ЕОМ першого покоління - "Все про Hi-Tech"

Перше покоління ЕОМ створювалося на електронних лампах в період з 1944 по 1954 рр.

Рух електронів відбувається за рахунок термоелектронної емісії - випускання електронів з поверхні нагрітих металів. Справа в тому, що метали мають великий концентрацією вільних електронів, що володіють різною енергією, а, отже, і швидкостями руху. У міру нагрівання металу енергія електронів зростає, і деякі з них долають потенційний бар'єр на кордоні металу.

Принцип роботи електронної лампи наступний. Якщо на вхід лампи подається логічна одиниця (наприклад, напруга 2 Вольта), то на виході з лампи ми отримаємо або логічний нуль (напруга менш 1В), або логічну одиницю (2В). Логічну одиницю отримаємо, якщо керуюча напруга відсутня, так як струм безперешкодно пройде від катода до анода. Якщо ж на сітку подати негативне напруга, то електрони, що йдуть від катода до анода, будуть відштовхуватися від сітки, і, в результаті, струм протікати не буде, і на виході з лампи буде логічний нуль. Використовуючи цей принцип, будувалися всі логічні елементи лампових ЕОМ.

У найпростішому випадку катодом служить нитка з тугоплавкого металу (наприклад, вольфраму), розжарюється електричним струмом, а анодом - невеликий металевий циліндр. При подачі напруги на катода під дією термоелектронної емісії з катода почнуть виходити електрони, які в свою чергу будуть прийматися анодом.

Детальніше про будову та принцип роботи електронних ламп можна дізнатися на сайті "Її величність лампа. Фізика і схемотехніка".

Застосування електронних ламп різко підвищило обчислювальні можливості ЕОМ, що сприяло швидкому переходу від перших автоматичних релейних обчислювальних машин до лампових ЕОМ першого покоління.

Однак, не обійшлося без проблем. Використання електронних ламп затьмарювала їх низька надійність, висока енергоспоживання і великі габарити. Перші ЕОМ були воістину гігантських розмірів і займали кілька кімнат в науково-дослідних інститутах. Обслуговування таких ЕОМ було вкрай складним і трудомістким, постійно виходили з ладу лампи, відбувалися збої при введенні даних, і виникало безліч інших проблем. Не менш складними і дорогими доводилося робити і системи харчування (потрібно було прокладати спеціальні силові шини для забезпечення харчування ЕОМ і робити складну розводку, щоб підвести кабелі до всіх елементів), і системи охолодження (лампи сильно грілися, від чого ще частіше виходили з ладу) .

Незважаючи на це, конструкція ЕОМ швидко розвивалася, швидкість обчислення досягала декількох тисяч операцій в секунду, ємність ОЗУ - близько 2048 машинних слів. У ЕОМ першого покоління програма вже зберігалася в пам'яті, і використовувалася паралельна обробка розрядів машинних слів.

Створювані ЕОМ, в основному, були універсальними і використовувалися для вирішення науково-технічних завдань. Згодом виробництво ЕОМ стає серійним, і вони починають використовуватися в комерційних цілях.

В цей же період відбувається становлення архітектури Фон-неймановского типу, і багато постулати, що знайшли своє застосування в ЕОМ першого покоління, залишаються популярними і донині.

Основні критерії розробки ЕОМ, сформульовані Фон-Нейманом в 1946 році, перераховані нижче:

1. ЕОМ повинні працювати в двійковій системі числення;

2. всі дії, що виконуються ЕОМ, повинні бути представлені у вигляді програми, що складається з послідовного набору команд. Кожна команда повинна містити код операції, адреси операндів і набір службових ознак;

3. команди повинні зберігатися в пам'яті ЕОМ в двійковому коді, так як це дозволяє:

а) зберігати проміжні результати обчислень, константи та інші числа в тому ж пристрої, що запам'ятовує, де розміщується програма;

б) двійковий запис команд дозволяє проводити операції над величинами, якими вони закодовані;

