭВМ по всему миру.
Стоит отметить, что не было резкого перехода от ЭВМ первого поколения на электронных лампах к ЭВМ второго поколения на транзисторах. Электронные лампы постепенно заменялись, вытесняясь твердотельными транзисторами. В первую очередь, были вытеснены электронные лампы из устройств хранения данных, а затем постепенно они вытеснялись из арифметико-логических устройств.
Слева, схематично изображен переход от чисто ламповых ЭВМ к ЭВМ второго поколения.
За время существования ламповых ЭВМ их структура, изображенная на рисунке ниже, не претерпела серьезных изменений. Переход ко второму поколению ЭВМ также не внес существенных изменений в их структурное построение. В основном, изменилась только элементная база. Серьезные изменения структуры построения ЭВМ начались ближе к третьему поколению ЭВМ, когда начали появляться первые интегральные схемы.
С помощью устройства ввода данных (УВв), в ЭВМ вводились программы и исходные данные к ним. Введенная информация целиком или полностью запоминалась в оперативном запоминающим устройстве (ОЗУ). Затем, при необходимости, она заносилась во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), откуда по мере надобности могла подгружаться в ОЗУ.
После ввода данных или считывания их из ВЗУ, программная информация, команда за командой, считывалась из ОЗУ и передавалась в устройство управления (УУ).
Устройство управления дешифрировало команду, определяло адреса операндов и номер следующей команды, которую нужно было считать из ОЗУ. Затем, путем принудительной координации всех элементов ЭВМ, УУ организовывало исполнение команды и запрашивало следующую. Цепи сигналов управления показаны на рисунке штриховыми линиями.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняло арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является вычислительное ядро, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др.
Промежуточные результаты, полученные после выполнения отдельных команд, сохранялись в ОЗУ. Результаты, полученные после выполнения всей программы вычисления, передавались на устройство вывода (УВыв). В качестве УВыв использовались: экран дисплея, принтер, графопостроитель и т.д.
Как видно из приведенной выше структурной схемы, ЭВМ первого поколения имели сильную централизацию. Устройство управления отвечало не только за выполнение команд, но и контролировало работу устройств ввода и вывода данных, пересылку данных между запоминающими устройствами и другие функции ЭВМ. Также были жестко стандартизированы форматы команд, данных и циклов выполнения операций.
Все это позволяло несколько упростить аппаратуру ЭВМ, ужасно сложную, громоздкую и без изысков организации вычислительного процесса, но значительно сдерживало рост их производительности.
Первая ЭВМ на электронных лампах была создана в США и называлась ЭНИАК. Она оказала существенное влияние на направление развития вычислительной техники. Вскоре, за примером США последовали и многие другие промышленно-развитые страны (Великобритания, Швейцария, СССР и др.), уделявшие развитию вычислительной техники в послевоенный период много внимания.
Однако, наибольшее значение в развитии вычислительной техники оказали исследования, проводимые в США, СССР и Великобритании. В других же странах, например во Франции, ФРГ, Японии, ЭВМ, относящиеся к первому поколению, не получили серьезного развития. В частности, для ФРГ, Испании и Японии даже трудно отделить рамки перехода от ЭВМ первого поколения к ЭВМ второго поколения, так как, наряду с первыми ламповыми ЭВМ, в конце пятидесятых годов начинали создаваться и первые ЭВМ на полупроводниковой основе.
Список используемой литературы
1. История развития вычислительной техники. Ланина Э.П. ИрГТУ, Иркутск – 2001 г.
2. Развитие вычислительной техники. Апокин И.А. М., «Наука», 1974 г.
3. Курс физики. Трофимова Т.И. Москва «Высшая школа», 2001 г.