Транзисторные ЭВМ

Компьютеры второго поколения. В середине 50-х гг., когда машины первого поколения по своим характерис­тикам в принципе достигли «насыщения», ряд фирм объявил о ведущихся работах по созданию транзисторных ЭВМ. Некоторые авторитеты в области вычислительной техники, в частности Р. К. Ричарде, считали, что переход к машинам второго поколения будет медленным процессом из-за трудностей производства транзисторной элементной базы и из-за совершенствования характеристик электронных ламп. Однако этого не случилось. Преимущества транзистора как схемного элемента машин стали очевидными по мере совершенствования полупроводниковой технологии, и процесс его проникновения в ЭВМ стал необратимым и быстрым.

В 1955 г. в США было объявлено о создании цифрового компьютера TRADIC, построенного на 800 транзисторах и 11 000 германиевых диодах. В этом же году фирма объявила о разработке полностью транзисторной вычислительной машины. Первая такая машина «Philco-2000» была сделана в ноябре 1958 г., она содержала 56 тыс. транзисторов, 1200 диодов, но все же в ее составе использовалось 450 электронных ламп. «Philco-2000» имела 32 индексных регистра, которые позволяли производить модификацию команд, использовать относительные адреса и т. д. Сложение в машине выполнялось за 1,7 мкc, умножение — за 40,3 мкс.



Процесс перехода на выпуск серийных компьютеров второго поколения совершился, можно сказать, сразу во многих странах и примерно в одно и то же время. Так, в Англии транзисторная ЭВМ «Elliot-803» была выпущена в 1958 г., в ФРГ «Simens-2002» — в 1958 г., в Японии Н-1 — в 1958 г., во Франции и Италии — в 1960 г. В СССР группа разработчиков под руководством Е. Л. Брусиловского в 1960 г. в НИИ математических машин в Ереване завершила разработку полупровод­никовой ЭВМ «Раздан-2», ее серийный выпуск начался в 1961 г.

Необходимо отметить, что в этот период появились ЭВМ второго поколения, построенные на неполупро­водниковой элементной базе. Так, в Японии была выпущена ЭВМ «Senac-1» на параметронах. В СССР — «Сетунь», а во Франции — САВ-500 на магнитных элементах. «Сетунь», разработанная в МГУ коллективом под руководством Н. П. Брусенцова, стала первой в мире ЭВМ, работающей в троичной системе счисления.

Значительным событием в конструировании машин второго поколения стали ЭВМ «Atlas» (Англия), «Stretch» и CDC-6600 (США) и БЭСМ-6 (СССР).

Разработка проекта «Atlas» осуществлялась сотрудниками Манчестерского университета и фирмой Ferranti под руководством Г. Килбурна. Первый образец ЭВМ «Atlas» был изготовлен в 1961 г. В этой машине впервые была реализована концепция виртуальной (кажущейся) памяти [13].

При разработке ЭВМ «Atlas» конструкторы столкнулись с проблемой создания системы, в которой вся память (и на сердечниках и на барабане) адресовалась бы так, как если бы она была только на сердечниках. Так возник метод разделения памяти на страницы и стала возможным динамическая трансляция адресов аппаратными средствами.

Машина «Atlas» имела высокую производительность — около 900 тыс. оп/с, которая была достигнута за счет совершенствования принципов мультипрограммной работы и применения высокочастотных транзисторов. Идеи мультипрограммирования были заложены еще в проектах ЭВМ первого поколения, где предусматривалось совмещение работы центрального процессора и устройств ввода-вывода.

Некоторые ученые считают разработчиков машины «Atlas» родоначальниками современных операционных систем (ОС), которые определили функцию ОС и то значение, которое приобретут они в ЭВМ следующих десятилетий.

В 1960 г. фирма IBM разработала мощную вычислительную систему «Stretch» (IBM-7030). Ее конструкторы добивались увеличения быстродействия в сотни раз, улучшив технологию производства и структурную организацию машин. По количеству транзисторов система «Stretch» значительно превосходила другие полупроводниковые системы. Всего в машине использовалось 169 тыс. в основном дрейфовых транзисторов, имеющих частоту переключения 100 МГц.

Подобные схемы широко применялись и в дальнейших разработках, где был важен фактор скорости. Схемы собраны на печатных платах, включающих примерно 20 транзисторов разной проводимости с задержкой на вентиль менее 20 не. Хотя в системе «Stretch» не достигнуты цели, поставленные разработчиками, ее создание привело к значительным улучшениям во всех областях вычислительной технологии.