в) з'являється можливість передачі управління на різні ділянки програми, в залежності від результатів обчислень;

4. пам'ять повинна мати ієрархічну організацію, так як швидкість роботи запам'ятовуючих пристроїв значно відстає від швидкодії логічних схем;

5. арифметичні операції повинні виконуватися на основі схем, що виконують тільки операції додавання, а створення спеціальних пристроїв - недоцільно;

6. для збільшення швидкодії необхідно використовувати паралельну організацію обчислювального процесу, тобто операції над словами будуть проводитися одночасно у всіх розрядах слова.

Варто зазначити, що ЕОМ першого покоління створювалися не з нуля. У той час вже були напрацювання в області побудови електронних схем, наприклад, в радіолокації та інших суміжних областях науки і техніки. Однак, найбільш серйозні питання були пов'язані з розробкою запам'ятовуючих пристроїв. Раніше вони практично не були затребувані, тому будь-якого серйозного досвіду в їх розробки накопичено не було. Отже, кожен прорив в розробці запам'ятовуючих пристроїв приводив до серйозного кроку вперед в конструюванні ЕОМ, так як розробка швидкодіючої і ємною пам'яті - це невід'ємна умова розробки потужної і швидкодіючої ЕОМ.

Перші ЕОМ використовували як жорсткий диск - статичні тригери на лампових тріодах. Однак, отримати пристрій на електронних лампах прийнятною ємності вимагало неймовірних витрат. Для запам'ятовування одного двійкового розряду потрібно два тріода, при цьому для збереження інформації вони повинні були безперервно споживати енергію. Це, в свою чергу, призводило до серйозних виділенням тепла і катастрофічного зниження надійності. В результаті, пристрій було вкрай громіздким, дорогим і ненадійним.

У 1944 році почав розроблятися новий тип запам'ятовуючих пристроїв, заснований на використанні ультразвукових ртутних ліній затримки. Ідея була запозичена з пристрою зменшення перешкод від нерухомих предметів і землі, розробленого для радарів під час Другої Світової Війни.

Щоб прибрати нерухомі об'єкти з екрану радара відбитий сигнал поділяли на два, один з яких посилався безпосередньо на екран радара, а другий затримувався. При одночасному виведенні на екран нормального і запізнілого сигналів будь з'являлося з-за затримки і зворотної полярності збіг стиралася, залишаючи тільки рухомі об'єкти.

Затримка сигналу здійснювалася за допомогою ліній затримки - наповнених ртуттю трубок з пьезокрісталліческім перетворювачем на кінцях. Сигнали від радарного підсилювача посилалися на п'єзокристал в одному кінці трубки, і той, отримуючи імпульс, генерував невелике коливання ртуті. Коливання швидко передавалося на інший кінець трубки, де інший п'єзокристал його інвертовану і передавав на екран.

Ртуть використовувалася, тому що її питомий акустичний опір майже дорівнює акустичному опору п'єзокристал. Це мінімізувало енергетичні втрати, що відбуваються при передачі сигналу від кристала до ртуті і назад.

Для використання в якості пам'яті, ртутні лінії затримки були кілька доопрацьовані. На приймаючому кінці трубки був встановлений повторювач, який посилав вхідний сигнал назад на вхід лінії затримки, таким чином, імпульс, посланий в систему зберігання даних, продовжував циркулювати в лінії затримки, а, отже, зберігався біт інформації до тих пір, поки було електроживлення.

Кожна лінія затримки зберігала не один імпульс (біт даних), а цілий набір імпульсів, кількість яких визначалося швидкістю проходження імпульсу через ртутну лінію затримки (1450 м / с), тривалістю імпульсів, інтервалом між ними і довгою трубки.

Вперше такий пристрій зберігання даних було використано в англійській ЕОМ - ЕДСАК, що вийшла в світ в 1949 році.

