Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Реплика компьютера Атанасова – Берри в Университете штата Айова
В компьютере ENIAC 1946 года использовалось 17 468 электронных ламп.

Компьютер на электронных лампах , который сейчас называют компьютером первого поколения , представляет собой компьютер, в котором для логических схем используются электронные лампы . Несмотря на то , что на смену транзисторным компьютерам пришло второе поколение , компьютеры на электронных лампах продолжали встраиваться в 1960-е годы. Эти компьютеры были в основном единственными в своем роде.

Развитие [ править ]

Использование ламповых усилителей с перекрестной связью для создания последовательности импульсов было описано Экклсом и Джорданом в 1918 году. Эта схема стала основой триггера , схемы с двумя состояниями, которая стала основным элементом электронных двоичных цифровых компьютеров. .

Атанасофф-ягодный компьютер , прототип которого был впервые продемонстрирован в 1939 году, в настоящее время приписывают в качестве первого компьютера вакуумной трубки. [1] Однако это не был универсальный компьютер, способный решать только систему линейных уравнений, и он также не был очень надежным.

Компьютер Колосс в Блетчли-парке

Во время Второй мировой войны цифровые компьютеры с электронными лампами специального назначения, такие как Colossus, использовались для взлома немецких и японских шифров. Военная разведка, собранная этими системами, была необходима для военных действий союзников. Каждый Колосс использовал от 1600 до 2400 электронных ламп. [1] Существование машины держалось в секрете, и публика не знала о ее применении до 1970-х годов. [1]

Также во время войны Конрад Цузе разрабатывал электромеханические двоичные компьютеры . Немецкий военный истеблишмент во время войны не уделял первоочередного внимания разработке компьютеров. В 1942 году была разработана экспериментальная электронно-вычислительная схема с примерно 100 лампами, но она была уничтожена во время авианалета.

В Соединенных Штатах работа над компьютером ENIAC началась в конце Второй мировой войны. Машина была завершена в 1945 году. Хотя одним из приложений, которое мотивировало ее разработку, было производство таблиц стрельбы для артиллерии, одним из первых применений ENIAC было выполнение расчетов, связанных с разработкой водородной бомбы . ENIAC был запрограммирован с коммутационными панелями и переключателями вместо программы, хранящейся в электронном виде. Послевоенная серия лекций, раскрывающих устройство ENIAC, и отчет Джона фон Неймана о предполагаемом преемнике ENIAC, Первый проект отчета по EDVAC , были широко распространены и оказали влияние на создание послевоенного вакуума. ламповые компьютеры.

Ferranti Марка 1 (1951) считается первым компьютером коммерческий вакуумной трубки. Первым серийным компьютером был IBM 650 (1953 г.).

Проблемы с дизайном [ править ]

Технология вакуумных ламп требовала большого количества электроэнергии. В компьютере ENIAC (1946 г.) было более 17 000 пробирок, и в среднем каждые два дня он отказывался (на поиск которого требовалось 15 минут). В процессе работы ENIAC потреблял 150 киловатт энергии, [2] из которых 80 киловатт использовались для нагревательных трубок, 45 киловатт для источников питания постоянного тока, 20 киловатт для вентиляционных нагнетателей и 5 киловатт для вспомогательного оборудования с перфокартами.

IBM 650 в Техасском университете A&M.

Поскольку отказ любой из тысяч ламп в компьютере мог привести к ошибкам, надежность лампы имела большое значение. Трубки особого качества были созданы для компьютерного обслуживания, с более высокими стандартами материалов, контроля и испытаний, чем стандартные приемные трубки.

