Введение в специальность

72

		тский университет, во время гитлериз-
		ма в 1930 г. эмигрировал в США, где
		вместе с другими выдающимися евро-
		пейскими учеными принял участие в
		знаменитом Манхеттенском проекте по
		созданию первой атомной бомбы. Фон
		Нейман написал выдающиеся труды по
		чистойматематике, однакоосновнаяис-
		торическаязаслугафонНейманасосто-
		ит в том, что он применил
		математическиеметодывдругихнауках.
		ВместесэкономистомОскаромМорген-
	ДжонфонНейман	штерномв1944 г. издалклассическиую
		книгу«Теорияигриэкономическое по-
	(1903—1957)
		ведение», в которой излагались основы
	новой математической теории игр.

Оказавшись среди разработчиков EDVAC, фон Нейман сразу понял, какие широкие возможности открываются перед компьютерами. Обладая четким математическим мышлением и прекрасным стилемречи, фонНейманужечерезполгода, виюне1945 годавместе с Г.Голдстейном и А.Берксом написал отчет на 101 странице «Предварительноерассмотрениелогическойконструкцииэлектронноговычислительногоустройства». Вэтой, ставшейклассической, работе, четкоиясно, безтехническихподробностей, налогическом уровнеизлагалисьосновныепринципыпостроенияуниверсальной вычислительной машины. 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 арифметическим устройством, система команд должна иметь

73

операции 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 двоичной системе счисления.

Такимобразом, вотчетеописываласьархитектуракомпьютера, котораяспозицийсегодняшнегоднякажетсяочевидной, однакона современников эта работа произвела очень глубокое впечатление, так как это была первая публикация по логическому устройству вычислительной машины. Поскольку самым известным автором отчета был фон Нейман, то общественное мнение приписало все идеиему, оставиввтениостальныхсоавторов. 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. Болеетого, онинадеялисьполучитьпатентнаконструкцию вычислительной машины, а широкая публикация принципов ее построенияэтомумешала.

Споры относительно патентования стали настолько острыми, что в марте 1946 г. Моучли и Эккерт окончательно рассорились с Голдстейном и ушли из Пенсильванского университета, организовав собственное предприятие. Группа разработчиков распалась, поэтомуработынадпроектомEDVAC затормозилисьимашинабыла создана лишь в 1950 г., черезгод после того, как в Великобритании заработалаперваяЭВМсхранимойпрограммой.

АнглийскаямашинаназываласьEDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator — электронныйавтоматическийкалькуляторс памятью на линиях задержки), она была построена в Кембриджскомуниверситете, народинеЧарльзаБэббиджа, МорисомУилксом (Moris Wilkes). В1946 г. УилкспосетилПенсильванскийуниверситет, где прослушал курс лекций Моучли и Эккерта об электронных компьютерах. Вернувшись на родину, он развил бурную деятель-

74

	ность и сумел воспроизвести кон-
	струкциюзлополучногоEDVAC на
	годраньшеамериканцев. Такимоб-
	разом Европа включилась в гонку
	за передовыми компьютерными
	технологиями.
	Между прочим, в Великобри-
	тании во время войны был накоп-
	лен значительный опыт создания
	сложных электронных устройств.
	Наиболееуспешнымбылсверхсек-
	ретный проект создания логичес-
	кой специализированной машины
	«Колосс», предназначенной для
М.Уилкс у машины EDSAC	расшифровки немецких военных
	шифров. Машина насчитывала
(1849 г.)	2000 электронныхлампиработала

сфантастическойскоростью, обрабатываяоколо25 000 символовв секунду. Однимизсоздателей«Колосса» былвыдающийсябританскийматематикАланТьюринг(Alan Turing, 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 сказать, что без него мы могли бы ее и проиграть».

Мировая война закончилась, компьютеры начали осваивать мирныепрофессии. Началсяпериодкоммерческогопроизводстваи использованияэлектронныхвычислительныхмашин.

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 использование сделанных изобретений, поэтому каждый пошел своейдорогойипопыталсядобитьсякоммерческогоуспехананиве производстваэлектронныхкомпьютеров.

