Устройство управления

Внешние устройства

Оперативная память

Рисунок – Связи между устройствами

Практически все рекомендации фон Неймана впоследствии использовались в машинах первых трех поколений, их совокупность получила название «архитектура фон Неймана». Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 году английским исследователем Морисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 года Джон фон Нейман.

Новые машины первого поколения сменяли друг друга довольно быстро. В 1951 году заработала первая советская электронная вычислительная машина МЭСМ, площадью около 50 квадратных метров. МЭСМ имела 2 вида памяти: оперативное запоминающее устройство, в виде 4 панелей высотой в 3 метра и шириной 1 метр; и долговременная память в виде магнитного барабана объемом 5000 чисел. Всего в МЭСМ было 6000 электронных ламп, а работать с ними можно было только после 1,5-2 часов после включения машины. Ввод данных осуществлялся с помощью магнитной ленты, а вывод – цифропечатающим устройством сопряженным с памятью. МЭСМ могла выполнять 50 математических операций в секунду, запоминать в оперативной памяти 31 число и 63 команды (всего было 12 различных команд), и потребляла мощность равную 25 киловаттам.

В 1952 году на свет появилась американская машина EDWAC. Стоит также отметить построенный ранее, в 1949 году, английский компьютер EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator) – первую машину с хранимой программой. В 1952 году советские конструкторы ввели в эксплуатацию БЭСМ – самую быстродействующую машину в Европе, а в следующем году в СССР начала работать «Стрела» – первая в Европе серийная машина высокого класса. Среди создателей отечественных машин в первую очередь следует назвать имена С.А. Лебедева, Б.Я. Базилевского, И.С. Брука, Б.И. Рамеева, В.А. Мельникова, М.А. Карцева, А.Н. Мямлина. В 50-х годах появились и другие ЭВМ: «Урал», М-2, М-3, БЭСМ‑2, «Минск‑1», – которые воплощали в себе все более прогрессивные инженерные решения.

Проекты и реализация машин «Марк–1», EDSACиEDVACв Англии и США, МЭСМ в СССР заложили основу для развёртывания работ по созданию ЭВМ вакуумноламповой технологии – серийных ЭВМ первого поколения. Разработка первой электронной серийной машиныUNIVAC(UniversalAutomaticComputer) была начата примерно в 1947 г. Эккертом и Маучли. Первый образец машины (UNIVAC-1) был построен для бюро переписи США и пущен в эксплуатацию весной 1951 г. Синхронная, последовательного действия вычислительная машинаUNIVAC-1 создана на базе ЭВМENIACиEDVAC. Работала она с тактовой частотой 2,25 МГц и содержала около 5000 электронных ламп.

По сравнению с США, СССР и Англией развитие электронной вычислительной техники в Японии, ФРГ и Италии задержалось. Первая японская машина "Фуджик" была введена в эксплуатацию в 1956 году, серийное производство ЭВМ в ФРГ началось лишь в 1958 году.

Возможности машин первого поколения были достаточно скромны. Так, быстродействие их по нынешним понятиям было малым: от 100 («Урал-1») до 20 000 операций в секунду (М-20 в 1959 году). Эти цифры определялись в первую очередь инерционностью вакуумных ламп и несовершенством запоминающих устройств. Объем оперативной памяти был крайне мал – в среднем 2 048 чисел (слов), этого не хватало даже для размещения сложных программ, не говоря уже о данных. Промежуточная память организовывалась на громоздких и тихоходных магнитных барабанах сравнительно небольшой емкости (5 120 слов у БЭСМ-1). Медленно работали и печатающие устройства, а также блоки ввода данных. Если же остановиться подробнее на устройствах ввода-вывода, то можно сказать, что с начала появления первых компьютеров выявилось противоречие между высоким быстродействием центральных устройств и низкой скоростью работы внешних устройств. Кроме того, выявилось несовершенство и неудобство этих устройств. Первым носителем данных в компьютерах, как известно, была перфокарта. Затем появились перфорационные бумажные ленты или просто перфоленты. Они пришли из телеграфной техники после того, как в начале XIXв. отец и сын из Чикаго Чарлз и Говард Крамы изобрели телетайп.