Одним из эффектов цифровой работы, который редко появлялся в аналоговых схемах, было отравление катода.. Вакуумные лампы, которые работали в течение продолжительных интервалов времени без тока пластины, образовывали бы слой с высоким удельным сопротивлением на катодах, снижая коэффициент усиления лампы. Специально подобранные материалы требовались для компьютерных ламп, чтобы предотвратить этот эффект. Чтобы избежать механических напряжений, связанных с нагревом трубок до рабочей температуры, часто к трубчатым нагревателям прикладывали полное рабочее напряжение медленно, в течение минуты или более, чтобы предотвратить поломку катодных нагревателей из-за напряжения. Электропитание нагревателя можно было оставить включенным во время ожидания машины, при отключенных источниках питания высокого напряжения. Предельное тестирование было встроено в подсистемы лампового компьютера; понизив напряжение пластины или нагревателя и проверив правильную работу, можно обнаружить компоненты, подверженные риску преждевременного отказа.Чтобы регулировать все напряжения источника питания и не допустить, чтобы скачки и провалы в электросети влияли на работу компьютера, питание поступало от мотор-генераторной установки, которая улучшала стабильность и регулирование напряжений источника питания.[ необходима цитата ]

Два основных типа логических схем использовались при создании компьютеров на электронных лампах. «Асинхронный» или прямой тип с подключением по постоянному току использовал только резисторы для подключения между логическими вентилями и внутри самих вентилей. Логические уровни были представлены двумя широко разделенными напряжениями. В логике «синхронного» или «динамического импульса» каждый каскад был связан импульсными цепями, такими как трансформаторы или конденсаторы. К каждому логическому элементу был приложен тактовый импульс. Логические состояния были представлены наличием или отсутствием импульсов в течение каждого тактового интервала. Асинхронные схемы потенциально могут работать быстрее, но для защиты от логических «скачков» требуется больше схем, поскольку разные логические тракты будут иметь разное время распространения от входа к стабильному выходу. Синхронные системы избежали этой проблемы,но требовались дополнительные схемы для распределения тактового сигнала, который мог иметь несколько фаз для каждой ступени машины. Логические каскады с прямой связью были несколько чувствительны к дрейфу значений компонентов или небольшим токам утечки, но двоичный характер работы давал схемам значительный запас против неисправностей из-за дрейфа.[3] Примером «импульсных» (синхронных) вычислений был MIT Whirlwind . В компьютерах IAS ( ILLIAC и др.) Использовались асинхронные логические каскады с прямой связью.

В ламповых компьютерах в основном использовались триоды и пентоды в качестве переключающих и усилительных элементов. По крайней мере, одна специально разработанная вентильная трубка имела две управляющие решетки с одинаковыми характеристиками, что позволяло напрямую реализовать логический элемент И с двумя входами . [3] Иногда тиратроны использовались, например, для управления устройствами ввода-вывода или для упрощения конструкции защелок и регистров хранения. Часто компьютеры с электронными лампами широко использовали твердотельные («кристаллические») диоды для выполнения логических функций И и ИЛИ , и использовали только электронные лампы для усиления сигналов между каскадами или для создания таких элементов, как триггеры, счетчики и регистры. Твердотельные диоды уменьшили размер и потребляемую мощность всей машины.

Технология памяти [ править ]

Ранние системы использовали различные технологии памяти до того, как окончательно остановились на памяти на магнитных сердечниках . Атанасофф-ягодный компьютер 1942 хранятся числовые значения в виде двоичных чисел в револьверном механическом барабане, с помощью специальной схемы , чтобы обновить эту память «динамической» на каждом обороте. ENIAC военного времени мог хранить 20 чисел, но использовавшиеся электронные регистры были слишком дороги, чтобы хранить больше, чем несколько чисел. Компьютер с хранимой программой был недоступен до тех пор, пока не была разработана экономичная форма памяти. Морис Уилкс построил EDSACв 1947 году, у которого была память с ртутной линией задержки, которая могла хранить 32 слова по 17 бит каждое. Поскольку память линии задержки была изначально организована последовательно, машинная логика также была последовательной по битам. [4]

Ртуть память линия задержки была использована J. Преспер Эккертом в EDVAC и UNIVAC I . Эккерт и Джон Мочли получили патент на память линии задержки в 1953 году. Биты в линии задержки хранятся в среде как звуковые волны, которые распространяются с постоянной скоростью. UNIVAC I (1951) использовал семь блоков памяти, каждая из которых содержала 18 столбцов ртути, каждая по 120 бит. Это обеспечило память на 1000 12-значных слов со средним временем доступа 300 микросекунд. [5] Эта подсистема памяти образовывала отдельную комнату.