Пам'ять на ртутних лініях затримки була величезним кроком вперед, порівняно з пам'яттю на лампових тріодах, і привела до стрибка в розвитку обчислювальної техніки. Однак, вона мала ряд серйозних недоліків:

1. лінії затримки вимагали суворої синхронізації з пристроєм зчитування даних. Імпульси повинні були надходити на приймач саме в той момент, коли комп'ютер був готовий вважати їх;

2. для мінімізації енергетичних втрат, що відбуваються при передачі сигналу в лінії затримки, ртуть треба утримувати при температурі в 40 ° C, так як при цій температурі ртуті вдається досягти максимального узгодження акустичних опорів ртуті і п'єзокристал. Це важка і некомфортна робота;

3. зміна температури ртуті також призводило до зменшення швидкості проходження звуку. Доводилося підтримувати температуру в строго заданих рамках, або регулювати тактову частоту комп'ютера, підлаштовуючись під швидкість поширення звуку в ртуті при поточній температурі;

4. сигнал міг відбиватися від стінок і кінців трубки. Доводилося застосовувати серйозні методи для усунення відображень і ретельно налаштовувати положення п'єзокристал;

5. швидкість роботи пам'яті на ртутних лініях затримки була невелика і обмежувалася швидкістю звуку в ртуті. В результаті, вона була занадто повільної і значно відставала від обчислювальних можливостей ЕОМ, що стримувало їх розвиток. В результаті, швидкість ЕОМ з пам'яттю на ультразвукових ртутних лініях затримки становила кілька тисяч операцій в секунду;

6. ртуть - надзвичайно токсичний і дорогий матеріал, застосування якого пов'язане з необхідністю дотримання жорстких норм безпеки.

Тому потрібна нова, більш швидка пам'ять для продовження розвитку ЕОМ. Незабаром, після створення першої ЕОМ на ультразвукових ртутних лініях затримки, почалися роботи з дослідження нового типу пам'яті, що використовує електронно-променеві трубки, що представляють собою модифікацію осцилографічних трубок.

Вперше, спосіб зберігання даних за допомогою електронно-променевих трубок був розроблений в 1946 році Фредеріком Вільямсом. Винахід Вільямсона могло зберігати всього один біт і працювало наступним чином.

За допомогою електронно-променевої трубки пучок електронів фокусувався на ділянці пластини, покритої спеціальною речовиною. В результаті, ця ділянка під дією вторинної емісії випускав електрони і набував позитивний заряд, який зберігався частки секунди, навіть після відключення променя. Якщо через короткі інтервали часу повторювати бомбардування електронами, то заряд ділянки можна зберігати стільки, скільки буде потрібно.

Якщо ж промінь, що не відключаючи, трохи пересунути на сусідню ділянку, то електрони, випущені сусіднім ділянкою, будуть поглинені першим ділянкою, і він прийме нейтральний заряд.

Таким чином, в клітинку, що складається з двох суміжних ділянок, можна швидко записувати 1 біт інформації. Осередок без заряду - 1, осередок з позитивним зарядом - 0.

Для зчитування збереженого біта інформації, з протилежного боку пластини прикріплювалися електроди, що вимірюють величину зміни заряду осередки, а сама осередок піддавалася повторному впливу променем електронів. В результаті, незалежно від початкового стану, вона отримувала позитивний заряд. Якщо осередок вже мала позитивний заряд, то зміна її заряду було менше, ніж, якби вона мала нейтральний заряд. Аналізуючи величину зміни заряду, визначали значення збереженого в цьому осередку біта.

Однак, процес зчитування даних знищував інформацію, збережену в осередку, тому після операції читання доводилося повторно записувати дані. У цьому процес роботи з пам'яттю на електронно-променевих трубках був дуже схожий на роботу з сучасної динамічної пам'яттю.

Перший комп'ютер з такою пам'яттю з'явився влітку 1948 року і дозволяв зберігати до тридцяти двох тридцяти двох розрядних двійкових слів.