ЭВМ первого поколения, эти жесткие и тихоходные вычислители, были пионерами компьютерной техники. Они довольно быстро сошли со сцены, так как не нашли широкого коммерческого применения из-за ненадежности, высокой стоимости, трудности программирования.

Чарльз Бэббидж, проектируя аналитическую машину в 40-х годах 19 века (1840-ые), разработал основные идеи по созданию машины, которая могла бы работать по заранее заданной программе, без вмешательства человека.

Прошло 100 лет. Появились первые ЭВМ (электронно-вычислительные машины).

3.
4.
5.

Марк-1 на электромеханических реле

В 1943 г. американец Говард Эйкен с помощью на основе техники 20 века – электромеханических реле – на одном из предприятий фирмы IBM смог построить такую машину под названием «Марк-1».

«Если бы Бэббидж жил на 75 лет позже, – заявил впоследствии Эйкен, – я бы остался без работы».

Еще раньше идеи Бэббиджа были переоткрыты немецким инженером Конрадом Цузе, который в 1941 г. построил аналогичную машину. Но это никак не связано с известнейшей американской , поэтому является не столь распространенным фактом.

Эниак на электронных лампах

В первой половине 20 века бурно развивалась радиотехника. Основным элементом радиоприемников и радиопередатчиков в то время были электронно-вакуумные лампы.

Начиная с 1943 г. группа специалистов под руководством Джона Мочли и Преспера Экерта в США начали конструировать машину, подобную «Марк-1», уже на основе электронных ламп, а не реле.

Их машина называлась ENIAC (сокр. от Electronical Numerical Integrator and Calculator - Электронный числовой интегратор и вычислитель).

Скорость счета этой машины превосходила скорость «Марк-1» в тысячу раз. Когда ENIAC (произносится как ЭНИАК) продемонстрировали в 1946 году, американская пресса немедленно окрестила его “Гигантский мозг” (“Giant Brain”).

Масса системы составляла 27 тонн. ENIAC использовали, в частности, для вычислений, связанных с созданием водородной бомбы.

Однако для ввода программы, согласно которой ENIAC должен был производить вычисления, приходилось в течение нескольких часов или даже нескольких дней подсоединять нужным образом . Клавиатуры еще не было, монитора тоже не было.

Архитектура фон Неймана

Чтобы упростить процесс задания программ, Мочли и Экерт стали конструировать новую машину, которая могла бы хранить программу в своей памяти .

В 1945 г. к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман совместно с другими учеными.

Журнал «Nature» в 1946 г. опубликовал статью Джона фон Неймана в соавторстве с другими менее известными учеными «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства». В этой статье ясно и просто были изложены общие принципы устройства и работы ЭВМ. Главный из них – принцип хранения в памяти программы, согласно которому данные и программа помещается в общую .

Принципиальное описание устройства и работы компьютера принято называть архитектурой ЭВМ. Идеи, изложенные в упомянутой выше статьи, получили название «принципы Джона фон Неймана » или «архитектура фон Неймана ».

Машина Эдвак

Совместной разработкой Мочли, Экерта и фон Неймана можно считать следующую модель после ENIAC – это машина Эдвак (EDVAC, сокр. от Electronic Discrete Automatic Variable Computer – электронный дискретный переменный компьютер). Ее более вместительная внутренняя память содержала не только данные, но и программу. В отличие от ENIAC это компьютер на , а не десятичной основе.

Как и ENIAC, EDVAC был разработан в Лаборатории баллистических исследований Армии США и является первым компьютером, построенным на основе принципов Джона фон Неймана.

Названные машины существовали в единственных экземплярах. А заводское, серийное производство ЭВМ началось в развитых странах мира в 50-х годах 20 века.

