Первое поколение – электронные лампы (1945-1955)

Стимулом к созданию электронного компьютера стала Вторая мировая война. В начале войны германские подводные лодки разрушали британские корабли. Германские адмиралы посылали на подводные лодки по радиокомандам, и хотя англичане могли перехватывать эти команды, проблема была в том, что радио­граммы были закодированы с помощью прибора под названием ENIGMA.

В начале войны англичанам удалось приобрести ENIGMA. Однако, чтобы расшифровать закодиро­ванное послание, требовалось огромное количество вычислений, и их нужно было произвести сразу после перехвата радиограммы. Поэтому британское правитель­ство основало секретную лабораторию для создания электронного компьютера под названием COLOSSUS. В создании этой машины принимал участие знамени­тый британский математик Алан Тьюринг. COLOSSUS работал уже в 1943 году, но, так как британское правительство полностью контролировало этот проект и рассматривало его как военную тайну на протяжении 30 лет, COLOSSUS не стал базой для дальнейшего развития компьютеров.

Вторая мировая война повлияла на развитие компьютерной техники и в США. Армии нужны были таблицы, которые использовались при нацеливании тяже­лой артиллерии. Сотни женщин нанимались для расчетов на ручных счетных машинах и заполнения полей этих таблиц (считалось, что женщины аккуратнее в расчетах, чем мужчины). Тем не менее, этот процесс требовал много времени, и часто случались ошибки.

Джон Моушли, который был знаком с работами Атанасова и Стибблитса, по­нимал, что армия заинтересована в счетных машинах. Он потребовал от армии финансирования работ по созданию электронного компьютера. Требование было удовлетворено в 1943 году, и Моушли со своим студентом Дж. Преспером Экертом начали конструировать электронный компьютер, который они назвали ENIAC. ENIAC состоял из 18 000 электровакуум­ных ламп и 1500 реле, весил 30 тонн и потреблял 140 киловатт электроэнергии. У машины было 20 регистров, каждый из которых мог содержать 10-разрядное десятичное число. В ENIAC было установлено 6000 многоканальных пе­реключателей и имелось множество кабелей, протянутых к разъемам. Работа над машиной была закончена в 1946 году, когда она уже была не нуж­ной – по крайней мере, для достижения первоначально поставленных целей.

Поскольку война закончилась, Моушли и Экерту позволили организовать школу, где они рассказывали о своей работе коллегам-ученым. В этой школе и зародился интерес к созданию больших цифровых компьютеров.

После появления школы за конструирование электронных вычислительных машин взялись другие исследователи.

В то время как Экерт и Моушли работали над машиной EDVAC, один из уча­стников проекта ENIAC, Джон Фон Нейман, поехал в Институт специальных исследований в Принстоне, чтобы сконструировать собственную версию EDVAC под названием IAS.

Фон Нейман вскоре осознал, что создание компьютеров с большим количест­вом переключателей и кабелей требует длительного времени и очень утомительно. Он пришел к мысли, что программа должна быть представлена в памяти компь­ютера в цифровой форме, вместе с данными. Он также отметил, что десятичная арифметика, используемая в машине ENIAC, где каждый разряд представлялся десятью электронными лампами (1 включена и 9 выключены), должна быть за­менена параллельной бинарной арифметикой.

Основной проект, который фон Нейман описал вначале, известен сейчас как фон-неймановская вычислительная машина. Он был использован в EDSAC, первой машине с программой в памяти, и даже сейчас, более чем полвека спустя,  является основой большинства современных цифровых компьютеров. Сам замы­сел и машина IAS оказали очень большое влияние на дальнейшее развитие ком­пьютерной техники, поэтому стоит кратко описать проект фон Неймана. Стоит иметь в виду, что хоть проект и связан с именем Фон-Неймана, в его разработке приняли деятельное участие другие ученые – в частности, Голдстайн. Архитек­туру этой машины иллюстрирует рисунок 2.

Рисунок 2 – Схема Фон-Неймана.

 

Машина Фон-Неймана состояла из пяти основных частей: памяти, арифмети­ко-логического устройства, устройства управления, а также устройств ввода-вы­вода. Память включала 4096 слов размером по 40 бит, бит – это 0 или 1. Каждое слово содержало или 2 команды по 20 бит, или целое число со знаком на 40 бит. 8 бит указывали на тип команды, а остальные 12 бит определяли одно из 4096 слов. Арифметический блок и блок управления составляли «мозговой центр» компьютера. В современных машинах эти блоки сочетаются в одной мик­росхеме, называемой центральным процессором (ЦП).

Внутри арифметико-логического устройства находился особый внутренний регистр на 40 бит, так называемый аккумулятор. Типичная команда добавляла слово из памяти в аккумулятор или сохраняла содержимое аккумулятора в па­мяти. Эта машина не выполняла арифметические операции с плавающей точкой, поскольку Фон Нейман считал, что любой сведущий математик способен дер­жать плавающую точку в голове.