Производительность «Stretch» была на порядок выше созданных к тому времени транзисторных систем: сложение чисел с плавающей запятой производилось за 1,5 мкc, умножение — за 2,7 мкс. Что касается структурной организации машины «Stretch», то при ее создании были воплощены все новые концепции в разработке вычислительных систем, известные до 1960 г. Это прежде всего такое важное техническое решение, как предварительный просмотр команд, или поточная обработка. Всего было выпущено семь экземпляров таких машин, одна из них установлена в Лос-Аламосской научной лаборатории.

Большой вклад в развитие вычислительной техники, в частности ЭВМ второго поколения, внесла фирма Control data. В 1960 г. здесь была начата разработка машины CDC-6600, а первый образец ее был установлен в Лос-Анджелесе в 1964 г.

В архитектуре CDC-6600 развитие каналов ввода-вывода привело к такому решению, как многопроцессорная обработка. В ЭВМ CDC-6600 многочисленные арифметико-логические устройства совместно с десятью периферийными процессорами обеспечили машине производительность, превышающую 3 млн. оп/с. Это более чем в 3 раза выше производительности ЭВМ «Stretch». Машина CDC-6600 имела развитое математическое обеспечение, основным элементом которого была операционная система SIPROS [Simul-taneons Proccesing Operating System).

Концепция множества периферийных процессоров, реализованная в CDC-6600, в дальнейшем получила широкое распространение в неоднородных многопроцессорных вычислительных системах.

В СССР после выпуска первой серийной ЭВМ второго поколения «Раздан-2» было разработано еще около 30 моделей данной технологии.

Минским заводом вычислительных машин им. Серго Орджоникидзе в 1963 г. была выпущена первая транзисторная ЭВМ «Минск-2», затем ее модифицированные варианты: «Минск-22», «Минск-22М», «Минск-23» и в 1968 г. — «Минск-32». Необходимо подчеркнуть, что до появления машин серии «Ряд» машины серии «Минск» играли одну из главных ролей в автоматизации различных отраслей народного хозяйства нашей страны. Например, первые АСУ построены на базе ЭВМ серии «Минск» второго поколения. Уже начиная с первых типов машин «Минск» широко реализовались те структурные усовершенствования, которые были направлены на повышение производительности и надежности при массовом выпуске.

Так, в машине «Минск-22» появился блок прерывания программ, функции которого заключались в приостановке работы центрального процессора на время выполнения операций по вводу-выводу. Реакция на прерывание выполнялась в машине аппаратно. Особенности структурной организации «Минск-23» отражали ее назначение — символьную обработку информации, причем на это были ориентированы и внутренний язык, и система команд.

ЭВМ «Минск-32» вобрала в себя все лучшее, что было достигнуто в проектах «Минск-22» и «Минск-23» как в структуре машины, так и в ее архитектуре. Развитые системы мультипрограммной работы (одновременно могло работать до четырех программ), связи с внешними объектами, возможность создания на ее основе многомашинных систем (наличие быстрого канала и коммутаторов) и т. д. обеспечили машине заслуженное признание среди пользователей.

В Институте кибернетики АН УССР под руководством В. М. Глушкова в 60-е гг. были разработаны ЭВМ второго поколения, которые относились к разряду малых машин. Среди них ЭВМ «Проминь», выпущенная в 1962 г., ЭВМ «Мир» и «Мир-1» — 1965 г. и ЭВМ «Мир-2» — 1969 г. Эти машины широко применялись в вузах и научно-исследовательских организациях нашей страны. Из особенностей машин данной серии необходимо отметить реализацию принципа магазинного (стекового) обращения к памяти и использование дисплея со световым пером.

К числу малых машин, созданных в рамках второго поколения, относится семейство полупроводниковых ЭВМ серии «Наири», которые отличались от машин серии «Мир» некоторыми структурными особенностями. Первая машина семейства («Наири-1») была создана в 1964 г. в НИИ математических машин в Ереване. Затем был выпущен ряд модификаций: «Наири-М», «Наири-С», «Наири-2», «Наири-К», «Наири-3-1», «Наири-3-2». Все эти модификации отличались емкостью оперативной памяти и имели программную совместимость.