МЭСМ в СССР

В нашей стране (СССР) первая ЭВМ была создана в 1951 году. Называлась она МЭСМ – малая электронная счетная машина. Конструктором МЭСМ был Сергей Алексеевич Лебедев. Под его руководством в 50-х годах были построены серийные ламповые ЭВМ БЭСМ-2, М-20.

Ряд последующих машин и разработок С.А.Лебедева способствовали созданию более совершенных машин .

Когда компьютеры были большими

Жесткий диск (целая тумба), на который в начале 1960-ых годов мог поместиться всего один снимок, сделанный современным цифровым аппаратом

В заключение хочу предложить Вашему вниманию небольшой видеорепортаж из Музея информатики в Париже. Вы увидите своими глазами

• электровакуумную лампу,
• перфокарты,
• процессор,
• микропроцессор,
• модем,
• узнаете о двоичной системе счисления, принципах первого Интернета:

ENIAC

Первая в мире электронно-вычислительная машина

ENIAC первая универсальная электронная цифровая вычислительная машина, на фото выше была установлена на полигоне Абердин, штат Мэриленд. Она весила около 30 тонн и занимала 15 000 квадратных метров жилой площади.

ENIAC содержал более 19 000 вакуумных трубок. Его вычислительная мощность составляла 5000 операций в секунду. Вследствие чего вычисления на ENIAC занимало длительное время. Операторы соединяли проводами разъемы плат для программирования необходимых операций и вводили числа, используемые в расчетах, поворачивая циферблаты, пока те не соответствовали правильной цифры.

По сегодняшним меркам, ENIAC был медленным, но в 60 раз быстрее, чем механические дифференциальные анализаторы, на замену которых он пришел и для своего времени этот компьютер стал большим достижением. ENIAC «правил» в области компьютерных технологий в период с 1949 по 1952 г., когда он служил в качестве основного компьютера для решения научных проблем нации. Это был главный инструмент вычисления всех баллистических таблиц для американской армии и ВВС.

ENIAC был перевезен в Научно-исследовательскую лабораторию баллистики (BRL) в 1946 году. Его практически не использовали для решения «сложных ядерных задач», но он занимался вычислением баллистических таблиц для ракетного полигона Уайт-Сэндс.

В научно-исседовательской лаборатории было много новинок. Около 1958/1959 BRL решила построить очень высокопроизводительная ЭВМ для научных расчетов. Им стал BRLESC (BRL Electronic Scientific Computer). Это был очень дорогой и мощный компьютер и создан на основе вакуумных ламп в то время, когда все коммерческие компьютеры переключались на выпуск полупроводниковых приборов.

BINAC

Следующей машиной, произведенной командой Eckert & Mauchly, стал Binac, компьютер специального назначения. Создан был только в одном экземпляре. Binac воплотил четыре важных новшества:

• первый компьютер, который использовал параллельную вместо последовательной логику;
• первый компьютер, который можно запрограммировать изнутри;
• первый компьютер, который использовал магнитную ленту;
• первый компьютер, который был построен на полупроводниковых элементах.

Внутреннее программирование устранило длительную и утомительную задачу изменения поставленной задачи, пересоединяя кабелей открытой проводки.

В системах параллельной логики, если хотите сложить два трехзначных числа, каждое число обозначает три схемы сложения, одно для каждого столбца. В последовательной машине столбцы добавлены по одному, последовательно. Такое устройство уменьшило количество элементов системы, что привело к улучшению отказоустойчивости компьютера и удешевило его.

В Binac использовалось ограничение по диаметру катушек магнитной ленты. Небольшие, двух дюймовые катушки стали предшественниками сложной системы ввода и хранения данных на магнитной ленте.

Частично, Binac достиг скорости вычислений, сравнимых со скоростью последовательных машин, построенных на полупроводниковых диодах вместо вакуумных ламп.

Все последовательные машины представляли собой гигантские сети, коммутируемые проводами. Вакуумные трубки по-прежнему использовались для усиления сигналов, но первое использование кристалических диодов, еще в 1948 году, легло в основу современных полупроводниковых компьютеров с их значительно увеличившейся скоростью обработки информации и значительно уменьшившимися размерами, мощностью и требованиями к охлаждению.