Моучли и Эккерт, покинув Пенсильванский университет, основали в Филадельфии собственную фирму «Eckert & Mauchly Computer Corporation», имеяцельюразработатькоммерческийкомпьютер. В1951 годуимибыласозданамодельUNIVAC (UNIVersal Automatic Computer), котораясталапервымвСШАсерийнымкомпьютером, предназначеннымдлясвободнойпродажи. Машинаимела ОЗУобъемомв1000 словнартутныхлинияхзадержки, выполняла 2000 сложенийи500 умноженийвсекунду. Крометоговкомпьютере были внешнее запоминающее устройство на магнитной ленте и быстродействующеепострочноепечатающееустройство. Производство и продажу UNIVAC взяла на себя фирма «Remington Rand», которая вскоре поглотила фирму Эккерта и Моучли. Всего было продано48 экземпляровкомпьютерапоценеболее1 млн. долларов

за каждый..
Фон Нейман и Гольд-
стейн перешли на работу
в Институт перспектив-
ных исследований в
Принстонеитамразрабо-
тали несколько моделей
ЭВМ: IAC, JOHNIAC (в
честь Джона фон Нейма-
на) и др.
Почувствовав спрос,
к производству ЭВМ в	ЭВМ UNIVAC (1951 г.)

76

начале50-хгодовпостепенноподключилисьмногиефирмы, производившиедотоготабуляторыидругуюточнуюмеханику(арифмометры, пишущие машинки, кассовые аппараты). В США это были

«Sperri Rand», «Burroughs», вВеликобритании— «Leo», воФранции — «Bull», в Германии — «Siemens», «Zuse» и др. Каждая фир-

машласвоимпутем, машинывыпускалисьнебольшимипартиями, былисовершеннонесовместимыдругсдругомпоаппаратуреисистемекоманд. Формировавшийсярыноккомпьютеровтехлетотличался большим разнообразием и ожесточенной конкуренцией производителей.

	Позиция	Фирма IBM, нажившая огромное состояние на
		перфокарточномиконторскомоборудовании, сла-
	фирмыIBM
		виласьконсерватизмоминеторопиласьбросать-

ся в конкурентную борьбу. Она даже отвергла предложение Эккерта и Моучли купить их фирму до того, как это сделала «Remington Rand». ОднакочерезнекотороевремяIBM поняла, чтоэлектронная техника — это всерьез и надолго, к тому же ей необходимо было ответитьнаоскорбление, нанесенноеГовардомАйкеном. Врезультате фирма сделала решительный поворот и занялась электроннымикомпьютерамисприсущимиейосновательностьюиразмахом. В 1952 г. была выпущена базовая модель IBM-701, за ней последовала 702-я и т. д. Постепенно компьютеры IBM заняли лидирующее положение, афирмапревратиласьвкрупнейшегомонополиста, контролировавшегоего в 50 — 60-х гг до 70 % мирового рынка ЭВМ. Этому немало способствовала агрессивная маркетинговая политикиIBM. Сутьеевтом, чтовтечениерядалеткомпьютерынепродавались, а только сдавались в аренду с непременным условием обслуживания работниками фирмы. С одной стороны, это было выгоднопотребителям, таккаккомпьюторыв50-егодыстоилибезум- но дорого, от 500 тыс. до миллиона долларов и выше, с другой — пользователь прочно привязывался к продукции конкретного производителя. Крометого, фирмаIBM пошланабеспрецедентныельготы при поставке компьютеров университетам, в большинстве случаев они устанавливались там совершенно бесплатно. Очень боль-

ПоколенияЭВМ

77

шие средства «голубой гигант» вкладывал в научные исследования, стараясь поддерживать технологический отрыв от конкурентов. Именно в лабораториях фирмы IBM в 50-е и 60-е годы были изобретенымногиетехническиеновинки, разработаныпервыекомпиляторы, системы управления базами данных и др.

Электронные вычислительные машины принято делить на поколения. В основу деленияобычнокладетсяприродаосновныхлогическихэлементов

(лампы, транзисторы, микросхемы, микропоцессоры), однако компьюторы одного поколения имеют и другие общие черты. В таблицеприведеныосновныеусредненныехарактеристикипервыхдвух поколений (речь идет о западном рынке, развитие вычислительной техники в СССР шло с большим запаздыванием, о чем мы поговоримпозже).

