Беседы о поколениях ЭВМ

Н. Бусленко, В. Бусленко

©   Издательство "Молодая гвардия", 1977 г.

Все настойчивее вторгаются электронные вычислительные машины в науку и в народное хозяйство. О зарождении этих машин, принципе их действия, их развитии и влиянии на жизнь человека расскажут член-корреспондент АН СССР Н. Бусленко и его сын кандидат технических наук В. Бусленко.

- Свои идеи Ч. Бэбидж разработал так основательно, что непонятно, почему их удалось реализовать лишь в XX веке!

- Основным тормозом был механический принцип счета, господствовавший в счетной технике более 300 лет. Самые оригинальные инженерные решения не в состоянии были изменить физические законы, преодолеть инерциальность движения механических тел!

С увеличением скоростей работы счетных механизмов число поломок и, самое неприятное, трудно выявляемых ошибок росло, как снежный ком. Едва ли не одной из самых дефицитных технических специальностей того времени считалась - наладчик счетной техники, а наиболее вероятным состоянием электромеханических и перфорационных машин было состояние ремонта.

Естественно, что такое положение долго существовать не могло, тем более, что успехи электротехники и электроники позволяли надеяться на создание высокоскоростных счетных элементов. Однако с переходом на электрические схемы расчета появился новый грозный фактор - недостаточная устойчивость десятизначных счетных элементов.Если зубчатое колесо нужно было "абсолютно надежно" фиксировать в каждом его десяти рабочих положений, то и в электрических элементах потребовалась стабилизация десяти отдельных, обычно весьма близких друг к другу значений тока или напряжения в цепи. Это было не простой проблемой. Из-за случайных колебаний напряжения различить их не всегда удавалось. Как же все-таки добиться устойчивости рабочих состояний?

Оказалось, что если уменьшить число самих состояний, то возрастает устойчивость каждого из них. так, девять состояний устойчивее десяти, восемь - девяти, семь - устойчивее восьми и так далее. Однако "абсолютная устойчивость" уже ни на что не годится: считать такой элемент ничего не может. Немного менее устойчивым элементом, с помощью которого можно вести счет, был, таким образом, элемент с двумя рабочими состояниями - двухпозиционное устройство.

Одним из наиболее распространенных двухпозиционных элементов является обыкновенное электромагнитное реле. Работает оно, как известно, следующим образом. Когда по катушке, намотанной вокруг сердечника, течет ток - железная пластина, называемая якорем, прижимается к сердечнику и замыкает один из контактов - это первое рабочее состояние. Когда тока в цепи нет, якорь замыкает другой контакт - это второе рабочее состояние. Каждый последующий импульс переводит реле то в одно, то в другое рабочее состояние.

С помощью этого реле можно зарегистрировать минимум информации. Поскольку оно может быть в одном из рабочих состояний, то это означает лишь "да" или "нет", "истинно" или "ложно", "ноль" или "единица". Такая минимальная первичная порция информации принята за единицу измерения и называется "бит" (от английского binary digit - двоичная цифра).

В технике наряду с такими устоявшимися единицами, как грамм, секунда, метр, бит занимает почетное место. Над битами совершают операции современные ЭВМ; они фигурируют в радиосвязи, телеграфии и других средствах передачи информации. Хорошо известен бит в теории информации, теории кодирования и даже в эстетике.

После изобретения электромагнитного реле вопрос о том, как записать с его помощью всевозможные цифры нашей десятичной системы счисления и как осуществлять простейшие арифметические операции, не был большой проблемой. Достаточно было взглянуть на несколько веков назад и вспомнить, что еще в 1658 году Б. Паскаль доказал, что любое положительное число может быть основанием системы счисления, а знаменитый Г. Лейбниц в 1703 году описал фрифметические действия в двоичной системе.

Наша обиходная система счисления, как известно, является десятичной, поскольку в основании ее лежит число 10. Почему выбрано именно это число? Ведь с формальной точки зрения оно не хуже и не лучше любого другого. Если сказать, что выбор обусловлен соображениями анатомии, то это вызовет, вероятно, удивление. И все же это так: ведь будь у нас на каждой руке, например, по четыре пальца, счет наш, очевидно, был бы восьмеричным. Таким образом, десятичность используемой системы счисления связана со строением нашего организма. Примерно так же связана с "физиологией" электронных элементов и двоичная система счисления, в основании которой лежит число 2. Двоичная, восьмеричная, десятичная - все это позиционные системы счисления, у которых значение цифры зависит от ее положения (позиции). Число 1977 в десятичной системе счисления буквально означает следующее:

В более формальном виде оно записывается так:

1х10³+9х10²+7х10¹+7х10⁰=1977

Аналогично представляется число и в двоичной системе. Например, наше 1977 выглядит так:

1х2¹⁰+1х2⁹+1х2⁸+1х2⁷+0х2⁶+1х2⁵+1х2⁴+1х2³+0х2²+0х2¹=11110111001, или

1024+512+256+128+0+32+16+8+0+0+1=1977

А вот как изображаются в двоичной системе счислений первые двадцать десятичных чисел (для этого нам потребуется всего пять двоичных разрядов).

