Гладких Б.А. Информатика от абака до интернета. Введение в специальность

Подождите немного. Документ загружается.

§ 2.3] ПРОЕКТ ФОН НЕЙМАНА И ЕГО ВКЛАД В АРХИТЕКТУРУ ЭВМ 71

§ 2.3. Проект фон Неймана и его вклад в архитектуру

ЭВМ

Уже в процессе создания ENIAC выявился ее главный недостаток –

невозможность быстрого изменения программы вычислений. Для того

чтобы ввести программу, работающую несколько секунд, персонал

должен был в течение двух суток заниматься перекоммутированием

штекеров. Тем не менее Моучли и Эккерт не пошли по пути Бэббиджа и

не стали вносить принципиальные изменения в конструкцию. Вместо

этого они, параллельно с завершением работы над ENIAC, начали но-

вый проект, названный EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic

Computer – электронный дискретный изменяемый компьютер). Заяв-

ленная в названии изменяемость обеспечивалась тем, что программы в

новой машине предполагалось не зашивать в конструкцию, а хранить в

оперативной памяти, размер которой должен быть для этого достаточно

большим. Проблема состояла в том, чтобы найти физический принцип

для создания такой памяти, так как хранить каждый бит информации на

отдельном триггере из двух радиоламп – чересчур дорогое удоволь-

ствие

Эккерт предложил оригинальное решение, заимствованное из ра-

диолокационной техники: ультразвуковые линии задержки. Они пред-

ставляли собой трубки, наполненные ртутью. На одном конце поме-

щался излучатель, преобразующий электрические сигналы в акустиче-

ские, а на другом – микрофон, осуществляющий обратное преобразова-

ние. Пока акустические сигналы бегут вдоль трубки, они сохраняют

информацию, подобно тому, как ущелье хранит эхо. Таким образом

удается на одной трубке запомнить до тысячи бит.

Кроме хранения программ в памяти, машина EDVAC должна была

иметь еще одну важную особенность: все числа должны были в ней

храниться в двоичной системе счисления. Это позволяло значительно

упростить и удешевить электронные схемы.

В конце 1944 года, когда прояснялись основные контуры будущей

машины, в группе разработчиков появился еще один участник. По на-

стоянию Голдстайна в качестве консультанта проекта был приглашен

Создание быстродействующей памяти большого объема – ключевая проблема

вычислительной техники. Достижения в этой области определяли на протяжении

нескольких поколений ЭВМ и определяют во многом до сих пор достигаемый уро-

вень производительности компьютеров.

72 ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ [ГЛАВА 2

знаменитый математик Джон фон Нейман, и этот факт имел далеко

идущие последствия.

Джон (Янош) фон Нейман (Neumann, John

von; 1903–1957) – легендарная фигура в истории

науки, один из самых знаменитых ученых XX ве-

ка. Венгр по происхождению, он закончил Буда-

пештский университет, во время гитлеризма в

1930 году эмигрировал в США, где вместе с дру-

гими выдающимися европейскими учеными при-

нял участие в знаменитом Манхеттенском проекте

по созданию первой атомной бомбы. Оказавшись

среди разработчиков EDVAC, фон Нейман сразу

понял, какие широкие возможности открываются

перед компьютерами. Обладая четким математи-

ческим мышлением и прекрасным стилем речи, фон Нейман уже через

полгода, в июне 1945 года вместе с Г. Голдстайном и А. Берксом

(Burks, Arthur Walter; р. 1915) написал отчет на 101 странице «Предва-

рительное рассмотрение логической конструкции электронного вычис-

лительного устройства». В этой, ставшей классической, работе четко и

ясно, без технических подробностей, на логическом уровне излагались

основные принципы построения универсальной вычислительной маши-

ны. Эти принципы сводились к следующему:

• машина должна состоять из следующих основных блоков:

арифметического устройства, оперативной памяти, устройства

управления, устройства ввода, устройства вывода, устройства

внешней памяти;

• команды программы должны храниться в оперативной памяти,

откуда они последовательно выбираются и исполняются ариф-

метическим устройством, система команд должна иметь опера-

ции условной и безусловной передачи управления. Команды

должны рассматриваться как обычные данные, т.е. программа

должна иметь возможность модифицировать себя в процессе

вычислений;

• команды и данные должны храниться и обрабатываться в дво-

ичной системе счисления.