	Первое поколение	Второе поколение
Годы	1951--1960	1960--1965
Основной	Электронная лампа	Транзистор
логический элемент
Быстродействие	1000 -- 10 000	10 000 -- 1 000 000
(оп/с)
Технология и	Линии задержки,	Ферритовые
емкость оперативной	электронно-лучевые	матрицы,
памяти (слов)	трубки,	10 000 - 1 000 000
	100010 000
Устройства ввода-	Перфокарты, перфоленты, алфавитно-
вывода	цифровые печатающие устройства
Мировой парк	> 5000 шт. (1960 г.)	>30 000 шт. (1965 г.)

Рекордсменомсредимашин1 — 2 поколенийбыламодельIBM7030 «Stretch» т. е. «напряженная, усиленная», имевшая быстродействие500 тыс. операций/с, объемпамятидо262 тыс. 64-разряд-

Масштабируемость исовместимость

78

ных слов. Стоимость гигантской по тем временам машины составляла 10 млн. долларов. Разработанная в конце 50-х годов по заданию Министерства обороны США, она применялась для выполнениярасчетовпоядернойпрограмме, атакжедляобслуживанияособо секретныхшифровальныхсистем.

Какужеотмечалось, компьютерыпервыхпоколенийотличались исключительным разнообразием, однако общей чертой всех существовавших архитектур было отсутствие масштабируемости и совместимости.

Масштабируемостьозначаетпринципиальнуювозможностьизменятьконфигурацию компьютеравпроцессеэксплуатации, адап-

тируяегокконкретнымусловиямприменения. Ничеготакоговконструкциях ЭВМ не было, подключение каждого дополнительного устройства требовало изменения системы команд, поэтому, если пользователь исчерпывал возможности имеющегося у него компьютера, ему приходилось приобретать новый.

Совместимостьпроявляетсянааппаратномипрограммномуровнях. Аппаратнаясовместимостьдаетвозможностькомплексировать аппаратуруразныхпроизводителей, чтопредполагаетунификацию разъемов, электрическихпараметровилогикисигналов(говорясовременнымязыком— интерфейса) различныхустройств. Программная совместимость обеспечивает работоспособность программы, написанной для одного компьютера, на другом без какой — либо перекомпиляции и редактирования.

Несовместимость компьютеров на ранних стадиях развития вычислительнойтехникивомногомбылаумышленной, таккакпри отсутствиилидеракаждаяфирмастараласьотмежеватьсяотконкурентов. Однако к середине 60-х годов, когда лидерство IBM стало бесспорным, несовместимость стала бить по самим производителям, потомучтокэтомувременисталнакапливатьсябогатыйфонд программногообеспечения. Еслираньшебанкуиликонтореничего не стоило нанять программиста и переписать небольшое число используемыхпрограммподуникальнуюсистемукомандновогоком-

79

пьютера, тотеперьпеределкавсегогромоздкогопрограммногообеспечения могла оказаться слишком дорогим делом, дешевле было купить новый, но совместимый со старыми программами компьютер.

Несмотря на все свои недостатки, компьютеры 1 — 2 поколенийсталитемирабочимилошадками, накоторыхбылирассчитаны орбиты первых космических ракет, решены ранее недоступные задачи физики, химии, техники. Порожденные научно-техническим прогрессом, онисталиегомощнейшимкатализатором. Наэтихмашинах выучилось первые поколения программистов, были разработаныпервыекомпиляторы, операционныесистемы, СУБД— все то, что составляет фундамент современной информатики.

2.5.Машина IBM-360 и третье поколение ЭВМ

7 апреля1964 г. компанияIBM объявилаобуспешномзавершении выполнявшегося несколько лет в глубоком секрете проекта и выпускевпродажупринципиальноновойсериикомпьютеровIBM System/360, на разработку которой фирма потратила около 5 млрд. долларов, поставив на карту все свое благосостояние. Еще никогда этаосторожнейшаякомпаниятакнерисковала, однакоисториярас-

судила, что риск был оправданным,
так как система 360 в одночасье от-
правила в разряд морально устарев-
шихвсесовременныеейкомпьютеры,
открыв дорогу новому, третьему по-
колению ЭВМ.
Как расшифровывается число
360? На этот счет есть два мнения.
Одниутверждают, чтоэто— система
3-гопоколения60-хгодов(этаверсия
подтверждается тем, что в 70-х годах
появилась серия 370), другие склон-	IBM S/360 (1964 г.)