Арифметические действия в двоичной системе производятся так же, как и в десятичной, только там, где в десятичной мы говорим "два" и спокойно считаем дальше, здесь приходится переносить единицу в следующий разряд. Вот как выглядит таблица сложения в двоичной системе:

Все помнят, наверное, то место в комедии Фонвизина "Недоросль", где Митрофанушку просят показать свое искусство в арифметике. "Нуль да нуль - будет нуль", - говорит Митрофан. Верно, эта операция правильна. "Один да один", - говорит Митрофанушка и надолго задумывается. Действительно, 1+1 в десятичной системе будет 2, но в двоичной два - это уже единица старшего разряда и значит 10. Есть над чем подумать Митрофанушке.

Вычитание в двоичной арифметике тоже дело "сложное", особенно для Митрофанушки, который так и не освоил сложения. Для тех же, кто разобрался, все будет понятно из приведенной таблицы:

С помощью этих таблиц легко производить любые арифметические действия над многоразрядными двоичными числами. Пусть надо сложить, например, число 1011 (это десятичное одиннадцать) с числом 110 (это шестерка). Запишем в столбик, так будет нагляднее:

Начинают сложение, как всегда, с младшего разряда, здесь 1+0=1. Следующий разряд: 1+1=10, здесь записывается только ноль, а единица запоминается, и когда придет время складывать цифры следующего разряда, то к результату прибавляется и эта единица. Итак, цифры следующего разряда: 0+1=1 дает единицу, к ней прибавляется запомненная в уме единица: 1+1=10, здесь опять записывается ноль и запоминается 1. Наконец, к единице в последнем разряде прибавляется запомненная единица: 1+1=10 и полученное 10 просто записывается, так как больше разрядов нет. Итак, полученная сумма равна 10001. Теперь стоит проверить, как это делалось выше, равно ли это число 17?

10001=1х2⁴+0х2³+0х2²+0х2¹+1х2⁰=16+0+0+0+1=17.

Получилось семнадцать! Значит, все правильно.

Умножение выполняется так: 5х3=15. В двоичной системе 5 это 101, а 3 - 11.

Тогда:

Деление: 18:3=6. В двоичной системе 18 это 10010, а 3 - 11. Получаем:

Из рассмотренных выше примеров практически уже следует способ "машинной" реализации простейших арифметических операций над многоразрядными двоичными числами. Для сложения, например, нужно соединить последовательно несколько реле так, чтобы происходил постоянный перенос единицы в старший разряд. Схема, предназначенная для сложения многоразрядных двоичных чисел, называется многоразрядным двоичным сумматором.

Такой сумматор состоит из одноразрядных сумматоров, каждый из которых складывает два одноразрядных слагаемых, прибавляет к ним значение переноса и при необходимости формирует единицу переноса в старший разряд.

Многоразрядный двоичный суматор довольно универсальная штука, особенно если уметь с ним правильно обращаться. Для этого нужно уменьшаемое сложить со специально преобразованным вычитаемым, так называемым 2дополнительным кодом числа".

Дополнительный код можно легко получить: каждую единицу числа вычитаемого заменить на ноль, а каждый ноль на единицу. В конце, кроме этого, нужно добавить в младший разряд еще единицу. Тот факт, что результат в этом случае будет как раз равен разности, легко проверить на приведенном примере:

Оказывается, что не только вычитание, но даже умножение можно реализовать с помощью сумматора. Сомножители, как известно, содержат только две цифры 0 и 1, при умножении на единицу мы будем иметь точное воспроизведение множимого, а при умножении на ноль будем получать ноли. Для сложения таких частных произведений их следует подписывать друг под другом, сдвигая каждое новое на один разряд, при этом нулевые частные произведения можно вообще отбросить.

Наверное, читатель уже догадался, что и деление возможно выполнить с помощью сумматора: вычитая из делимого делитель и все время сдвигая влево остаток, мы получим искомое частное.

Чрезвычайная простота арифметических действий в двоичной системе позволяет из однотипных реле набирать схемы, пригодные практически для любых манипуляций над двоичными числами. Это и послужило причиной того, что первые компьютеры были созданы с использованием именно таких элементов.

- Теперь ясно. Проект Ч. Бэбиджа пролежал более ста лет без движения только потому, что не было хороших электрических элементов.