Таким образом, в отчете описывалась архитектура компьютера, ко-

торая с позиций сегодняшнего дня кажется очевидной, однако на со-

временников эта работа произвела очень глубокое впечатление, так как

это была первая публикация по логическому устройству вычислитель-

Джон фон Нейман

(1903–1957)

§ 2.3] ПРОЕКТ ФОН НЕЙМАНА И ЕГО ВКЛАД В АРХИТЕКТУРУ ЭВМ 73

ной машины. Поскольку самым известным автором отчета был фон

Нейман, то общественное мнение приписало все идеи ему, оставив в

тени остальных соавторов. Классическая архитектура компьютера с тех

пор стала называться фоннеймановской.

Когда отчет был опубликован, Моучли и Эккерт очень обиделись.

Они считали (и не без основания), что все идеи были коллективными,

поэтому фон Нейман имел на них не больше прав, чем другие. Более

того, они надеялись получить патент на конструкцию вычислительной

машины, а широкая публикация принципов ее построения этому

мешала.

Споры относительно патентования стали настолько острыми, что в

марте 1946 года Моучли и Эккерт окончательно рассорились с Голд-

стайном и ушли из Пенсильванского университета, организовав собст-

венное предприятие. Группа разработ-

чиков распалась, поэтому работы над

проектом EDVAC затормозились и ма-

шина была создана лишь в 1950 году,

через год после того, как в Великобри-

тании заработала первая ЭВМ с храни-

мой программой.

Английская машина называлась

EDSAC (Electronic Delay Storage

Automatic Calculator – электронный ав-

томатический калькулятор с памятью на

линиях задержки), она была построена в

Кембриджском университете, на родине

Чарльза Бэббиджа, Морисом Уилксом

(Wilkes, Maurice; р. 1913). В 1946 году

Уилкс посетил Пенсильванский универ-

М. Уилкс у машины EDSAC

(1949 г.)

Немецкая шифровальная

машина Enigma. Ее шифр

был неуязвимым до тех пор,

пока не был взломан

Тьюрингом с помощью

компьютера Colossus

74 ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ [ГЛАВА 2

ситет, где прослушал курс лекций Моучли и Эккерта об электронных

компьютерах. Вернувшись на родину, он развил бурную деятельность и

сумел воспроизвести конструкцию злополучного EDVAC на год рань-

ше американцев. Таким образом, Европа включилась в гонку за передо-

выми компьютерными технологиями.

Между прочим, в Великобритании во время войны был накоплен

значительный опыт создания сложных электронных устройств. Наибо-

лее успешным был сверх-

секретный проект создания

логической специализиро-

ванной машины Colossus –

«Колосс», предназначенной

для расшифровки немецких

военных шифров. Машина

насчитывала 2000 электрон-

ных ламп и работала с фан-

тастической скоростью, об-

рабатывая около 25000 сим-

волов в секунду. К сожале-

нию, компьютерная общест-

венность в течение многих

лет ничего не знала об этом выдающемся проекте, поскольку все сведе-

ния о нем были засекречены, и только в 1975 году, через 30 лет после

окончания войны, британское правительство опуб-

ликовало отрывочные сведения о машине, однако

большая часть материалов до сих пор остается госу-

дарственной тайной. В числе авторов «Колосса» был

выдающийся британский математик Алан Тьюринг

(Turing, Alan Mathison; 1912–1954), создатель теории

алгоритмов и гипотетической «машины Тьюринга».