80

ны думать, что здесь содержится намек на универсальность машины (360 градусов во все стороноы).

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 качество.

•Во-первых, была применена новая элементная база — интегральныемикросхемы, чтопозволилонапорядокувеличить сложность устройств при гарантированной надежности.

•Во-вторых, в системе был реализован принцип микропрограммногоуправления. Этотпринциппозволилиметь в машинном языке широкий набор сложных команд (CISC — Complex Instructions Set Computing) — вычисления с набором сложных команд). Каждая машинная команда в свою очередь представляетсяпоследовательностьюпростейшихмикрокоманд, непосредственно выполняемых аппаратурой процессора. Эти последовательности(микропрограммы) хранятсявспециальной сверхбыстрой памяти, при исполнении машинной команды происходит ее «раскрутка» микропрограммой. Такой подход позволяетразличнымпомощностииорганизациипроцессорам иметь один и тот же машинный язык.

•В-третьих, в качестве основных внешних запоминающих устройствбылииспользованынетихоходныемагнитныеленты, позволяющие читать и писать информацию только последовательно, амагнитныедискисбыстрымпроизвольным доступом. Емкость одного дисководв размером с небольшой письменный стол составляла 7.25 Мбайт.

•В-четвертых, для ввода-вывода информации в системе были примененыэкзотическиеещевтевременаалфавитно-цифровые дисплеи.

Уже перечисленные особенности гарантировали бы успех проекту, однакоглавноебылоневних. Поистинереволюционнойбыла сама архитектура системы. IBM S/360 — это не какая-то конкрет-

81

наямашинасфиксированнымнаборомустройств, асемействоЭВМ, полностьюунифициованноепосистемекомандиинтерфейсам. Из отдельныхустройств, какизкубиковконструктора, можнособрать вычислительнуюсистемулюбоймощности. Навыборпредлагалось шесть моделей центральных процессоров — от простых дешевых до самых мощных и дорогих, а также множество периферийных устройств, при этом гарантировалась полная программная и аппаратнаясовместимость.

Какизвестно, заудобстванужноплатить. Масштабируемостьи совместимостьсистемы360 покупаласьзначительнымусложнениемееконструкции. Длятого, чтобысделатьсистемукомандполностью независимой от конфигурации, в системе произведено разделение функций процессоров. Вычислениями занимается цен-

тральныйпроцессор(CPU —Central Procssor Unit), авводом-выво-

дом — специализированные процессоры, называемые каналами, причем к одному каналу может быть поключено до 256 различных внешнихустройств. Каналыработаютотносительнонезависимоот CPU, для синхронизации всей работы в системе реализован сложный механизм прерываний.

ПоявлениеIBM S/360 вызвалопереворотвмировойиндустрии ЭВМ. Архитектура и система команд этой системы стали фактическимпромышленнымстандартомвобластивычислительнойтехники(естьтакойтермин— стандартde facto, никемофициальноне узаконенный, но добровольно соблюдаемый производителями изза собственной выгоды). В результате те фирмы, которые сохранилиоригинальностьсвоихразработок, быстрообанкротились, другие бросилисьвдогонкузаIBM, создаваясобственныекомпьютерытаким образом, чтобы они были программно совместимыми с системой 360. Третьи быстро поняли, что в модульной компьютерной системе, компонентыкоторойсоответствуютобщимстандартам, не обязательновсемодулидолжныизготовлятьсяоднойфирмой, врезультате возник громадный рынок периферийного оборудования.

Всеспециалисты единывомнении, чтотретьепоколениеЭВМ возникловмоментпоявлениясистемыIBM S/360 ибылопредставленовосновномсовместимойснейвычислительнойтехникой. Что