Трубка Вильямса от IBM 701 в Музее компьютерной истории

Трубки Вильямса были первым настоящим устройством с произвольной памятью . Трубка Вильямса отображает сетку точек на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ), создавая небольшой заряд статического электричества над каждой точкой. Заряд в месте расположения каждой точки считывается тонким металлическим листом прямо перед дисплеем. Фредерик Калланд Уильямс и Том Килберн подали заявку на патенты на трубку Вильямса в 1946 году. Труба Вильямса была намного быстрее линии задержки, но страдала от проблем с надежностью. UNIVAC 1103 использовали 36 Williams Трубы с емкостью 1024 бит каждый, что дает общую память произвольного доступа 1024 слов из 36 битов каждый. Время доступа к памяти Williams Tube на IBM 701было 30 микросекунд. [5]

Магнитная барабанная память была изобретена в 1932 году Густавом Таушеком в Австрии. [6] [7] Барабан состоял из большого быстро вращающегося металлического цилиндра, покрытого ферромагнитным записывающим материалом. Большинство барабанов имели один или несколько рядов фиксированных головок чтения-записи вдоль длинной оси барабана для каждой дорожки. Контроллер барабана выбрал подходящую пластину и ждал, пока под ней появятся данные, пока барабан вращается. У IBM 650 была барабанная память от 1000 до 4000 10-значных слов со средним временем доступа 2,5 миллисекунды.

Память на магнитном сердечнике, 18 × 24 бита, с четвертью США

Память с магнитным сердечником была запатентована Ан Вангом в 1951 году. В сердечнике используются крошечные магнитные кольцевые сердечники, через которые проходят провода для записи и чтения информации. Каждое ядро ​​представляет один бит информации. Сердечники могут быть намагничены двумя разными способами (по часовой стрелке или против часовой стрелки), и бит, хранящийся в сердечнике, равен нулю или единице в зависимости от направления намагничивания этого сердечника. Провода позволяют установить для отдельного сердечника либо единицу, либо ноль, а также изменить его намагниченность, посылая соответствующие импульсы электрического тока через выбранные провода. Основная память предлагала произвольный доступ и большую скорость в дополнение к гораздо более высокой надежности. Его быстро начали использовать в таких компьютерах, как MIT / IBM Whirlwind.где первоначальные 1024 16-битных слов памяти были установлены вместо Williams Tubes. Точно так же UNIVAC 1103 был модернизирован до 1103A в 1956 году с основной памятью вместо ламп Williams. Основная память, используемая в 1103, имела время доступа 10 микросекунд. [5]

См. Также [ править ]

  • История вычислительной техники
  • Список компьютеров с вакуумной трубкой
  • Вакуумная лампа 7AK7
  • Компьютер с хранимой программой

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Джек, Коупленд, Б. «Современная история вычислительной техники» . plato.stanford.edu . Проверено 29 апреля 2018 .
  2. ^ «Пресс-релиз: ОПИСАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ АСПЕКТОВ, РАБОТЫ ENIAC» (PDF) . Смитсоновский институт - Национальный музей американской истории . ВОЕННОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Бюро по связям с общественностью . Проверено 30 декабря 2017 года .
  3. ^ а б Эдвард Л. Браун, Цифровой компьютерный дизайн: логика, схемотехника и синтез Academic Press, 2014, ISBN 1483275736 , стр.116–126 
  4. ^ Марк Дональд Хилл, Норман Пол Джуппи , Гуриндар Сохи * изд., Чтения по компьютерной архитектуре , Gulf Professional Publishing, 2000, ISBN 1558605398 , страницы 3–4 
  5. ^ а б в Дасгупта, Субрата (2014). Это началось с Бэббиджа: генезис компьютерных наук . Издательство Оксфордского университета. п. VII. ISBN 978-0-19-930941-2. Проверено 30 декабря 2017 года .
  6. ^ Патент США 2080100 Густав Таушек, Priority дату 2 августа 1932, Последующий подал в Германском патентном DE643803 , «Elektromagnetischer Спейчер für Zahlen унд Андер Angaben, besonders für Buchführungseinrichtungen» (электромагнитную память для номеров и другой информации, особенно для учета учреждений)
  7. Перейти ↑ Universität Klagenfurt (ed.). «Магнитный барабан» . Виртуальные выставки по информатике . Проверено 21 августа 2011 .