Один из участников проекта так оценивал результат

работы: «Я не могу сказать, что мы выиграли войну

благодаря Тьюрингу, но беру на себя смелость ска-

зать, что без него мы могли бы ее и проиграть».

Мировая война закончилась, компьютеры начали

осваивать мирные профессии. Начался период коммерческого произ-

водства и использования электронных вычислительных машин.

Компьютер Colossus (1943 г.)

Алан Тьюринг

(1912–1954)

§ 2.4] ПЕРВЫЕ ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ. ФОРМИРОВАНИЕ ИНДУСТРИИ И РЫНКА ЭВМ 75

§ 2.4. Первые поколения ЭВМ. Формирование

индустрии и рынка ЭВМ

Как мы знаем, в первое послевоенное время пути создателей ЭВМ

разошлись. Никто из них не получил исключительного права на исполь-

зование сделанных изобретений, поэтому каждый пошел своей дорогой

и попытался добиться коммерческого успеха на ниве производства

электронных компьютеров.

Моучли и Эккерт, покинув Пенсильванский университет, основали

в Филадельфии собственную фирму Eckert & Mauchly Computer

Corporation, имея целью разработать коммерческий компьютер. В

1951 году ими была создана модель

UNIVAC (UNIVersal Automatic

Computer), которая стала первым в

США серийным компьютером, пред-

назначенным для свободной продажи.

Машина имела ОЗУ объемом в

1000 слов на ртутных линиях задерж-

ки, выполняла 2000 сложений и

500 умножений в секунду. Кроме то-

го, в компьютере были внешнее запо-

минающее устройство на магнитной

ленте и быстродействующее построч-

ное печатающее устройство. Произ-

водство и продажу UNIVAC взяла на

себя фирма Remington Rand, которая

вскоре поглотила фирму Эккерта и Моучли. Всего было продано

48 экземпляров компьютера по цене более 1 млн долларов за каждый.

Фон Нейман и Голдстайн перешли на работу в Институт перспек-

тивных исследований в Принстоне и там разработали несколько моде-

лей ЭВМ: IAC, JOHNNIAC (в честь Джона фон Неймана) и др.

Почувствовав спрос, к производству ЭВМ в начале 50-х годов по-

степенно подключились многие фирмы, производившие до того табуля-

торы и другую точную механику (арифмометры, пишущие машинки,

кассовые аппараты). В США это были Sperri Rand, Burroughs, в Велико-

британии – Leo, во Франции – Bull, в Германии – Siemens, Zuse и др.

Каждая фирма шла своим путем, машины выпускались небольшими

партиями, были совершенно несовместимы друг с другом по аппарату-

UNIVAC (1951 г.)

76 ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ [ГЛАВА 2

ре и системе команд. Формировавшийся рынок компьютеров тех лет

отличался большим разнообразием и ожесточенной конкуренцией

производителей.