Згодом пам'ять на електронно-променевих трубках була замінена пам'яттю з магнітними сердечниками. Цей тип пам'яті був розроблений Дж. Форрестер і У. Папяном, і введений в експлуатацію в 1953 році.

Пам'ять на магнітних сердечниках зберігала дані у вигляді напрямку намагніченості невеликих феритових кілець. Кожне кільце зберігало 1 біт інформації, а вся пам'ять була прямокутну матрицю.

У найпростішому випадку пристрій пам'яті було наступним.

Уздовж рядків матриці через кільця пропускалися дроти збудження (на малюнку вони виділені зеленим кольором). Аналогічні дроти пропускалися через кільця вздовж стовпців матриці (синій колір).

Струм, що проходить через ці дроти, встановлював напрямок намагніченості кілець. Причому, сила струму була така, що один провід не міг змінити напрямок намагніченості, а, отже, напрямок намагніченості змінювалося тільки в кільці, що знаходиться на перетині червоного і синього дроти. Це було необхідно, так як на кожен провід порушення було нанизано кілька десятків феритових кілець, а змінювати стан потрібно було тільки в одному кільці.

Якщо в обраному кільці змінювати стан намагніченості не було потрібно, то подавали струм в дріт заборони (червоний колір) в напрямку, протилежному току в проводах збудження. В результаті, сума струмів була недостатньою для зміни намагніченості кільця.

Таким чином, в кожному кільці могли зберігатися 1 або 0, в залежності від напрямку намагніченості.

Для зчитування даних з обраного ферритового кільця, на нього по дротах збудження подавалися такі імпульси струму, що їх сума приводила до намагніченості кільця в певному напрямку, незалежно від початкового намагнічування.

При зміні намагніченості кільця в проводі зчитування виникав індукційний струм. Вимірюючи його, можна було визначити, наскільки змінився напрям намагніченості в кільці, а, отже, дізнатися збережене їм значення.

Як бачите, процес зчитування знищував дані (також, як і в сучасній динамічної пам'яті), тому після зчитування було необхідно заново записати дані.

Незабаром, цей тип пам'яті став домінуючим, витіснивши електронно-променеві трубки і ультразвукові ртутні лінії затримки. Це дало ще один стрибок в продуктивності ЕОМ.

Подальший розвиток і вдосконалення ЕОМ дозволило їм міцно зайняти свою нішу в області науки і техніки.

До числа передових ЕОМ першого покоління можна віднести:

ENIAC - перший широкомасштабний електронний цифровий комп'ютер, створений в 1946 році на замовлення армії США в лабораторії балістичних досліджень для розрахунків таблиць стрільби. В експлуатацію введено 14 лютого 1946 роки;

EDVAC - одна з перших електронних обчислювальних машин, розроблена в лабораторії балістичних досліджень армії США, представлена публіці в 1949 році;

EDSAC - електронна обчислювальна машина, створена в 1949 році в Кембріджському університеті (Великобританія) групою на чолі з Морісом Уилксом;

UNIVAC - універсальний автоматичний комп'ютер, створений в 1951 році Д. Моучлі і Дж. Преспер Еккерт;

IAS - ЕОМ Інститут перспективних досліджень, розроблена під керівництвом Дж. Неймана в 1952 році;

Whirlwind - ЕОМ, створена в Массачусетському Технологічному Університеті в березні 1951 роки;

МЕСМ - Мала Електронна Рахункова Машина - перша вітчизняна ЕОМ, створена в 1950 році С.А. Лебедєвим;

БЕСМ - Велика Електронна Рахункова Машина, розроблена Інститутом Точної Механіки і обчислювальної техніки Академії наук СРСР.

Всі ці та багато інших обчислювальні машини першого покоління підготували надійну стартовий майданчик для переможного маршу ЕОМ по всьому світу.

