|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ІСТОРІЯ ТЕХНІКИ, ТЕХНОЛОГІЇ, ПРЕДМЕТІВ НАВКОЛО НАС
Обчислювальна машина. Історія винаходу та виробництва
Довідник / Історія техніки, технології, предметів довкола нас Механізація та машинізація обчислювальних операцій - одне з основних технічних досягнень другої третини XX століття. Подібно до того, як поява перших прядильних машин послужило початком великого промислового перевороту XVIII-XIX століть, створення електронної обчислювальної машини стало провісником грандіозної науково-технічної та інформаційної революції другої половини XX століття. Цій важливій події передувала довга передісторія. Перші спроби зібрати лічильну машину робилися ще XVII столітті, а найпростіші обчислювальні пристосування, типу абака і рахунок, з'явилися ще раніше - у давнину і середньовіччя.
Хоча автоматичний обчислювальний пристрій відноситься до роду машин, його не можна поставити в один ряд з промисловими машинами, скажімо, з токарним або ткацьким верстатом, адже на відміну від них він оперує не фізичним матеріалом (нитками або дерев'яними заготовками), а ідеальними, що не існують природі числами. Тому перед творцем будь-якої обчислювальної машини (чи то найпростіший арифмометр або найновіший суперкомп'ютер) стоять специфічні проблеми, що не виникають у винахідників в інших галузях техніки. Їх можна сформулювати в такий спосіб: 1. Як фізично (предметно) уявити числа у машині? 2. Як здійснити введення вихідних числових даних? 3. Як змоделювати виконання арифметичних операцій? 4. Як подати обчислювачу введені вихідні дані та результати обчислень? Одним із перших ці проблеми подолав знаменитий французький учений та мислитель Блез Паскаль. Йому було 18 років, коли він почав працювати над створенням особливої машини, за допомогою якої людина, навіть не знайома з правилами арифметики, могла б виконувати чотири основні дії. Сестра Паскаля, колишня свідком його роботи, писала пізніше: "Ця робота втомлювала брата, але не через напруження розумової діяльності і не через механізми, винахід яких не викликав у нього особливих зусиль, а через те, що робітники з працею розуміли його". І це не дивно. Точна механіка тільки народжувалась, і якість, яку вимагав Паскаль, перевищувала можливості його майстрів. Тому винахіднику нерідко доводилося братися за напилок і молоток або ламати голову над тим, як змінити відповідно до кваліфікації майстра цікаву, але складну конструкцію.
Перша модель машини, що працює, була готова в 1642 році. Паскаля вона не задовольнила, і він одразу почав конструювати нову. "Я не економив, - писав він згодом про свою машину, - ні часу, ні праці, ні засобів, щоб довести її до стану бути корисною... Я мав терпіння зробити до 50 різних моделей..." Нарешті 1645 року зусилля його увінчалися повним успіхом - Паскаль зібрав машину, яка задовольняла його з усіх поглядів. Що ж являла собою ця перша в історії обчислювальна машина і яким чином були дозволені перелічені вище завдання? Механізм машини був укладений у легку латунну скриньку. На його верхній кришці було 8 круглих отворів, навколо кожного з яких була нанесена кругова шкала. Шкала крайнього правого отвору ділилася на 12 рівних частин, шкала сусіднього із ним отвори - на 20 частин, інші шість отворів мали десяткове розподіл. Така градуювання відповідала поділу лівру - основний французької грошової одиниці того часу: 1 су = 1/20 лівру і 1 день = 1/12 су. В отворах були видні зубчасті настановні колеса, що знаходилися нижче площини верхньої кришки. Число зубів кожного колеса дорівнювало числу поділів шкали відповідного отвору.
Введення чисел здійснювалося наступним чином. Кожне колесо оберталося незалежно від іншого на осі. Поворот проводився за допомогою ведучого штифта, який вставлявся між двома суміжними зубами. Штифт повертав колесо до тих пір, поки не наштовхувався на нерухомий упор, закріплений в нижній частині кришки і виступає всередину отвору лівіше за цифру "1" кругової шкали. Якщо, наприклад, штифт ставили між зубами 3 і 4 і обертали колесо до упору, воно поверталося на 3/10 свого повного кола. Поворот кожного колеса передавався за допомогою внутрішнього механізму циліндричних барабанів, осі яких були розташовані горизонтально. На бічній поверхні барабанів було нанесено ряди цифр. Додавання чисел, якщо сума їх не перевищувала 9, відбувалося дуже просто і відповідало складання пропорційних їм кутів. При складанні великих чисел мала здійснюватися операція, що називається перенесенням десятка до старшого розряду. Люди, які вважають у стовпчик або на рахунках, повинні робити її в умі. Машина Паскаля виконувала перенос автоматично, і це було її найважливішою відмінністю. Елементами машини, що відносяться до одного розряду, були колесо встановлення N, цифровий барабан I і лічильник, що складається з чотирьох корончатих коліс B, одного зубчастого колеса K і механізму передачі десятків.
Зауважимо, що колеса B1, B2 і K немає принципового значення до роботи машини і використовувалися лише передачі руху настановного колеса N цифровому барабану I. Зате колеса B3 і B4 були невід'ємними елементами лічильника і тому іменувалися "лічильними колесами". Рахункові колеса двох сусідніх розрядів A1 і A2 були жорстко насаджені на осі. Механізм передачі десятків, який Паскаль назвав "перев'язкою", мав наступний пристрій. На лічильному колесі B1 молодшого в машині Паскаля розряду були стриженьки C1, які при обертанні осі A1 входили в зачеплення із зубцями вилки M, розташованої на кінці двоколінного важеля D1. Цей важіль вільно обертався на осі A2 старшого розряду, вилка ж несла на собі пружну собачку. Коли при обертанні осі A1 колесо B1 досягало позиції, що відповідає цифрі 6, стрижні C1 входили в зачеплення із зубами вилки, а в той момент, коли воно переходило від 9 до 0, вилка вислизала з зачеплення і під дією власної ваги падала вниз, захоплюючи собою собачку. Остання при цьому проштовхувала лічильне колесо B2 старшого розряду на один крок уперед (тобто повертаючи його разом із віссю A2 на 36 градусів). Важель H, що закінчувався зубом у вигляді сокири, грав роль зачіпки, що перешкоджала обертанню колеса B1 у зворотний бік під час піднімання вилки. Механізм перенесення діяв тільки при одному напрямку обертання лічильних коліс і не допускав виконання операції віднімання обертанням коліс у зворотний бік. Тому Паскаль замінив віднімання додаванням із десятковим доповненням. Нехай, наприклад, необхідно відняти від 532 87. Метод доповнення призводить до дій: 532-87=532-(100-13)=(532+13)-100=445. Потрібно тільки не забувати відняти 100. На машині, що мала кілька розрядів, про це, втім, можна було не турбуватися. Дійсно, нехай на шестирозрядній машині виконується віднімання 532-87. Тоді 000532 +999913 = 1000445. Але найперша одиниця загубиться сама собою, тому що перенесення з шостого розряду нікуди подітися. Множення також зводилося до складання. Так наприклад, якщо потрібно помножити 365 на 132 необхідно було п'ять разів виконати операцію додавання: 365 Але оскільки в машині Паскаля доданок вводилося щоразу заново, використовувати її для виконання цієї арифметичної операції було дуже важко. Наступний етап розвитку обчислювальної техніки пов'язані з ім'ям знаменитого німецького математика Лейбніца. В 1672 Лейбніц відвідав голландського фізика і винахідника Гюйгенса і був свідком того, як багато часу і сил забирали у нього різноманітні математичні розрахунки. Тоді у Лейбниці і з'явилася думка про створення арифмометра. "Це недостойно таких чудових людей, - писав він, - подібно до рабів, гаяти час на обчислювальну роботу, яку можна було б довірити будь-кому при використанні машин". Однак створення такої машини зажадало від Лейбниці всієї його винахідливості. Його знаменитий 12-розрядний арифмометр з'явився лише у 1694 році та обійшовся у круглу суму – 24000 талерів. В основі механізму машини лежав винайдений Лейбніца ступінчастий валик, що представляв собою циліндр з нанесеними на ньому зубцями різної довжини. У 12-розрядному арифмометрі таких валиків було 12 – по одному на кожен розряд числа.