Память, используемая в BINAC, был ртутный бак. Конструкция этого устройства хранения была основана на очень простом принципе: электрический импульс может быть преобразован в звуковой импульс (с помощью пьезоэлектрического кристалла кварца). Звуковой импульс проходит сквозь бак, заполненый ртутью на относительно низкой скорости и может быть снова преобразован в электрический импульс другим кристаллом, усилен и передан обратно в резервуар. «Бит» информации продолжает циркулировать до тех пор, пока его не затребует компьютер. Mercury Delay Memory также использовался в Univac

Часть 2. Eniac и Binac | 2013-08-16 07:10:28 | Super User | Развитие компьютерной техники | https://сайт/media/system/images/new.png | ENIAC Первая в мире электронно-вычислительная машина ENIAC | Eniac, Binac

Машина Эниак (ENIAC, аббревиатура от Electronic Numerical Integrator and Computer - электронный цифровой интегратор и вычислитель), подобно Марк-1 Говарда Эйкена, также предназначалась для решения задач баллистики. Но в итоге она оказалась способной решать задачи из самых различных областей.
ENIAC
С самого начала войны сотрудники Лаборатории баллистических исследований министерства обороны США, расположенной в районе Абердинского полигона, шт. Мэриленд, трудились над созданием баллистических таблиц, столь необходимых артиллеристам на полях сражений. Значение этих таблиц трудно переоценить. С их помощью артиллеристы могли делать поправки при наводке орудия с учетом расстояния до цели, ее высоты над уровнем моря, а также метеорологических условий - ветра и температуры воздуха. Однако для построения таблиц требовались очень длинные и утомительные вычисления - для расчета лишь одной траектории приходилось выполнять минимум 750 операций умножения, а каждая таблица включала не менее 2000 траекторий. Правда, дифференциальный анализатор позволил несколько ускорить расчеты, но это устройство давало лишь приближенные результаты, для уточнения которых привлекались затем десятки людей, работавших с обычными настольными калькуляторами.
Война разрасталась, военные разработки требовали ускорения, лаборатория не справлялась с работой и в конце концов вынуждена была обратиться за помощью. В расположенном неподалеку Высшем техническом училище Пенсильванского университета был создан вспомогательный вычислительный центр. Училище располагало дифференциальным анализатором, однако двое сотрудников вычислительного центра, Джон У. Мочли и Дж. Преспер Эккерт, вознамерились придумать кое-что получше.


Джон У. Мочли(слева) и Дж. Преспер Эккерт(справа)
Мочли, физик, увлекавшийся метеорологией, давно мечтал о создании устройства, которое позволило бы применить статистические методы для прогнозирования погоды. Перед войной он смастерил несколько простых цифровых счетных устройств на электронных лампах. Возможно, интерес к электронным вычислительным машинам возник у него под влиянием идей Джона Атанасоффа, работавшего в шт. Айова. В июне 1941 г. Мочли в течение пяти дней гостил у Атанасоффа, наблюдая, как тот вместе со своим помощником Клиффордом Берри трудился над прототипом компьютера, содержащим около З00 электронных ламп.
Существенным или нет оказалось влияние Атанасоффа - позже этот вопрос стал предметом судебной тяжбы, - но вдохновил Мочли на эту работу Прес Эккерт. Моложе Мочли на 12 лет Эккерт был поистине виртуозом в технике. В возрасте восьми лет он построил миниатюрный приемник. Как вспоминал позднее Мочли, Эккерт убедил его, что «мечты О компьютере можно осуществить на практике».
В августе 1942 г. Мочли написал нечто вроде заявки на пяти страничках, где вкратце изложил их совместное с Эккертом предложение о создании быстродействующего компьютера на электронных лампах. Заявка затерялась в инстанциях. Однако через несколько месяцев лейтенант Герман Голдстейн, прикомандированный к училищу военный представитель, случайно услышал об этой идее. В то время армия крайне нуждалась в новых баллистических таблицах. Артиллеристы сообщали из Северной Африки, что из-за очень мягкого грунта орудия далеко откатываются при отдаче и снаряды не достигают цели.

