Особенности функционирования первых ЭВМ

Введение

Первые электронные вычислительные машины появились всего лишь в прошлом веке, однако многие из них уже является музейной редкостью. История развития вычислительной техники представляет большой интерес. Изучая ее, можно рассмотреть, как развивались связи физики с математикой и современной технологией, уровень развития которой во многом определялся прогрессом в производстве средств вычислительной техники. Историю развития ЭВМ делят на поколения. За все свое существование ЭВМ прошли пять поколений или этапов развития. Каждое поколение характеризуется своей элементной базой и, как следствие, быстродействием, емкостью памяти и способом обработки информации. Безусловно, деление на поколения весьма условно, поскольку в одной и той же машине могли использоваться разные технические устройства, относящиеся к разным поколениям.
В реферате рассмотрены принципы работы первых поколений электронно-вычислительных машин, их особенности, недостатки и достоинства. К первому поколению относят ЭВМ на электронных лампах, ртутных линиях задержки и электронно-лучевых трубках; ко второму – ЭВМ на транзисторах, параметронах и ферритовых сердечниках.

§1. Понятие ЭВМ, его история и предшественники

Электронная вычислительная машина - набор электронных устройств, выполняющий различного рода информационные операции. [7]. ЭВМ – это один из видов реализации компьютера. Данное название появилось в обозначении компьютеров, которые разрабатывались в период с 1940 по 1980 год.
Электронная вычислительная машина и компьютер не одно и то же, так как в ЭВМ использовались электронные компоненты, а компьютер может содержать механические, биологические, оптические, квантовые и другие функциональные узлы. Кроме того, по типу функционирования вычислительная машина может быть цифровой (ЦВМ) и аналоговой (АВМ).
Созданию первых ЭВМ предшествовали различные устройства, работающие на электромеханических реле. Так, первыми простейшими вычислительными машинами считаются работы Чарльза Беббиджа и его ученицы Ады Лавлейс – «Разностная машина» (1822) и «Аналитическая машина» (1842). Эти машины могли составлять таблицу квадратов, решать системы уравнений с двумя неизвестными и вычислять числа Бернулли (рис. 1).

Рис. 1
Далее внушительный вклад в развитие техники автоматизации счета внес Г.Холлерит, построив «Табулятор» (1890). Машина использовала в работе перфокарты и была применена при переписи населения в нескольких странах (рис.2).

Рис. 2
Первая автоматическая вычислительная машина была сконструирована К.Цузе в 30-40-хх годах 20 века. Машина использовала двоичную систему счисления, представляла числа в формате с «плавающей» запятой, перфокарты, реле и трехадресную систему программирования (рис.3).

Рис.3
Построением релейных автоматических машина занимались также Д.Штибиц и Г.Айкен. В 1940 году Штибиц построил «Вычислитель комплексных чисел» (рис. 4), а в 1942 году Айкен закончил монтаж машины «Марк-1» (рис.5).

Рис. 4 Рис. 5
Дальнейшие разработки в исследуемой области связаны с использованием электронных ламп, поскольку работа ЭВМ на основе реле была медленной и ненадежной, а обстановка в окружающем мире требовала точных и быстрых рассчетов.

§2. Функционирование ЭВМ первого поколения

Первое поколение ЭВМ создавалось на электронных лампах в 1944-1955 гг.
Электронная лампа – это прибор, работа которого осуществляется за счет изменения потока электронов, двигающихся в вакууме от катода к аноду [5].
Движение электронов происходит за испускания электронов с поверхности нагретых металлов. По мере нагревания металла энергия электронов возрастает, и некоторые из них преодолевают потенциальный барьер на границе металла.
Принцип работы электронной лампы следующий: на вход лампы подается логическая единица, то на выходе с лампы мы получим либо логический ноль, или логическую единицу. Логическая единица получается, если ток беспрепятственно пройдет от катода к аноду, то есть не создавать помех в виде управляющего напряжения. Если же на сетку подать отрицательное напряжение, то электроны, будут отталкиваться от сетки, ток протекать не будет, и на выходе с лампы будет логический ноль. Используя этот принцип, строились все логические элементы ламповых ЭВМ. В качестве логической единицы применялось напряжение 2 В, а логического нуля – напряжение менее 1 В.