В этом же году (1964 г.) в Пензе было разработано и запущено в серийное производство семейство полупроводниковых ЭВМ «Урал» (главный конструктор Б. И. Рамеев). В это семейство входили три модели: «Урал-11», «Урал-14» (1965 г.), «Урал-16» (1967 г.). Это первое в нашей стране семейство машин с унифицированной системой организации связи и с периферийными устройствами (унифицированный интерфейс), унифицированными оперативной и внешней памятью. В машинах этого семейства нашли свое воплощение многие идеи, которые затем широко использовались в ЭВМ третьего поколения (развитая система прерываний, эффективная система защиты памяти, развитое математическое обеспечение и т. д.). Причем некоторые идеи разработчиков семейства «Уралов» были высказаны раньше концепции семейства 1ВМ-360. В ЭВМ «Урал-16» успешно прошла испытания операционная система, осуществлявшая пакетную обработку данных.

Самая производительная отечественная ЭВМ первого поколения М-20 положила начало семейству машин с общей идеологией и программной преемственностью, реализация которого осуществлялась в 60-е гг. уже в рамках второго поколения. В этом семействе были выпущены машины типов: БЭСМ-ЗМ, БЭСМ-4, М-220 и М-222. Несмотря на различие элементной базы, по структурной организации ЭВМ БЭСМ-ЗМ, БЭСМ-4 и даже М-220 мало чем отличались от М-20. В то же время ЭВМ БЭСМ-4 и М-222, преемственные по системе команд с ЭВМ М-20, обладали чертами, характерными для ЭВМ третьего поколения.[19, c.93]

Трудно переоценить то значение и то влияние на развитие вычислительной техники, которые имело создание высокопроизводительной и оригинальной по архитектуре отечественной вычислительной системы БЭСМ-6. В ней использованы 60 тыс. транзисторов и 200 тыс. полупроводниковых диодов, причем высокая надежность машины обеспечена большим запасом мощности основных схем — диоды и транзисторы были нагружены на 25—40% от допустимого предела. Имея исключительно высокое быстродействие — 1 млн. операций/с, БЭСМ-6 обладала отличным коэффициентом отношения производительности к стоимости вычислений, так как при ее проектировании учитывались вопросы элементной базы, серийность выпуска, стоимость разработки.



Разработка БЭСМ-6 осуществлена под руководством С. А. Лебедева и В. А. Мельникова в ИТМ и ВТ. Серийный выпуск начат в 1967 г. Как показали годы эксплуатации машины, цели, поставленные разработчиками, — создание быстродействующей серийной ЭВМ, удовлетворяющей современным требованиям с точки зрения автоматизации программирования и развития операционных систем, — были достигнуты. Машина БЭСМ-6 обладала рядом интересных особенностей по организации виртуальной памяти, по принятому в ее структурной организации принципу «водопровода» (предложенного еще ранее С. А. Лебедевым), по организации прерываний и защиты памяти, по организации связи с каналами и периферийными устройствами [19, с. 105].

Выпуск ЭВМ второго поколения продолжался до 70-х гг., причем отдельные типы выпускались и позже. Это обстоятельство было связано с тем, что разработчикам элементной базы машин третьего поколения долгое время не удавалось достичь тех параметров быстродействия, которые были свойственны высокочастотным транзисторам и диодам.

Выделяя основной признак второго поколения — транзисторную элементную базу, нельзя не упомянуть еще об одном признаке, характерном для машин тех лет, который иногда называют лицом поколения. Речь идет о становлении и развитии в данный период концепции математического обеспечения и алгоритмических языков.

Одной из проблем конца 50-х гг., затруднявших развитие вычислительной техники, было отсутствие стандартных языков программирования. Первой попыткой решения данной проблемы явилось создание в 1958 г. алгоритмического языка АЛГОЛ. Язык был создан группой ученых американской Ассоциации по вычислительной технике и западногерманской Ассоциации по прикладной математике. В том же году американской Ассоциацией по вычислительной технике был создан первый транслятор для этого языка. В 1960 г. была опубликована законченная спецификация этого языка под названием АЛГОЛ-60.

В мае 1959 г. военное ведомство США также предприняло шаги к созданию общепринятого языка программирования. Группа, объединившаяся под эгидой комитета Кодасил, разработала алгоритмический язык КОБОЛ, ориентированный на решение экономических задач. (В СССР используется русский вариант этого языка).