Голдстейн, до войны преподававший математику в Мичиганском университете, сразу же оценил значение предлагаемого проекта компьютера и начал хлопотать от имени военного командования, чтобы проект приняли к разработке. Наконец, 9 апреля 1943 г. - в день, когда Эккерту исполнилось 24 года, - армия заключила с училищем контракт на 400 тыс. долл., предусматривающий создание компьютера Эниак.
Группа специалистов, работавшая над этим проектом, в конечном счете выросла до 50 человек. Мочли был главным консультантом проекта, Эккерт - главным конструктором. Разные по своему характеру и привычкам эти два человека прекрасно дополняли друг друга. Быстрый и общительный Мочли генерировал идеи, а сдержанный, хладнокровный и осторожный Эккерт подвергал эти идеи строгому анализу, желая убедиться, что они действенны. «Он обладал потрясающей способностью переводить все на практический уровень, пользуясь простыми техническими средствами, - так охарактеризовал Эккерта один из членов группы, - Преспер был не тем человеком, который мог бы потеряться в тысяче уравнений».
Конструкция машины выглядела фантастически сложной - предполагалось, что она будет содержать 17468 ламп. Такое обилие ламп отчасти объяснялось тем, что Эниак должен был работать с десятичными числами. Мочли предпочитал десятичную систему счисления, ибо хотел, чтобы «машина была понятна человеку». Однако столь большое количество ламп, которые, перегреваясь, выходили из строя, приводили к частым поломкам. При 17 тыс. ламп, одновременно работающих с частотой 100 тыс. импульсов в секунду, ежесекундно возникало 1,7 млрд. ситуаций, в которых хотя бы одна из ламп могла не сработать. Экерт разрешил эту проблему, позаимствовав прием, который широко использовался при эксплуатации больших электроорганов в концертных залах: на лампы стали подавать несколько меньшее напряжение, и количество аварий снизилось до одной-двух в неделю.

Экерт разработал также программу строгого контроля исправности аппаратуры. Каждый из более чем 100 тыс. электронных компонентов 30-тонной машины подвергался тщательной проверке, затем все они аккуратно расставлялись по местам и запаивались, а иногда и перепаивались не раз. Эта работа потребовала большого напряжения сил всех членов группы, включая Мочли, ее «мозговой центр».


В конце 1945 г., когда ENIAC был наконец собран и готов к проведению первого официального испытания, война, нуждам которой он был призван служить, окончилась. Однако сама задача, выбранная для проверки машины, - расчеты, которые должны были ответить на вопрос о принципиальной возможности создания водородной бомбы, - указывала на то, что роль компьютера в послевоенные годы и годы «холодной войны» не снижалась, а скорее возрастала.
Эниак успешно выдержал испытания, обработав около миллиона перфокарт фирмы IBM. Спустя два месяца машину продемонстрировали представителям прессы. По своим размерам (около 6 м в высоту и 26 м в длину) этот компьютер более чем вдвое превосходил Марк-1 Говарда Эйкена.
Эйкен Говард Хатауэй
Однако двойное увеличение в размерах сопровождалось тысячекратным увеличением в быстродействии. По словам одного восхищенного репортера, Эниак работал «быстрее мысли».


Не успел Эниак вступить в эксплуатацию, как Мочли и Эккерт уже работали по заказу военных над новым компьютером. Главным недостатком компьютера Эниак были трудности, возникавшие при изменении вводимых в него инструкций, т. е. программы. Объема внутренней памяти машины едва хватало для хранения числовых данных, используемых в расчетах. Это означало, что программы приходилось буквально «впаивать» в сложные электронные схемы машины. Если требовалось перейти от вычислений баллистических таблиц к расчету параметров аэродинамической трубы, то приходилось бегать по комнате, подсоединяя и отсоединяя сотни контактов, как на ручном телефонном коммутаторе. В зависимости от сложности программы такая работа занимала от нескольких часов до двух дней. Это было достаточно веским аргументом, чтобы отказаться от попыток использовать Эниак в качестве универсального компьютера.