Арифмометр складався з двох частин – нерухомої та рухомої. У нерухомій містився основний 12-розрядний лічильник і ступінчастий валик пристрою введення. Установча частина цього пристрою, що складалася з восьми малих цифрових кіл, була розташована в рухомій частині машини. У центрі кожного кола розташовувалась вісь, на яку під кришкою машини було насаджено зубчасте колесо E, а поверх кришки встановлено стрілку, яка оберталася разом із віссю. Кінець стрілки міг бути встановлений проти будь-якої цифри кола.
Введення даних у машину здійснювалося за допомогою особливого механізму. Ступінчастий валик S був насаджений на чотиригранну вісь із нарізкою типу зубчастої рейки. Ця рейка входила в зачеплення із десятизубим колесом E, на колі якого було нанесено цифри 0, 1...9. Повертаючи це колесо так, щоб у прорізі кришки з'явилася та чи інша цифра, переміщали ступінчастий валик паралельно осі зубчастого колеса F основного лічильника. Якщо після цього повертали валик на 360 градусів, то зачеплення з колесом F входили одна, дві і т.д. найбільш довгі щаблі, залежно від величини зсуву. Відповідно колесо F поверталося на 0, 1...9 частин повного обороту; також повертався диск або ролик R. З наступним оборотом валика на лічильник знову переносилося те саме число. Обчислювальні машини Паскаля і Лейбніца, як і деякі інші, що з'явилися у XVIII столітті, не набули широкого поширення. Вони були складні, дорогі, та й суспільна потреба у подібних машинах була ще не дуже гострою. Проте з розвитком виробництва та суспільства така потреба стала відчуватися дедалі більше, особливо під час упорядкування різних математичних таблиць. Повсюдне поширення Європі кінця XVIII - початку ХІХ століття отримали арифметичні, тригонометричні і логарифмічні таблиці; банки та позичкові контори застосовували таблиці відсотків, а страхові компанії - таблиці смертності. Але цілком виняткове значення (особливо для Англії - "великої морської держави") мали астрономічні та навігаційні таблиці. Пророцтва астрономів щодо становища небесних тіл були на той час єдиним засобом, який дозволяв морякам визначати місцезнаходження їхніх кораблів у відкритому морі. Ці таблиці входили до "Морський календар", який виходив щорічно. Кожне видання вимагало величезної праці десятків та сотень лічильників. Нема чого говорити, як важливо було уникнути при складанні цих таблиць помилок. Але помилки все одно були. Сотні і навіть тисячі невірних даних містили також найпоширеніші таблиці – логарифмічні. Видавці цих таблиць були змушені утримувати спеціальний штат коректорів, які перевіряли отримані обчислення. Але це не рятувало від помилок. Становище було настільки серйозним, що англійський уряд - перший у світі - переймався створенням спеціальної обчислювальної машини для складання подібних таблиць. Розробка машини (її називають різницевою) була доручена відомому англійському математику та винахіднику Чарльзу Беббіджу. У 1822 році була виготовлена модель, що діє. Оскільки значення винаходу Бэббиджа, і навіть значення розробленого ним способу машинних обчислень дуже великі, слід докладніше зупинитися на пристрої різницевої машини. Розглянемо раніше простому прикладі метод, запропонований Бэббиджем упорядкування таблиць. Допустимо, потрібно обчислити таблицю четвертих ступенів членів натурального ряду 1, 2, 3...
Нехай така таблиця вже обчислена для деяких членів ряду в колонці 1 і отримані значення занесені в колонку 2. Віднімемо з кожного наступного значення попереднє. Вийде послідовне значення перших різниць (колонка 3). Проробивши ту ж операцію з першими різницями, отримаємо другі різниці (колонка 4), треті (колонка 5) і, нарешті, четверті (колонка 6). При цьому четверті різниці виявляються постійними: колонка 6 складається з того самого числа 24. І це не випадковість, а наслідок важливої теореми: якщо функція (в даному випадку це функція y(x)=x4, де x належить безлічі натуральних чисел) є многочлен n-го ступеня, то таблиці з постійним кроком його n-е різниці будуть постійні. Тепер легко здогадатися, що отримати потрібну таблицю можна виходячи з першого рядка за допомогою додавання. Наприклад, щоб продовжити почату таблицю ще на один рядок, потрібно виконати: 156 + = 24 180 590 + = 180 770 1695 + = 770 2465 4096 + = 2465 6561 У різницевій машині Беббіджа застосовувалися ті ж десяткові лічильні колеса, що й у Паскаля. Для зображення числа використовувалися регістри, які з набору таких коліс. Кожній колонці таблиці, крім 1, містить ряд натуральних чисел, відповідав свій регістр; всього в машині їх було сім, оскільки передбачалося обчислювати функції із постійними шостими різницями. Кожен регістр складався з 18 цифрових коліс за кількістю розрядів зображуваного числа та кількох додаткових, що використовуються як лічильник числа обертів для інших допоміжних цілей. Якщо всі регістри машини зберігали значення, відповідні останньому рядку нашої таблиці, для отримання чергового значення функції в колонці 2 необхідно було послідовно виконати число додавань, рівне числу додавань наявних різниць. Додавання в різницевій машині відбувалося у два етапи. Регістри, що містять доданки, зрушувалися так, щоб сталося зчеплення зубців лічильних коліс. Після цього колеса одного з регістрів оберталися у зворотному напрямку, доки кожне з них не доходило до нуля. Цей етап називався фазою складання. Після закінчення цього етапу у кожному розряді другого регістру виходила сума цифр даного розряду, але ще без урахування можливих переносів з розряду в розряд. Перенесення відбувалося наступному етапі, який називався фазою переносу, і виконувався так. При переході кожного колеса у фазі складання від 9 до 0 у цьому розряді звільнялася спеціальна клямка. У фазі перенесення всі клямки поверталися на місце спеціальними важелями, які одночасно повертали колесо наступного старшого розряду на один крок. Кожен такий поворот міг у свою чергу викликати в якомусь із розрядів перехід від 9 до 0 і, отже, звільнення клямки, яка знову поверталася на місце, зробивши перенесення до наступного розряду. Таким чином, повернення клямок на місце відбувалося послідовно, починаючи з молодшого розряду регістру. Така система отримала назву додавання з послідовним перенесенням. Всі інші арифметичні операції виконувались у вигляді додавання. При відніманні рахункові колеса оберталися в протилежний бік (на відміну від машини Паскаля, машина розбіжності Беббіджа дозволяла це робити). Множення зводилося до послідовного додавання, а розподіл - до послідовного віднімання. Описаний спосіб можна було застосовувати не тільки для обчислення багаточленів, але й інших функцій, наприклад, логарифмічних або тригонометричних, хоча, на відміну від багаточленів, вони не мають постійних старих різниць. Однак усі ці функції можна уявити (розкласти) у вигляді нескінченного ряду, тобто багаточлена простого виду, і звести обчислення їх значень у будь-якій точці до завдання, яке ми вже розглянули. Наприклад, sin x і cos x можна подати у вигляді нескінченних багаточленів:
Ці розкладання істинні всім значень функції від 0 до p/4 (p/4=3, 14/4=0, 785) з дуже великою точністю. Для значень x, які більші за p/4, розкладання має інший вигляд, але на кожній з цих ділянок тригонометрична функція може бути представлена у вигляді якогось багаточлена. Кількість пар складових ряду, які беруться до уваги при обчисленнях, залежить від точності, яку бажають отримати. Якщо, наприклад, вимоги до точності невеликі, можна обмежитися двома-чотирма першими складовими ряду, інші відкинути. Але можна взяти більше доданків і обчислити значення функції в будь-якій точці з будь-якою точністю. (Зауважимо, що 2!=1•2=2; 3!=1•2•3=6; 4!=1•2•3•4=24 і т.д.) Так обчислення значень будь-якої функції зводилося Бэббиджем до однієї простої арифметичної операції - додавання. Причому при переході від однієї ділянки функції до іншої, коли потрібно змінити значення різниці, різницева машина сама давала дзвінок (він дзвонив після виконання певної кількості кроків обчислення). Вже одне створення різницевої машини забезпечило б Беббідж почесне місце в історії обчислювальної техніки. Однак він не зупинився на цьому і почав розробляти конструкцію набагато складнішої – аналітичної машини, яка стала прямою попередницею всіх сучасних ЕОМ. У чому полягала її особливість? Справа в тому, що різнисна машина, по суті, залишалася ще тільки складним арифмометром і вимагала для своєї роботи постійної присутності людини, яка тримала у своїй голові всю схему (програму) розрахунків і спрямовувала дії машини тим чи іншим шляхом. Зрозуміло, що ця обставина була певним гальмом під час виконання розрахунків. Близько 1834 року Бэббиджу спала на думку: "Чи не можна створити машину, яка була б універсальним обчислювачем, тобто виконувала б всі дії без втручання людини і в залежності від отриманого на певному етапі рішення сама вибирала б подальший шлях обчислення?" Фактично це означало створення програмно-керованої машини. Та програма, яка раніше знаходилася в голові оператора, тепер повинна була бути розкладена на сукупність простих і ясних команд, які б заздалегідь вводилися в машину і керували її роботою. Ніхто і ніколи ще не намагався створити подібну обчислювальну машину, хоча сама ідея програмно-керованих пристроїв вже була на той час реалізована. У 1804 році французький винахідник Жозеф Жаккар придумав ткацький верстат із програмним управлінням. Принцип його роботи зводився до наступного. Тканина, як відомо, є переплетенням взаємно перпендикулярних ниток. Переплетення це здійснюється на ткацькому верстаті, в якому нитки основи (поздовжні) пройняті через очі - отвори в дротяних петлях, а поперечні просмикуються через цю основу в певному порядку за допомогою човника. При найпростішому переплетенні петлі через одну піднімаються, відповідно піднімаються і просунуті через них нитки основи. Між піднятими нитками, що залишилися на місці, утворюється проміжок, в який човник простягає за собою нитку качка (поперечну). Після цього підняті петлі опускаються, інші піднімаються. При більш складному візерунку переплетення нитки слід піднімати в інших різних комбінаціях. Опусканням та підніманням ниток основи вручну займався ткач, що зазвичай забирало багато часу. Після 30-річної наполегливої роботи Жаккар винайшов механізм, що дозволяв автоматизувати рух петель відповідно до заданого закону за допомогою набору картонних карток з пробитими в них отворами - перфокарт. У верстаті Жаккара очі були пов'язані з довгими голками, що упираються в перфокарту. Зустрічаючи отвори, голки просувалися вгору, внаслідок чого пов'язані з ними очі підводилися. Якщо голки впиралися в карти в тому місці, де отворів немає, вони залишалися на місці, утримуючи так само пов'язані з ними очі. Таким чином, проміжок для човника, а тим самим і візерунок переплетення ниток визначався набором отворів на відповідних картах, що управляють. Цей принцип керуючих перфокарт Беббідж припускав використовувати у своїй аналітичній машині. Над її пристроєм він працював протягом майже сорока років: з 1834 до кінця свого життя в 1871 році, але так і не зміг її закінчити. Однак після нього залишилося понад 200 креслень машини та її окремих вузлів, з безліччю докладних приміток, що пояснюють їхню роботу. Всі ці матеріали становлять величезний інтерес і є одним із найдивовижніших в історії техніки прикладів наукового передбачення. На думку Беббіджа, аналітична машина мала включати чотири основні блоки.
Перший пристрій, який Беббідж назвав "млин", був призначений для виконання чотирьох основних арифметичних дій. Другий пристрій - "склад" - призначався для зберігання чисел (початкових, проміжних та остаточних результатів). Вихідні числа прямували в арифметичний пристрій, а проміжні та кінцеві результати виходили з нього. Основним елементом цих двох блоків були регістри з десяткових рахункових коліс. Кожна з них могла встановлюватися в одному з десяти положень і таким чином "запам'ятовувати" один десятковий знак. Пам'ять машини повинна була включати 1000 регістрів по 50 числових коліс у кожному, тобто в ній можна було зберігати 1000 п'ятидесятизначних чисел. Швидкість обчислень, що виконуються, безпосередньо залежала від швидкості обертання цифрових коліс. Беббідж припускав, що додавання двох 50-розрядних чисел займатиме 1 секунду. Для перенесення чисел із пам'яті в арифметичний пристрій і назад передбачалося використовувати зубчасті рейки, які мали зачіплятися із зубцями на колесах. Кожна рейка пересувалася доти, доки колесо не займало нульове положення. Рух передавався стрижнями і зв'язками в арифметичний пристрій, де за допомогою іншої рейки використовувалося для переміщення в потрібне положення одного з регістрових коліс. Базової операцією аналітичної машини, як і різницевої, було додавання, інші ж зводилися до неї. Для того щоб обертати безліч шестерень, потрібно значне зовнішнє зусилля, яке Беббідж розраховував отримати за рахунок використання парового двигуна. Третій пристрій, що керував послідовністю операцій, передачею чисел, над якими проводилися операції, і виведенням результатів, конструктивно являло собою два жакарова перфокарткових механізму. Перфокарти Бэббиджа відрізнялися від перфокарт Жаккара, якими керувалася лише одне операція - підйом нитки щоб одержати потрібного візерунка у процесі виготовлення тканини. Управління роботою аналітичної машини включало різні види операцій, кожної з яких був потрібен спеціальний вид перфокарт. Беббідж виділив три основні види перфокарт: операційні (або карти операцій), змінні (або карти змінних) та числові. Операційні перфокарти здійснювали керування машиною. Згідно з вибитими на них командами відбувалося додавання, віднімання, множення та розподіл чисел, що знаходилися в арифметичному пристрої. Однією з найдалекоглядніших ідей Беббіджа було введення в сукупність команд, що задаються послідовністю операційних перфокарт, команди умовного переходу. Саме собою програмного управління (без використання умовного переходу) було б недостатньо для ефективної реалізації складної обчислювальної роботи. Лінійна послідовність операцій чітко визначена у всіх пунктах. Ця дорога відома у всіх деталях до самого кінця. Поняття "умовний перехід" означає перехід обчислювальної машини на іншу ділянку програми, якщо попередньо виконується певна умова. Маючи можливість використовувати команду умовного переходу, укладач машинної програми не повинен знати, яким рівнем розрахунку зміниться ознака, який впливає вибір ходу розрахунку. Застосування умовного переходу дозволяло у кожної розвилки дороги аналізувати ситуацію, що склалася, і на основі цього вибирати той чи інший шлях. Умовні команди могли мати різний вид: порівняння чисел, вибірка необхідних чисельних значень, визначення знака числа і т.п. Машина проводила арифметичні операції, порівнювала між собою отримані числа і відповідно проводила подальші операції. Таким чином, машина могла перейти до іншої частини програми, пропустити частину команд або знову повернутися до виконання якоїсь ділянки програми, тобто організувати цикл. Введення команди умовного переходу знаменувало початок використання в машині логічних, а не тільки обчислювальних операцій.