Фирма IBM, нажившая огромное состояние на перфо-

карточном и конторском оборудовании, славилась кон-

серватизмом и не торопилась бросаться в конкурент-

ную борьбу. Она даже отвергла предложение Эккерта и Моучли купить

их фирму до того, как это сделала Remington Rand. Однако через неко-

торое время IBM поняла, что элек-

тронная техника – это всерьез и на-

долго, к тому же ей необходимо бы-

ло ответить на оскорбление, нане-

сенное Говардом Эйкеном. В резуль-

тате фирма сделала решительный

поворот и занялась электронными

компьютерами с присущими ей ос-

новательностью и размахом. В

1952 году была выпущена базовая

модель IBM-701, за ней последовала

702-я и т.д. Постепенно компьютеры

IBM заняли лидирующее положение,

а фирма превратилась в крупнейшего

монополиста, контролировавшего в 1950–60-х годах до 70% мирового

рынка ЭВМ. Этому немало способствовала агрессивная маркетинговая

Позиция

фирмы IBM

Президент IBM Томас Уотсон

старший у пульта IBM-701

JOHNNIAC

§ 2.4] ПЕРВЫЕ ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ. ФОРМИРОВАНИЕ ИНДУСТРИИ И РЫНКА ЭВМ 77

политики IBM. Суть ее в том, что в течение ряда лет компьютеры не

продавались, а только сдавались в аренду с непременным условием об-

служивания работниками фирмы. С одной стороны, это было выгодно

потребителям, так как компьютеры в 50-е годы стоили безумно дорого,

от 500 тыс. до миллиона долларов и выше, с другой – пользователь

прочно привязывался к продукции конкретного производителя. Кроме

того, фирма IBM пошла на беспрецедентные льготы при поставке ком-

пьютеров университетам, в большинстве случаев они устанавливались

там совершенно бесплатно. Очень большие средства «голубой гигант»

вкладывал в научные исследования, стараясь поддерживать технологи-

ческий отрыв от конкурентов. Именно в лабораториях фирмы IBM в

50-е и 60-е годы были изобретены многие технические новинки, разра-

ботаны первые компиляторы, системы управления базами данных и др.

Электронные вычислительные машины принято

делить на поколения. В основу деления обычно

кладется природа основных логических элементов (лампы, транзисто-

ры, микросхемы, микропроцессоры), однако компьютеры одного поко-

ления имеют и другие общие черты. В

таблице приведены основные усреднен-

ные характеристики первых двух поколе-

ний (речь идет о западном рынке, развитие вычислительной техники в

СССР шло с большим запаздыванием, о чем мы поговорим позже).

Рекордсменом среди машин первого и второго поколений была мо-

дель IBM-7030 «Stretch», т.е. «напряженная, усиленная», имевшая бы-

стродействие 500 тыс. операций/с, объем памяти до 262 тыс. 64-разряд-

ных слов. Стоимость гигантской по тем временам машины составляла

10 млн долларов. Разработанная в конце 50-х годов по заданию Мини-

Поколения ЭВМ

ЭВМ первого поколения

строились из громоздких

и ненадежных ячеек на базе

электронных ламп

Транзисторные ячейки ЭВМ

второго поколения отлича-

лись меньшими размерами

и большей надежностью

78 ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ [ГЛАВА 2

стерства обороны США, она применялась для выполнения расчетов по

ядерной программе, а также для обслуживания особо секретных шиф-

ровальных систем.

Как уже отмечалось, компь-

ютеры первых поколений отли-

чались исключительным разно-

образием, однако общей чертой

всех существовавших архитек-

тур было отсутствие масштаби-

руемости и совместимости.

Масштабируемость (scaleability) означает

принципиальную возможность изменять

конфигурацию компьютера в процессе экс-

плуатации, адаптируя его к конкретным условиям применения. Ничего

такого в конструкциях первых ЭВМ не было, подключение каждого

дополнительного устройства требовало изменения системы команд,

поэтому, если пользователь исчерпывал возможности имеющегося у

него компьютера, ему приходилось приобретать новый.

Совместимость (compatibility) проявляется на аппаратном и про-

граммном уровнях. Аппаратная совместимость дает возможность ком-

плексировать аппаратуру разных производителей, что предполагает

унификацию разъемов, электрических параметров и логики сигналов

(говоря современным языком – интерфейса) различных устройств. Про-

Первое поколение Второе поколение

Годы

1951–1960 1960–1965

Основной логический

элемент

Электронная лампа Транзистор

Быстродействие (оп./с) 1000 – 10 000 10 000 – 1 000 000

Технология и емкость

оперативной памяти

(слов)

Линии задержки,

электронно-лучевые

трубки,

1000 – 10 000

Ферритовые матрицы,

10 000 – 1 000 000

Устройства ввода-вывода Перфокарты, перфоленты, алфавитно-

цифровые печатающие устройства

Мировой парк > 5000 шт. (1960 г.) >30 000 шт. (1965 г.)