Варто відзначити, що не було різкого переходу від ЕОМ першого покоління на електронних лампах до ЕОМ другого покоління на транзисторах. Електронні лампи поступово замінялися, витісняючи твердотільними транзисторами. В першу чергу, були витіснені електронні лампи з пристроїв зберігання даних, а потім поступово вони витіснялися з арифметико-логічних пристроїв.

Зліва, схематично зображено перехід від чисто лампових ЕОМ до ЕОМ другого покоління.

За час існування лампових ЕОМ їх структура, зображена на малюнку нижче, не зазнала серйозних змін. Перехід до другого покоління ЕОМ також не вніс істотних змін в їх структурну побудову. В основному, змінилася тільки елементна база. Серйозні зміни структури побудови ЕОМ почалися ближче до третього покоління ЕОМ, коли почали з'являтися перші інтегральні схеми.

За допомогою пристрою введення даних (УВВ), в ЕОМ вводилися програми і вихідні дані до них. Введена інформація повністю або повністю запам'ятовувалася в оперативному запам'ятовуючим пристрої (ОЗУ). Потім, при необхідності, вона заносили у зовнішній пристрій (ВЗУ), звідки при необхідності могла довантажуватися в ОЗУ.

Після введення даних або зчитування їх з ВЗУ, програмна інформація, команда за командою, зчитувалася з ОЗУ і передавалася в пристрій управління (УУ).

Пристрій управління розшифрувати команду, визначало адреси операндов і номер наступної команди, яку потрібно було вважати з ОЗУ. Потім, шляхом примусової координації всіх елементів ЕОМ, УУ організовувало виконання команди і просило наступну. Ланцюги сигналів управління показані на малюнку штриховими лініями.

Арифметико-логічний пристрій (АЛП) виконувало арифметичні і логічні операції над даними. Основною частиною АЛУ є обчислювальний ядро, до складу якого входять суматори, лічильники, регістри, логічні перетворювачі та ін.

Проміжні результати, отримані після виконання окремих команд, зберігалися в ОЗУ. Результати, отримані після виконання всієї програми обчислення, передавалися на пристрій виведення (УВив). Як УВив використовувалися: екран дисплея, принтер, плотер і т.д.

Як видно з наведеної вище структурної схеми, ЕОМ першого покоління мали сильну централізацію. Пристрій управління відповідало не тільки за виконання команд, але і контролювало роботу пристроїв введення та виведення даних, пересилання даних між пристроями, що запам'ятовують і інші функції ЕОМ. Також були жорстко стандартизовані формати команд, даних і циклів виконання операцій.

Все це дозволяло дещо спростити апаратуру ЕОМ, жахливо складну, громіздку і без вишукувань організації обчислювального процесу, але значно стримувало зростання їх продуктивності.

Перша ЕОМ на електронних лампах була створена в США і називалася ЕНІАК. Вона мала значний вплив на напрямок розвитку обчислювальної техніки. Незабаром, за прикладом США пішли і багато інших промислово-розвинені країни (Великобританія, Швейцарія, СРСР і ін.), Що приділяли розвитку обчислювальної техніки в післявоєнний період багато уваги.

Однак, найбільше значення в розвитку обчислювальної техніки надали дослідження, що проводяться в США, СРСР і Великобританії. В інших же країнах, наприклад у Франції, ФРН, Японії, ЕОМ, що відносяться до першого покоління, не отримали серйозного розвитку. Зокрема, для ФРН, Іспанії та Японії навіть важко відокремити рамки переходу від ЕОМ першого покоління до ЕОМ другого покоління, так як, поряд з першими ламповими ЕОМ, в кінці п'ятдесятих років починали створюватися і перші ЕОМ на напівпровідниковій основі.

Список використаної літератури

1. Історія розвитку обчислювальної техніки. Ланина Е.П. ИрГТУ, Іркутськ - 2001 р

2. Розвиток обчислювальної техніки. Апокін І.А. М., "Наука", 1974 г.

3. Курс фізики. Трофимова Т.И. Москва "Вища школа", 2001 р