За допомогою другого виду перфокарт - змінних (або, за термінологією Беббіджа, "карт змінних") здійснювалася передача чисел між пам'яттю та арифметичним пристроєм. Цими картах вказувалися не самі числа, лише номери регістрів пам'яті, тобто осередків для зберігання одного числа. Регістри пам'яті Беббідж називав "змінними", вказуючи цим, що зміст регістру змінюється залежно від числа, що зберігається в ньому. Аналітична машина Беббиджа використовувала три види карт змінних: передачі числа в арифметичний пристрій зі збереженням його далі в пам'яті, для аналогічної операції, але збереження у пам'яті, й у введення числа на згадку. Вони отримали назви: 1) "нульова карта" (число викликається з регістру пам'яті, після чого в регістрі встановлюється нульове значення); 2) "зберігаюча карта" (число викликається з пам'яті без зміни змісту регістру); 3) "отримуюча карта" (число передається з арифметичного пристрою на згадку і записується в один з регістрів). Працюючи машини однією операційну перфокарту доводилося загалом три карти змінних. Вони вказували номери осередків пам'яті (адреси, за сучасною термінологією), у яких зберігалися два вихідні числа, і номер осередку, куди записувати результат.
Числові перфокарти представляли основний вид перфокарт аналітичної машини. З їх допомогою здійснювалося введення вихідних чисел для вирішення деякої задачі та нових даних, які могли знадобитися під час обчислень. Після виконання запропонованих обчислень машина вибивала відповідь окрему перфокарту. Ці перфокарти оператор складав по порядку їх номерів і надалі використовував у роботі (вони були як її зовнішньої пам'яттю). Наприклад, коли в ході обчислень машині потрібно значення логарифму 2303, вона показувала його в особливому віконце і давала дзвінок. Оператор знаходив потрібну перфокарту зі значенням цього логарифму та вводив у машину. "Всі карти, - писав Беббідж, - одного разу використані і виготовлені для одного завдання, можуть бути використані для вирішення тих же завдань з іншими даними, тому немає необхідності готувати їх вдруге - вони можуть ретельно зберігатися для майбутнього використання; згодом машина буде мати власну бібліотеку. Четвертий блок був призначений для прийому вихідних чисел і видачі кінцевих результатів і являв собою кілька пристроїв, що забезпечують операції введення-виведення. Вихідні числа вводилися в машину оператором і надходили в її пристрій, з якого витягувалися і надходили на вихід кінцеві результати. Машина могла виводити відповідь на перфокарті чи друкувати на папері. На закінчення слід зазначити, що якщо розробка апаратної частини аналітичної машини пов'язана виключно з ім'ям Беббіджа, то програмування розв'язання задач на цій машині - з ім'ям його хорошого друга - леді Адою Лавлейс, рідної дочки великого англійського поета Байрона, яка палко захоплювалася математикою і чудово розбиралася у складних наукових та технічних проблемах. У 1842 році в Італії було надруковано статтю молодого математика Менабреа з описом аналітичної машини Беббіджа. У 1843 році леді Лавлейс переклала цю статтю англійською мовою, забезпечивши її великим і глибоким коментарем. Щоб проілюструвати роботу машини, леді Лавлейс доклала до статті складену нею програму для обчислення чисел Бернуллі. Її коментар є першою в історії роботою з програмування. Аналітична машина виявилася дуже дорогим та складним пристроєм. Англійський уряд, який спочатку фінансував роботи Беббіджа, незабаром відмовив йому в допомозі, тому він так і не зміг завершити свою працю. Чи було виправдано складність цієї машини? Не у всьому. Багато операцій (особливо введення-виведення чисел і передача їх від одного пристрою до іншого) значно спростилися б, якби Беббідж використовував електричні сигнали. Однак його машина була задумана як чисто механічний пристрій без будь-яких електричних елементів, що ставило її винахідника часто в дуже важке становище. Тим часом електромеханічне реле, яке стало пізніше основним елементом обчислювальних машин, у цей час вже було винайдено: його вигадали в 1831 одночасно Генрі і Сальваторе даль Негро. Застосування електромеханічних реле в обчислювальної техніки веде свою історію з винаходу американця Германа Голлерита, який створив комплекс пристроїв, призначених для обробки великого обсягу даних (наприклад, результатів перепису). Потреба такій машині була дуже велика. Наприклад, результати перепису 1880 року оброблялися США 7, 5 років. Такий значний термін пояснювався тим, що необхідно було відсортувати величезну кількість карток (по одній на кожного з 50 мільйонів жителів) з дуже великим - 210 рубрик - набором варіантів відповідей на питання, що задаються в картці. Про ці проблеми Голлер знав не з чуток - він сам був співробітником Бюро цензів США - статистичної установи, яка відала проведенням переписів населення та обробкою їх результатів. Багато працюючи над сортуванням карток, Голлер прийшов до думки механізувати цей процес. Спершу він замінив картки на перфокарти, тобто замість олівцевої позначки варіанта відповіді придумав пробивати отвір. З цією метою він розробив спеціальну 80-колонну перфокарту, на яку у формі пробивок наносилися всі відомості про одну людину, що реєструються під час перепису. (Форма цієї перфокарти не зазнала з тих пір істотних змін.) Зазвичай для відповіді одне питання використовувалася одна смужка перфокарти, що дозволяло фіксувати десять варіантів відповіді (наприклад, питання віросповідання). У деяких випадках (наприклад, на питання про вік) можна було використати дві колонки, що давало сто варіантів відповіді. Друга ідея Голлерита була наслідком першої - він створив перший у світі лічильно-перфораційний комплекс, що включав вхідний перфоратор (для пробивання отворів) і табулятор з пристроєм для сортування перфокарт. Перфорація здійснювалася вручну на пробійнику, що складався з чавунного корпусу з приймачем карти і власне пробійника. Над приймачем поміщалася пластина з кількома рядами отворів; при натиску рукояті пробійника над одним із них карта під платівкою пробивалася потрібним чином. Складний пробійник пробивав групі карт загальні дані одним натисканням руки. Сортувальна машина була кілька ящиків з кришками. Карти просувалися вручну між набором пружинних штирів та резервуарами, наповненими ртуттю. Коли штир потрапляв у отвір, він торкався ртуті і замикав електричний ланцюг. При цьому піднімалася кришка певної скриньки, і оператор клав туди картку. Табулятор (або машина, що підсумовує) промацував отвори на перфокартах, сприймаючи їх як відповідні числа і підраховуючи їх. Принцип його дії був аналогічний сортувальній машині і базувався на використанні електромеханічного реле (як їх також застосовувалися пружинні штирі та чашки з ртуттю). Коли стрижні при русі перфокарт потрапляли через отвори в чашки з ртуттю, електричний ланцюг замикався, і електричний сигнал передавався на