Масштабируемость

и совместимость

IBM 7030 «Stretch»

§ 2.5] МАШИНА IBM-360 И ТРЕТЬЕ ПОКОЛЕНИЕ ЭВМ 79

граммная совместимость обеспечивает работоспособность программы,

написанной для одного компьютера, на другом без какой-либо пере-

компиляции и редактирования.

Несовместимость компьютеров на ранних стадиях развития вычис-

лительной техники во многом была умышленной, так как при отсутст-

вии лидера каждая фирма старалась отмежеваться от конкурентов. Од-

нако к середине 60-х годов, когда лидерство IBM стало бесспорным,

несовместимость стала бить по самим производителям, потому что к

этому времени стал накапливаться богатый фонд программного обеспе-

чения. Если раньше банку или конторе ничего не стоило нанять про-

граммиста и переписать небольшое число используемых программ под

уникальную систему команд нового компьютера, то теперь переделка

всего громоздкого программного обеспечения могла оказаться слишком

дорогим делом, дешевле было купить новый, но совместимый со ста-

рыми программами компьютер.

Несмотря на все свои недостатки, компьютеры первых двух поко-

лений стали теми рабочими лошадками, на которых были рассчитаны

орбиты первых космических ракет, решены ранее недоступные задачи

физики, химии, техники. Порожденные научно-техническим прогрес-

сом, они стали его мощнейшим катализатором. На этих машинах вы-

училось первые поколения программистов, были разработаны первые

компиляторы, операционные системы, СУБД – все то, что составляет

фундамент современной информатики.

§ 2.5. Машина IBM-360 и третье поколение ЭВМ

7 апреля 1964 года компания IBM объявила об успешном заверше-

нии выполнявшегося несколько лет в глубоком секрете проекта и вы-

пуске в продажу принципиально новой серии компьютеров IBM

System/360, на разработку которой фирма потратила около 5 млрд дол-

ларов, поставив на карту все свое благосостояние. Еще никогда эта ос-

торожнейшая компания так не рисковала, однако история рассудила,

что риск был оправданным, так как система 360 в одночасье отправила

в разряд морально устаревших все современные ей компьютеры, от-

крыв дорогу новому, третьему поколению ЭВМ.

Как расшифровывается число 360? На этот счет есть два мнения.

Одни утверждают, что это – система 3-го поколения 60-х годов (эта

версия подтверждается тем, что в 70-х годах появилась серия 370), дру-

80 ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ [ГЛАВА 2

гие склонны думать, что здесь содержится намек на универсальность

машины (360 градусов во все стороны).

В системе 360 новым было все. Никогда до этого новая модель

не включала в себя столько новаций. Нельзя сказать, что все они были

изобретением IBM, но, собранные воедино, они породили новое ка-

чество.

• Во-первых, была применена новая элементная база – инте-

гральные микросхемы, что позволило на порядок увеличить

сложность устройств при гарантированной надежности.

• Во-вторых, в системе был реализован принцип микропро-

граммного управления. Этот принцип позволил иметь в машин-

ном языке широкий набор сложных команд (CISC – Complex

Instructions Set Computing – вычисления с набором сложных ко-

манд). Каждая машинная команда, в свою очередь, представля-

ется последовательностью простейших микрокоманд, непосред-

ственно выполняемых аппаратурой процессора. Эти последова-

тельности (микропрограммы) хранятся в специальной сверхбы-

строй памяти, при исполнении машинной команды происходит

ее «раскрутка» микропрограммой. Такой подход позволяет раз-

личным по мощности и организации процессорам иметь один и

тот же машинный язык.

• В-третьих, в качестве основных внешних запоминающих уст-

ройств были использованы не тихоходные магнитные ленты,

IBM-360 (1964 г.)