В начале 60-х гг. было разработано еще несколько базовых языков программирования. Так, сотрудник фирмы IBM Кеннет Айверсон в 1962 г. предложил язык APL. Этот символический язык был разработан для определенных прикладных программ, но специфическая нотация затрудняла его использование.

В 1963 г. сотрудники фирмы IBM и группа ее пользователей начали разработку универсального языка, который был бы удобен не только для задач вычислительного характера, но и для обработки текстов, что затруднительно было делать при программировании на ФОРТРАНе и КОБОЛе. В результате в 1965 г. появился язык PL/1.

Проблемы обучения студентов основам программирования заставили ученых искать пути создания простого алгоритмического языка. В 1964 г. Джоном Кемени и Томасом Курцем из Дармутского колледжа был разработан язык БЕЙСИК — универсальный символический язык для начинающих, который в дальнейшем (конец 70-х и 80-е гг.) нашел широкое применение в микро-ЭВМ и персональных компьютерах. [12, c.148]

В конце 50-х и начале 60-х гг. масштабы использования программных средств неизмеримо возросли, и постепенно сложилась ситуация, при которой стало ясно, что программный продукт должен быть неотъемлемой частью машины и поставляться пользователям вместе с аппаратной частью (hardware), образуя интегрированную систему программирования. Так сложилась концепция математического обеспечения (software).

В нашей стране началом разработки и развития концепции математического обеспечения, очевидно, был 1961 г. В июле этого года пользователи машин М-20 объединились в ассоциацию (в дальнейшем аналогичные ассоциации были созданы для машин серии БЭСМ, «Урал», «Минск», «Наири» и др.). В задачи ассоциации, в частности, входили: выработка единого языка программирования и организация обмена программами и алгоритмами, организация работ по созданию стандартных программ и по автоматизации программирования. Первыми образцами программной продукции были: интерпретирующая система ИС-2 для использования подпрограмм, разработанная группой под руководством М. Р. Шура-Буры; трансляторы ТА-1 и ТА-2 для реализации АЛГОЛа-60, разработанные группами С. С. Лаврова и М. Р. Шура-Буры. В 1964 г. начали создавать первые мультипрограммные системы для пакетной обработки с использованием загрузчиков и ассемблеров, работающих в автоматическом режиме с помощью языков управления заданиями [22, c.13].

Итоги разработки трансляторов в нашей стране были подведены на 2-й региональной конференции социалистических стран, состоявшейся в Киеве в 1963 г. На этой конференции были заложены основы международного сотрудничества в области программирования, (впоследствии была создана рабочая группа ГАМС, которая разработала проект международного стандарта на подмножество АЛГОЛа-60, получившее название АЛГАМС. Деятельность рабочей группы ГАМС и других рабочих групп — это пример международного научно-технического сотрудничества, нашедшего свое полное воплощение в работах по созданию ЕС ЭВМ и СМ ЭВМ [22, c.10-12].

Предыдущий раздел был закончен описанием процесса стихийного развития конструкций компьютеров, порожденного конкуренцией фирм и диктатом рынка. Процесс для пользователя назван негативным. Эта же причина — жесткой конкурентной борьбы — стала для пользователя и благодатной почвой, на которой для него вырос широкий набор сервисных устройств и услуг. Однако наряду с этим пользователь все же мог приобрести дешевые вычислительные устройства. Снижение цен на компьютеры получило устойчивую тенденцию.

Чем можно было привлечь покупателя к своей продукции? В основном набором устройств, программ, предоставляющим удобство работы с компьютером, простотой в обращении, надежностью, красивым внешним видом и удобной компоновкой узлов и блоков. И второй момент: автоматизация процесса производства позволила выпускать все более дешевые вычислительные машины.

Компьютер получил удобное устройство ввода-вывода (клавишное устройство). Тонкие, красивые клавиши, удобно расположенные, имеют к тому же тактильную обратную связь. Благодаря такой связи пользователь может контролировать срабатывание контакта.

Различные манипуляторы, дисплеи, графопостроители, печатающие устройства, читающие приставки — все это предлагают сегодня фирмы для компьютеризации и автоматизации вашего рабочего места. Это еще поддержано широкой номенклатурой различных программ для всевозможных применений, выпускаемых огромными тиражами и потому легко доступных для пользователей.

Аркадий Петрович Частиков
"Вычислительная техника и ее применение" 1988/1