лічильник, який додав до числу нову одиницю. Кожен лічильник мав циферблат із стрілкою, яка переміщалася на одиницю шкали при виявленні отвору. Якщо в табуляторі було 80 лічильників, він міг одночасно підраховувати результати з 8 питань (з 8 варіантами відповідей на кожен з них). Для підрахунку результатів з наступних 1000 питань та сама перфокарта знову пропускалася через табулятор іншою своєю ділянкою. За один прогін сортувалося до XNUMX карток на годину. Перший патент (на ідею) Голлеріт отримав у 1884 році. В 1887 його машина була випробувана в Балтіморі при складанні таблиць смертності населення. У 1889 році відбулося вирішальне випробування системи - проводився пробний перепис у чотирьох районах міста Сан-Луї. Машина Голлерита набагато випередила дві ручні системи, що конкурували з нею (вона працювала в 10 разів швидше). Після цього уряд США уклав із Голлеритом договір про постачання обладнання до перепису 1890 року. Результати цього перепису завдяки табулятору було опрацьовано всього за два роки. Внаслідок цього машина дуже швидко здобула міжнародне визнання і вживалася в багатьох країнах при обробці даних перепису населення. У 1902 році Голлер створив автоматичний табулятор, в якому карти подавалися не вручну, а автоматично, і модернізував свою сортувальну машину. У 1908 році він створив принципово нову модель підсумовуючої машини. Замість чашок з ртуттю тут застосовувалися контактні щітки, з допомогою яких замикалися електричні ланцюги електромагнітів. Останні забезпечували з'єднання і роз'єднання валу, що безперервно обертається, з цифровими колесами лічильника суматора. Цифрові колеса поверталися через зубчасті зачеплення від валу, що безперервно обертається, який ніс на собі ковзаючі кулачкові муфти, керовані електромагнітами. Коли під контактною щіткою виявлявся отвір, замикався електричний ланцюг відповідного електромагніту, і він включав муфту, яка приєднувала цифрове колесо до валу, що обертається, після чого вміст лічильника в даному розряді збільшувався на число, пропорційне одному повороту колеса. Передача десятків здійснювалася приблизно так само, як у машині розбіжності Беббіджа. Справа, започаткована Голлеритом, має продовження і в наш час. Ще в 1896 році він заснував фірму "Таб'юлейтінг Машин Компані", що спеціалізується на випуску лічильно-перфораційних машин і перфокарт. У 1911 році, після того, як Голлерит залишив підприємницьку діяльність, його фірма злилася з трьома іншими і була перетворена на широко відому зараз у всьому світі корпорацію IBM - найбільшого розробника в галузі обчислювальної техніки. У табуляторі Голлериту вперше використали електромеханічні елементи. Подальший розвиток обчислювальної техніки було з широким і багатогранним застосуванням електрики. У 1938 році німецький інженер Конрад Цузе створив першу в історії релейну електронно-обчислювальну машину Z1 на телефонних реле (пристрою в ній залишалося механічним). У 1939 році з'явилася більш досконала модель Z2, а в 1941 Цузе зібрав першу в світі діючу обчислювальну машину з програмним управлінням, в якій використовувалася двійкова система. Всі ці машини загинули під час війни і тому не мали великого впливу на подальшу історію обчислювальної техніки. Незалежно від Цузе будівництвом релейних обчислювальних машин займався США Говард Айкен. Як аспірант Гарвардського університету, Айкен при роботі над своєю дисертацією був змушений робити багато складних обчислень. Щоб скоротити час на обчислювальну роботу, він почав вигадувати нескладні машини для автоматичного вирішення приватних завдань. Зрештою, він прийшов до ідеї автоматичної універсальної обчислювальної машини, здатної вирішувати широке коло наукових завдань. 1937 року його проектом зацікавилася фірма IBM. На допомогу Айкену було виділено бригаду інженерів. Незабаром розпочалася робота над будівництвом машини "Марк-1". Реле, лічильники, контактні та друкуючі пристрої введення та виведення перфокарт були стандартними частинами табуляторів IBM. У 1944 році машина була зібрана та передана Гарвардському університету. "Марк-1" залишався машиною перехідного типу. У ній широко використовувалися механічні елементи представлення чисел і електромеханічні керувати роботою машини. Як і в аналітичній машині Беббіджа, числа зберігалися в регістрах, що складаються з десятизубих лічильних коліс. Загалом у "Марці-1" було 72 регістри і, крім того, додаткова пам'ять із 60 регістрів, утворених механічними перемикачами. У цю додаткову пам'ять вручну вводилися константи - числа, які змінювалися у процесі обчислення. Кожен регістр містив 24 колеса, причому 23 їх використовувалися уявлення самого числа, а одне - уявлення його знака. Регістри мали механізм для передачі десятків і тому використовувалися не тільки для зберігання чисел, але і для виконання операцій над ними: число, що знаходиться в одному регістрі, могло бути передано в інший і додано до числу, що знаходиться (або віднімається з нього). Ці операції виконувались в такий спосіб. Через лічильні колеса, що утворюють регістр, проходив вал, що безперервно обертається, причому будь-яке колесо за допомогою електромеханічних перемикачів могло бути приєднано до цього валу на час, що становить деяку частину його обороту. До кожного числа приєднувалася щітка (зчитуючий контакт), яка при обертанні колеса пробігала нерухомим десятисегментним контактом. Це дозволяло отримати електричний еквівалент цифри, що зберігається у цьому розряді регістру. Для виконання операції підсумовування встановлювалися такі з'єднання між щітками першого регістра і механізмом перемикання другого регістра, що колеса останнього зв'язувалися з валом частину періоду обороту, пропорційного цифрам, що знаходилися у відповідних розрядах першого регістра. Усі перемикачі автоматично вимикалися наприкінці фази додавання, що займала трохи більше половини періоду обороту. Сам механізм підсумовування сутнісно не відрізнявся від суматора голлеритівських табуляторів. Множення та розподіл проводилися в окремому пристрої. Крім того, в машині були вбудовані блоки для обчислення функцій sin x, log x та деяких інших. Швидкість виконання арифметичних операцій у середньому становила: додавання та віднімання - 0, 3 секунди, множення - 5, 7 секунди, розподіл - 15, 3 секунди. Тобто "Марк-1" був еквівалентний приблизно 20 операторам, які працюють із ручними рахунковими машинами. Роботою "Марк-1" керували команди, що запроваджуються за допомогою перфорованої стрічки. Кожна команда кодувалася за допомогою пробивання отворів у 24 колонках, що йдуть вздовж стрічки, та зчитувалася за допомогою контактних щіток. Пробивання на перфокартах перетворювалася на набір імпульсів. Сукупність електричних сигналів, отриманих в результаті "промацування" позицій даного ряду, визначала дії машини на цьому етапі обчислень. Пристрій управління виходячи з цих команд забезпечувало автоматичне виконання всіх обчислень у цій програмі: здійснювало вибірку чисел з осередків пам'яті, давало команду необхідної арифметичної операції, відправляло результати обчислень в пристрій і т.