ЭВМ 1-ого поколения. Эниак (ENIAC)

Начиная с 1943 года, группа специалистов под руководством Говарда Эйкена, Дж. Моучли и П. Эккерта в США начала конструировать вычислительную машину на основе электронных ламп, а не на электромагнитных реле. Эта машина была названа ENIAC (Electronic Numeral Integrator And Computer) и работала она в тысячу раз быстрее, чем «Марк-1». ENIAC содержал 18 тысяч вакуумных ламп, весил 30 тонн и потреблял мощность 150 киловатт. ENIAC имел и существенный недостаток - управление им осуществлялось с помощью коммутационной панели, у него отсутствовала память, и для того чтобы задать программу приходилось в течение нескольких часов или даже дней подсоединять нужным образом провода. Худшим из всех недостатков была ужасающая ненадежность компьютера, так как за день работы успевало выйти из строя около десятка вакуумных ламп.

Чтобы упростить процесс задания программ, Моучли и Эккерт стали конструировать новую машину, которая могла бы хранить программу в своей памяти. В 1945 году к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который подготовил доклад об этой машине. В этом докладе фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, т.е. компьютеров. Это первая действующая машина, построенная на вакуумных лампах, официально была введена в эксплуатацию 15 февраля 1946 года. Эту машину пытались использовать для решения некоторых задач, подготовленных фон Нейманом и связанных с проектом атомной бомбы. Затем она была перевезена на Абердинский полигон, где работала до 1955 года.

ENIAC стал первым представителем 1-го поколения компьютеров. Любая классификация условна, но большинство специалистов согласилось с тем, что различать поколения следует исходя из той элементной базы, на основе которой строятся машины. Таким образом, первое поколение представляется ламповыми машинами.

Практически все рекомендации фон Неймана впоследствии использовались в машинах первых трех поколений, их совокупность получила название «архитектура фон Неймана». Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 году английским исследователем Морисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 года Джон фон Нейман.

Новые машины первого поколения сменяли друг друга довольно быстро. В 1951 году заработала первая советская электронная вычислительная машина МЭСМ, площадью около 50 квадратных метров. МЭСМ имела 2 вида памяти: оперативное запоминающее устройство, в виде 4 панелей высотой в 3 метра и шириной 1 метр; и долговременная память в виде магнитного барабана объемом 5000 чисел.

Всего в МЭСМ было 6000 электронных ламп, а работать с ними можно было только после 1,5-2 часов после включения машины. Ввод данных осуществлялся с помощью магнитной ленты, а вывод - цифропечатающим устройством сопряженным с памятью. МЭСМ могла выполнять 50 математических операций в секунду, запоминать в оперативной памяти 31 число и 63 команды (всего было 12 различных команд), и потребляла мощность равную 25 киловаттам.

В 1952 году на свет появилась американская машина EDWAC. Стоит также отметить построенный ранее, в 1949 году, английский компьютер EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator) - первую машину с хранимой программой. В 1952 году советские конструкторы ввели в эксплуатацию БЭСМ - самую быстродействующую машину в Европе, а в следующем году в СССР начала работать «Стрела» - первая в Европе серийная машина высокого класса.

Среди создателей отечественных машин в первую очередь следует назвать имена С.А. Лебедева, Б.Я. Базилевского, И.С. Брука, Б.И. Рамеева, В.А. Мельникова, М.А. Карцева, А.Н. Мямлина. В 50-х годах появились и другие ЭВМ: «Урал», М-2, М-3, БЭСМ-2, «Минск-1», - которые воплощали в себе все более прогрессивные инженерные решения.

ЭВМ первого поколения, эти жесткие и тихоходные вычислители, были пионерами компьютерной техники. Они довольно быстро сошли со сцены, так как не нашли широкого коммерческого применения из-за ненадежности, высокой стоимости, трудности программирования.