- Это верно, но не совсем. Действительно, первые универсальные вычислительные машины с программным управлением были построены на базе электромагнитного реле, но, увидев их, Бэбидж вряд ли бы узнал свое детище: так далеко вперед шагнула техника, наука да и сами принципы машинных вычислений!

В 1941 году немецкий инженер К. Цузе закончил работу над третьим вариантом своей универсальной машины Ц-3 на электромагнитном реле. Она выполняла восемь команд, в том числе, 4 арифметических действия и извлечение квадратного корня. Все действия производились в двоичной системе счисления. Регистр для хранения числа имел 22 разряда. Машина состояла из 2600 реле, на которых было построено арифметическое устройство и память на 64 двоичных числа. Программа для работы машины задавалась с помощью двухдорожечной перфорированной ленты.

В 1944 году в США завершились работы по проекту Г. Айкена, в результате чего была создана машина "Марк-1", выполненная из стандартных деталей перфорационных устройств, выпускавшихся фирмой ИБМ. Переданная затем заказчику - Гарвардскому университету, машина с успехом эксплуатировалась в течение 15 лет. Компьютер "Марк-1", кроме четырех арифметических действий, способен был выполнять дополнительные операции, например, поиск по таблице требуемых величин.

Создателям машины пришлось преодолеть массу технических сложностей. Одно дело разработка алгоритмов двоичных операций, и совсем другое дело - создание надежных и быстродействующих схем для реализации этих операций.

Машина "Марк-1" управлялась специальной программой, задаваемой на 24-дорожечной управляющей перфоленте, движущейся со скоростью 200 тактов в минуту. За один такт выполнялась одна операция типа сложения, на что затрачивалось 0,3 секунды. Умножение и деление производилось за несколько шагов, что требовало 5-7 секунд на умножение и 15 секунд на деление.

С точки зрения преодоления разнообразных инженерных трудностей и применения целого ряда прогрессивных принципов (программное управление, двоичная система счисления, операции условного перехода и т.д.), такие машины, как Ц-3 и "Марк-1", были выдающимися достижениями своего времени. Однако компьютеры с таким быстродействием не могли стать основой для революционных изменений в области автоматизации вычислительных работ, они все-таки считали чрезвычайно медленно. Медленно потому, что были медленными их элементы. Хотя время срабатывания реле и составляло 0,1 секунды, однако в двоичной системе каждое действие требует во много раз больше тактов работы, чем в десятичной.

Качественный скачок быстродействия произошел в связи с переходом на электронные безынерционные элементы, работающие на скоростях, близких к скорости света! Работы, которые привели к созданию совершенно новой области техники - электроники, были начаты еще в конце XIX века.

В 1884 году Т. Эдисон описал открытое им явление термомагнитной эмиссии. В 1897 году немецкий физик с английской фамилией Браун изобрел электронно-лучевую трубку. Триод - одна из наиболее популярных электронных ламп - был создан в 1906 году американцем Ли де Форстером. В 1913 году немецкий физик А. Мейснер запатентовал ламповый генератор незатухающих колебаний. В том же году наш соотечественник М. Бонч-Бруевич изобрел ламповый триггер, сыгравший впоследствии огромную роль в развитии вычислительной техники.

К началу 40-х годов, то есть ко времени появления первых автоматических вычислительных машин, электронные устройства получили уже значительное распространение и развитие. Они широко применялись во многих областях техники, прежде всего, радиотехники. Зарождалось телевидение и радиолокация, развивалась электронная контрольно-измерительная техника. Сознавали ли К. Цузе, Г. Айкен и другие конструкторы первых автоматических компьютеров преимущества электронных схем? Почему они пытались решить новую проблему старыми средствами? Ответ на эти вопросы дал известный американский ученый Н. Винер - "отец кибернетики", хорошо знакомый с обстоятельствами развития вычислительной техники в США. "Меня очень удивило, - писал он, - что Айкен в качестве основных элементов своей машины выбрал сравнительно медленно действующие механические реле, не придав особенного значения громадному увеличению скорости вычисления, которого можно было достичь, используя электронное реле.  Порочность этой точки зрения в настоящее время очевидна, в частности, благодаря самому Айкену, ставшему одним из наиболее энергичных и оригинальных изобретателей и конструкторов электронных вычислительных машин. Но тогда у него была какая-то странная причуда, заставлявшая его считать работу с механическим реле нравственной и разумной, а использование электронных реле - делом никому не нужным и морально нечистоплотным. В этой связи мне хочется напомнить об одном опасном свойстве, которым часто отличаются наиболее талантливые и целеустремленные изобретатели. Люди такого склада обычно стремятся навеки законсервировать технические приемы своей области на том уровне, которого они сами достигли, и проявляют чудеса моральной и интеллектуальной изворотливости, сопротивляясь, а иной раз даже воздвигая непреодолимые препятствия на пути новых работ, основанных на новых оригинальных принципах."