д. Як пристрій виведення Айкен використовував друкарські машини та перфоратори. Слідом за пуском "Марк-1" Айкен та його співробітники розпочали роботу над "Марком-2", що закінчилася 1947 року. У цій машині вже не було механічних цифрових коліс, а для запам'ятовування чисел, виконання арифметичних операцій та операцій управління використовувалися електричні реле – всього їх було 13 тисяч. Числа у "Марк-2" представлялися у двійковому вигляді. Двійкова система обчислення була запропонована ще Лейбніцем, який вважав її найзручнішою для використання у обчислювальних машинах. (Трактат на цю тему був написаний в 1703.) Їм же була розроблена арифметика двійкових чисел. У двійковій системі, так само, як у звичній нам десятковій, значення кожної цифри визначається її позицією, тільки замість звичайного набору з десяти цифр використовуються лише дві: 0 і 1. Для того, щоб зрозуміти двійковий запис числа, подивимося спочатку, який сенс має добре всім відомий десятковий запис. Наприклад, число 2901 можна представити у такому вигляді:
Тобто цифри: 2, 9, 0, 1 вказують на те, скільки одиниць знаходиться в кожному з десяткових розрядів числа. Якщо ж замість десяткової системи береться двійкова, кожна цифра вказуватиме, скільки одиниць міститься у кожному із двійкових розрядів. Наприклад, число 13 записується в двійковій системі так:
Двійкова система досить громіздка (скажімо, число 9000 буде в ній 14-значним), але дуже зручна при виконанні арифметичних операцій. Вся таблиця множення у ній зводиться до єдиної рівності 1*1=1, а додавання має лише три правила: 1) 0+0 дає 0; 2) 0+1 дає 1; 3) 1+1 дає 0 та перенесення 1 у старший розряд. Наприклад: 01010 +
Твердження двійкової системи в обчислювальній техніці було обумовлено існуванням простих технічних аналогів двійкової цифри - електричних реле, які могли перебувати в одному з двох стійких станів, перше з яких ставили у відповідність до 0, інше - з 1. Передача двійкового числа електричними імпульсами з одного машинного пристрої в інше теж дуже зручна. Для цього достатньо двох різних за формою імпульсів (або навіть одного, якщо відсутність сигналу вважати за нуль). Слід зазначити, що релейні машини, створені на зорі історії ЕОМ, недовго використовувалися в обчислювальній техніці, оскільки були повільно діючими. Так само як у механічній машині швидкість обчислень визначалася швидкістю повороту цифрових коліс, час роботи схеми, складеної з реле, дорівнював часу спрацьовування та відпускання реле. Тим часом навіть найшвидші реле не могли робити більше 50 спрацьовувань за секунду. Наприклад, в "Марк-2" операції додавання та віднімання займали в середньому 0,125 секунди, а множення вимагало 0,25 секунди. Набагато великою швидкодією мали електронні аналоги електромеханічних реле - вакуумні лампи-тригери. Вони стали базовими елементами в ЕОМ першого покоління.
Тригер був винайдений ще в 1919 році російським інженером Бонч-Бруєвичем і незалежно від нього американцями Ікклзом та Джорданом. Цей електронний елемент містив дві лампи, і в кожний момент міг бути в одному з двох стійких станів. Він був електронне реле, тобто за наявності сигналу керуючого імпульсу включав потрібну лінію або ланцюг електричного струму. Подібно до електромеханічного реле він міг використовуватися для позначення однієї двійкової цифри.
Розглянемо принцип роботи електронного реле, що складається із двох електронних ламп-тріодів Л1 та Л2, які можуть перебувати в одному балоні. Напруга з анода Л1 через опір R1 подається на сітку Л2, а напруга з анода Л2 подається на сітку Л1 через опір R2. Залежно від положення, у якому тригер, він дає низький або високий рівень напруги на виході. Допустимо спочатку, що лампа Л1 відкрита, а Л2 - закрита. Тоді напруга на аноді відкритої лампи мала порівняно з напругою на аноді закритої лампи. Справді, оскільки відкрита лампа Л1 проводить струм, більшість анодного напруги падає (за законом Ома u=i•R) на високому анодному опорі Ra, але в самій лампі (включеної із нею послідовно) падає лише незначна частина напруги. Навпаки, в закритій лампі анодний струм дорівнює нулю, і вся напруга джерела анодної напруги падає на лампі. Тому з анода відкритої лампи Л1 на сітку закритої лампи знижується значно менше напруги, ніж з анода закритої лампи Л2 на сітку Л1. Негативна напруга Ec, подана на сітки обох ламп, вибирається таким, щоб спочатку лампа Л2 була закрита, незважаючи на наявність невеликої позитивної напруги, поданої з анода відкритої лампи Л1 на сітку Л2. Лампа ж Л1 спочатку відкрита, тому що позитивна напруга, подана на сітку з анода Л2, значно більша, ніж Ec. Таким чином, завдяки зв'язку між лампами через опори R1 і R2 початковий стан є стійким і зберігатиметься скільки завгодно довго. Розглянемо тепер, що станеться у схемі, якщо сітку відкритої лампи Л1 подати ззовні негативне напруга як короткого імпульсу струму такий величини, щоб закрити її. При зменшенні анодного струму i1 напруга на аноді лампи Л1 різко збільшиться і, отже, позитивна напруга збільшиться на сітці Л2. Це спричинить появу анодного струму i2 через лампу Л2, завдяки чому зменшиться анодна напруга на лампі Л2. Зниження позитивної напруги на сітці Л1 призведе до ще більшого зменшення струму Л1 і т.д. В результаті такого лавиноподібного наростаючого процесу зменшення струму Л1 і збільшення струму Л2 лампа Л1 закриється, а лампа Л2 буде відкрита. Таким чином, схема перейде в нове стійке положення рівноваги, яке зберігатиметься скільки завгодно довго: "запам'ятовується" поданий на вхід 1 імпульс. Повернення електронного реле у вихідний стан можна здійснити подачею імпульсу негативного напруги на вхід. Тригер має, отже, два стійких положення рівноваги: початкове, при якому Л1 відкрита, а Л2 закрита, і так званий "збуджений" стан, при якому Л1 закрита, а Л2 відкрита. Час перекидання тригера з одного стану до іншого дуже мало. Конденсатори C1 та C2 служать для прискорення спрацьовування лампи. Ідея обчислювальної машини, в якій як запам'ятовуючий пристрій використовувалися б електронні лампи, належить американському вченому Джону Моучлі. Ще 30-ті роки він зробив кілька нескладних обчислювальних пристроїв на тригерах. Проте вперше електронні лампи під час створення обчислювальної машини застосував інший американський математик Джон Атанасов. Його машина була вже практично завершена у 1942 році. Але через війну фінансування роботи було припинено. Наступного 1943 року, працюючи в Мурівській електротехнічній школі Пенсільванського університету, Моучлі разом із Преспером Екертом розробив свій проект електронної обчислювальної машини. Артилерійське управління США зацікавилося цією роботою і замовило Пенсільванському університету будівництво машини. Керівником робіт