Рис. 6
Электронные лампы были ненадежны, имели сбои при вводе данных, потребляли много электроэнергии и имели большие размеры (рис. 6). Для работы таких машин отводили несколько комнат в научно-исследовательских центрах. Специальные системы питания и охлаждения, сложная разводка кабелей делали работу ЭВМ очень дорогой.
Несмотря на это, конструкция ЭВМ быстро развивалась, скорость вычисления достигала нескольких тысяч операций в секунду, емкость оперативной памяти – порядка 2048 машинных слов

. В машинах первого поколения программа уже хранилась в памяти, и использовалась параллельная обработка разрядов машинных слов.
Из-за дороговизны разрабатываемые ЭВМ были универсальными, для решения научно-технических задач. Со временем производство ЭВМ стало серийным, и они начали 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 [6]:
ЭВМ должны работать в двоичной системе счисления;
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;
Команды должны храниться в памяти ЭВМ в двоичном коде;
Память должна иметь иерархичную организацию, так как скорость работы запоминающих устройств значительно отстает от быстродействия логических схем;
Арифметические операции должны выполняться на основе схем, выполняющих только операции сложения, а создание специальных устройств – нецелесообразно;
Для увеличения быстродействия необходимо использовать параллельную организацию вычислительного процесса, т.е. операции над словами будут производиться одновременно во всех разрядах слова.
Наиболее известные электронно-вычислительные машины, построенные на основе электронных ламп:
электронный не программируемый компьютер Атанасова-Берри введен в эксплуатацию в 1942 году;
первый программируемый компьютер Colossus, разработанный в 1943 году, использовался для взлома немецких шифров;
ЭНИАК – первый программируемый компьютер общего назначения, 1946 год;
первая машина с хранимой в памяти программой была создана в Манчестере в 1948 году, называлась «The Baby»;
первый компьютер с хранимой в памяти программой, построенный на продажу, назывался BINAC и выпущен в 1949 году;
первая ЭВМ в Советском Союзе – малая электронная счетная машина (МЭСМ) разработана С.А. Лебедевым в 1950 году;
самый старый ламповый компьютер, работающий до сих пор – Harwell Dekatron Computer 1951 года.
ЭВМ на электронных лампах не было реализовано средств совмещения операций выполняемой программы и средств работы различных устройств. Процесс общения человека с машиной первого поколения происходил сделующим образом: разработчик вводил в память ЭВМ с помощью перфокарт программу и вручную управлял ее выполнением. От уровня мастерства программиста, способности быстро находить и исправлять ошибки и умения ориентироваться за пультом ЭВМ во многом зависела эффективность решения вычислительной задачи.
Для использования в качестве памяти были придуманы ртутные линии задержки. Они представляли собой длинную заполненную ртутью колбу (рис. 7), на концах которой расположены пьезоэлементы — передатчик и приёмник. Передатчик возбуждает акустические колебания в ртути, и по ней бегут волны. Когда колебания достигают приёмника, они усиливаются, при необходимости изменяются и вновь подаются на вход той же линии. Таким образом, по линии задержки постоянно циркулирует пакет данных, представленный в виде цепочки волн. Память на линиях задержки не является дискретной и может хранить как цифровую, так и аналоговую информацию, что использовалось, например, в первых радарах [2].

Рис. 7
Ртуть была выбрана благодаря тому, что её удельное акустическое сопротивление почти равно акустическому сопротивлению пьезокристаллов, а скорость распространения звуковых волн в ней выше, чем в других жидкостях.
Такая память имела недостатки: сложность в производстве, тонкость настройки, опасность в случае повреждения, требование поддержания постоянной температуры, последовательный доступ, зависимость размеров памяти от размеров трубки. Однако, имелись и достоинства: экономичность, надёжность, компактность по сравнению с памятью на электронных лампах, меньшее энергопотребление.
Впервые такое устройство хранения данных было использовано в английской ЭВМ – ЭДСАК, вышедшей в свет в 1949 году [3].
Память на ртутных линиях задержки была огромным шагом вперед, по сравнению с памятью на ламповых триодах, и привела к скачку в развитии вычислительной техники.
В 1946 году Фредерик Уильямс разработал способ хранения данных с помощью электронно-лучевых трубок (рис. 8). Это изобретение сохраняло один бит информации и работало следующим образом: пучок электронов фокусировался на участке пластины, покрытой специальным веществом, под действием вторичной эмиссии испускал электроны и приобретал положительный заряд, который сохранялся доли секунды