було призначено Моучлі. На допомогу йому було надано ще 11 інженерів (включаючи Еккерта), 200 техніків та велику кількість робітників. Протягом двох із половиною років, до 1946 року, цей колектив працював над створенням "електронно-цифрового інтегратора та обчислювача" - ЕНІАК. Це була величезна споруда, що займала площу 135 квадратних метрів, що мала масу 30 тонн і енергоспоживання 150 кіловат. Машина складалася із сорока панелей, що містять 18000 електронних ламп та 1500 реле. Однак використання електронних ламп замість механічних та електромеханічних елементів дозволило різко збільшити швидкість. На множення ЕНІАК витрачав всього 0 секунди, а на додавання - 0028 секунди, тобто працював у тисячу разів швидше за найдосконаліші релейні машини. Пристрій ЕНІАК загалом було наступним. Кожні десять тригерів з'єднувалися у ньому кільце, утворюючи десятковий лічильник, який виконував роль лічильного колеса механічної машини. Десять таких кілець плюс два тригери для представлення знака числа утворювали регістр, що запам'ятовує. Загалом у ЕНІАК було двадцять таких регістрів. Кожен регістр був забезпечений схемою передачі десятків і міг використовуватися виконання операції підсумовування і віднімання. Інші арифметичні операції виконувались у спеціальних блоках. Числа передавалися з однієї частини машини до іншої за допомогою груп з 11 провідників - по одному для кожного десяткового розряду та знаку числа. Значення цифри, що передається, дорівнювало числу імпульсів, що протікали по даному провіднику. Роботою окремих блоків машини керував генератор, що задає, що виробляв послідовність певних сигналів, які "відкривали" і "закривали" відповідні блоки електронної машини. Введення чисел у машину проводилося за допомогою перфокарт. Програмне управління здійснювалося за допомогою штекерів і набірних полів (комутаційної дошки) - таким чином окремі блоки машини з'єднувалися між собою. Це було одним із суттєвих недоліків описуваної конструкції. На підготовку машини до роботи - з'єднання блоків на комутаційній дошці - йшло до кількох днів, тоді як завдання часом вирішувалося лише за кілька хвилин. Загалом ЕНІАК була ще досить ненадійною та недосконалою обчислювальною машиною. Вона часто виходила з ладу, причому пошук несправності часом затягувався на кілька діб. Крім того, ця машина не могла зберігати інформацію. Для усунення останнього недоліку Еккерт в 1944 висунув ідею програми, що зберігається в пам'яті. Це була одна з найважливіших технічних знахідок історії обчислювальної техніки. Суть її полягала в тому, що команди програми повинні були представлятися у вигляді числового коду, тобто кодуватися в двійковій системі (як і числа) і вводитися в машину, де вони зберігалися б разом з вихідними числами. Для запам'ятовування цих команд і операцій із нею передбачалося використовувати самі пристрої - тригери, що й дії з числами. З пам'яті окремі команди мали витягуватися в пристрій управління, де їх зміст розшифровувалося і використовувалося передачі чисел з пам'яті в арифметичний пристрій виконання операцій з них і відсилання результатів у пам'ять. Тим часом після закінчення Другої світової війни одна за одною почали з'являтися нові електронні обчислювальні машини. У 1948 році англійці Кілбурн і Вільямс з Манчестерського університету створили машину "МАРК-1", в якій вперше була реалізована ідея програми, що зберігається. В 1947 Еккерт і Моучлі заснували свою фірму, а в 1951 налагодили серійний випуск своїх машин UNIVAC-1. 1951 року з'явилася перша радянська ЕОМ МЕСМ академіка Лебедєва. Нарешті, 1952 року свій перший промисловий комп'ютер IBM 701 випустила фірма IBM. Усі ці машини мали у своїй конструкції багато спільного. Про ці загальні принципи роботи всіх ЕОМ першого покоління ми тепер і поговоримо. Електронні обчислювальні машини, як відомо, здійснили справжній переворот у сфері застосування математики на вирішення найважливіших проблем фізики, механіки, астрономії, хімії та інших точних наук. Ті процеси, які раніше не піддавалися прорахунку, стали цілком успішно моделюватися на обчислювальних машинах. Вирішення будь-якої задачі зводилося при цьому до наступних послідовних кроків: 1) виходячи зі значення фізичної, хімічної та іншої сутності будь-якого досліджуваного процесу формулювалася задача у вигляді алгебраїчних формул, диференціальних або інтегральних рівнянь або інших математичних співвідношень; 2) за допомогою чисельних методів завдання полягало в послідовності простих арифметичних операцій; 3) складалася програма, яка визначала суворий порядок виконання дій у встановленій послідовності. (ЕОМ здійснювала у принципі той самий порядок дій, як і людина, що працює на арифмометрі, але в тисячі або десятки тисяч разів швидше.) Команди складеної програми записувалися за допомогою спеціального коду. Кожна з цих команд визначала якусь певну дію з боку машини. Будь-яка команда, крім коду операції, містила в собі адреси. Зазвичай їх було три - номери осередків пам'яті, звідки бралися два вихідні числа (1-а та 2-а адреса), а потім номер осередку, куди відправлявся отриманий результат (3-а адреса). Таким чином, наприклад, команда +/17/25/32 вказувала, що слід скласти числа, що знаходяться в 17 і 25 осередках і результат направити в 32 осередок. Могла використовуватись і одноадресна команда. У цьому випадку для виконання арифметичної операції над двома числами та відсилання отриманого результату потрібно три команди: перша команда викликала одне з чисел з пам'яті в арифметичний пристрій, наступна команда викликала друге число і проводила задану операцію над числами, третя команда відправляла отриманий результат в пам'ять. Так здійснювалася робота обчислювальної машини програмному рівні. Обчислювальні процеси у своїй протікали так. Управління роботою ЕОМ здійснювалося за допомогою електронних ключів і перемикачів, званих логічними схемами, причому кожен електронний ключ при отриманні сигналу імпульсу керуючого напруги включав потрібну лінію або ланцюг електричного струму. Найпростішим електронним ключем могла служити вже триелектродна електронна лампа, яка замкнена, коли на її сітку подається велика негативна напруга і відкривається, якщо на сітку подається позитивна напруга. Її роботу при цьому можна представити як керуючий вентиль, який пропускає через себе імпульс A, коли на другий його вхід подано керуючий імпульс B. Коли є тільки один імпульс струму A або B, то вентиль закритий і імпульс не проходить на його вихід. Таким чином, тільки при збігу часу обох імпульсів A і B на виході з'явиться імпульс. Таку схему називають схемою збігів, чи логічною схемою "і". Поряд із нею в обчислювальній машині використовується цілий набір інших логічних схем. Наприклад, схема "або", яка дає на виході імпульс з появою його на лінії A або B або одночасно на обох лініях. Інша логічна схема – схема "ні". Вона, навпаки, забороняє проходження імпульсу через вентиль, якщо одночасно подано інший заборонний імпульс, що замикає лампу. З використанням цих двох схем можна зібрати однорозрядний суматор. Припустимо, що імпульси A і B одночасно передаються на схеми "ні" та "і", причому зі схемою "ні" пов'язана шина (провід) "сума", а зі схемою "і" шина "перенесення". Припустимо, що у вхід A надходить імпульс (тобто одиниця), але вхід B не надходить. Тоді "ні" пропустить імпульс на шину "сума", а схема "і" не пропустить його, тобто в розряді буде значитися "1", що відповідає правилу двійкового додавання. Припустимо, що на входи A та B одночасно надходять імпульси. Це означає, що код числа A є "1" і код B також "1". Схема "ні" не пропустить двох сигналів і на виході "сума" буде "0" Натомість схема "і" пропустить їх, і на шині "перенесення" буде імпульс, тобто "1" передасться до суматора сусіднього розряду. У перших ЕОМ основним елементом пам'яті та арифметичного підсумовуючого пристрою служили тригери. Тригерна схема, як ми пам'ятаємо, мала два стійкі стани рівноваги. Приписуючи одному стану значення коду "0", а іншому значення коду "1", можна було використовувати тригерні осередки для тимчасового зберігання кодів. У підсумовуючих схемах при подачі імпульсу на лічильний вхід тригера він переходив з одного стану рівноваги в інший, що повністю відповідало правилам додавання для одного двійкового розряду (0+0=0; 0+1=1; 1+0=1; 1+1 =0 і перенесення одиниці до старшого розряду). При цьому початкове положення тригера розглядалося як код першого числа, а імпульс, що подається - як код другого числа. Результат утворювався на тригерному осередку. Для того щоб здійснити підсумову схему для кількох двійкових розрядів, необхідно було забезпечити перенесення одиниці з одного розряду в інший, що здійснювалося спеціальною схемою. Суматор був головною частиною арифметичного пристрою машини. Суматор паралельного додавання кодів чисел відразу по всіх розрядах мав стільки однорозрядних суматорів, скільки двійкових розрядів містив код числа. Кількість A і B, що складаються, надходили в суматор із запам'ятовуючих пристроїв і зберігалися там за допомогою тригерів. Регістри також складалися з ряду з'єднаних між собою тригерів T1, T2, T3, Т'1, Т'2 і т.д., які код числа подавався з записуючого пристрою паралельно для всіх розрядів. Кожен тригер зберігав код одного розряду, так що для зберігання числа, що має n двійкових розрядів, потрібно n електронних реле. Коди чисел, що зберігаються в регістрах, складалися одночасно по кожному розряду за допомогою суматорів S1, S2, S3 і т.д., число яких дорівнювало числу розрядів. Кожен однорозрядний суматор мав три входи. На перший та другий входи подавалися коди чисел A та B одного розряду. Третій вхід служив передачі коду переносу з попереднього розряду.
В результаті складання кодів даного розряду на вихідній шині суматора виходив код суми, а на шині "перенесення" код "1" або "0" для перенесення до наступного розряду. Нехай, наприклад, потрібно скласти два числа A=5 (у двійковому коді 0101) і B=3 (у двійковому коді 0011). При паралельному додаванні цих чисел на входи A1, A2 і A3 суматора відповідно подавалися коди A1=1, A2=0, A3=1, A4=0 і B1=1, B2=1, B3=0, B4=0. В результаті підсумовування кодів першого розряду в суматорі S1 отримаємо 1+1=0 та код перенесення "1" у наступний розряд. Суматор S2 підсумовував три коди: коди A2, B2 та код перенесення з попереднього суматора S1. В результаті отримаємо 0+1+1=0 та код "1" переносу в наступний третій розряд. Суматор S3 складає коди третього розряду чисел A і B і код перенесення "1" з другого розряду, тобто матимемо 1+0+1=0 і знову перенесення наступного четвертого розряду. У результаті додавання на шинах "сума" отримаємо код 1000, що відповідає числу 8. У 1951 році Джой Форрестер вніс важливе вдосконалення в пристрій ЕОМ, запатентувавши пам'ять на магнітних осердях, які могли запам'ятовувати і зберігати скільки завгодно довго подані на них імпульси.
Сердечники виготовляли з фериту, який утворювався змішуванням окису заліза з іншими домішками. На осерді було три обмотки. Обмотки 1 і 2 служили для намагнічування сердечника у тому чи іншому напрямку за допомогою подачі на них імпульсів різної полярності. Обмотка 3 була обмоткою виходу осередку, в якій індукувався струм при перемагнічування сердечника. У кожному сердечнику шляхом його намагнічування зберігався запис одного імпульсу, що відповідає одному розряду якогось числа. З осердя, з'єднаних у певному порядку, завжди можна було з великою швидкістю вибрати потрібне число. Так, якщо через обмотку сердечника подавали позитивний сигнал, то сердечник позитивно намагнічується, при негативному сигналі намагнічування було негативним. Таким чином, стан осердя характеризувався записаним сигналом. При зчитуванні через обмотку подавався сигнал певної полярності, наприклад, позитивний. Якщо перед цим осердя було намагнічено негативно, то відбувалося його перемагнічування - і у вихідній обмотці (за законом електромагнітної індукції) виникав електричний струм, який посилювався підсилювачем. Якщо ж сердечник був намагнічений позитивно, то зміни його стану не відбувалося – і у вихідній обмотці електричний сигнал не виникав. Після вибірки коду необхідно було відновити початковий стан сердечника, що здійснювалося спеціальною схемою. Цей вид пристрою дозволяв робити вибірку чисел за кілька мікросекунд. Великі обсяги інформації зберігалися на зовнішньому носії, наприклад, на магнітній стрічці. Запис електричних імпульсів тут був аналогічний запису звуку на магнітофон: через магнітні головки пропускали імпульси струму, які намагнічували відповідні місця стрічки, що проходила. Під час зчитування поле залишкового намагнічування, проходячи під головками, наводило в них електричні сигнали, які посилювалися та надходили до машини. Так само інформація записувалася на магнітний барабан, покритий феромагнітним матеріалом. У цьому випадку інформацію можна було знайти швидше. Автор: Рижов К.В.
▪ Залізо ▪ парашут
Машина для проріджування квітів у садах
02.05.2024 Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону
02.05.2024 Пастка для комах
01.05.2024
▪ Землю зважили за допомогою нейтрино ▪ Соціальні мережі стають основним джерелом інформації ▪ Бобри змінюють клімат Аляски ▪ Мобільні телефони псують поставу
▪ Розділ сайту Історія техніки, технології, предметів навколо нас. Добірка статей ▪ стаття Малевич Казимир Северинович. Знамениті афоризми ▪ стаття У якій країні знаходиться дуб, який має свою поштову адресу? Детальна відповідь ▪ стаття Машиніст розчинозмішувача пересувного. Посадова інструкція ▪ стаття Кодовий замок на три кнопки. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки ▪ стаття Пробник для продзвонювання монтажу. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Рекомендуємо цікаві статті розділу 
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page