Магниттік барабанды алғашқы компьютерлер: ZEBRA мысалы

Кіріспе

Барабанды жадыны пайдаланатын алғашқы компьютер ZEBRA (Zeer Eenvoudige Binaire Reken Automaat – «өте қарапайым екілік автоматты есептеу машинасы» деп аударылады) – Нидерландыда жасалған алғашқы компьютерлердің бірі («ARRA» ең алғашқысы болса) және коммерциялық түрде қолжетімді голланд компьютерлерінің бірі. Оны Нидерланд пошта, телеграф және телефон басқармасының қызметкері Виллем ван дер Поэль жобалаған, ал алғаш рет 1958 жылы тапсырылған. Өндіріс көлемі британдық Standard Telephones and Cables, Ltd компаниясы өндірген және сатқан елу бес машинадан тұрды. ZEBRA – екілік, екі адрес машинасы, сөз ұзындығы 33 бит. Жады ретінде 32 командадан тұратын 256 жолға бөлінген 8К сөзді сақтайтын магниттік барабанды жад қолданылды; аккумуляторлар Bendix G 15 компьютерінде қолданылған сияқты, айналмалы барабан жолдары түрінде іске асырылды. Перифериялық құрылғыларға қағаз лента оқу құрылғысы және перфоратор, сондай-ақ телепринтер кірді. 1967 жылы Ұлыбритания университеттері мен техникалық колледждерінде алты Zebra компьютері пайдаланылды.

Бағдарламалау

ZEBRA-ның коды мен операциялық жүйелерінің көп бөлігін саңырау-соқыр математик Геррит ван дер Мей жазған. Көптеген процессорлардан өзгеше, ZEBRA-да нұсқаулардың түрлері болған жоқ. Оның орнына, нұсқаудың орындалуы операциялық өрістің он бес битімен басқарылды. Сондай-ақ, оның дәстүрлі мағынадағы бағдарламалық тізімі болмады. ZEBRA нұсқау сөзі 33 биттен тұрады, оның ішінде 13 биттік барабан мекенжайы (жад барабанындағы 32 жазбасы бар 256 іздің бірін анықтайды), 5 биттік регистр (немесе кіріс/шығыс) мекенжайы және 15 биттік операциялық өріс бар. Операциялық өрістің әр биті ерекше мағынаға ие болды және кез келген комбинацияда қолданылуы мүмкін, бұл бүгінде микробағдарламалау саласы деп есептелетін көптеген тапқыр тәсілдерге әкелді. Операциялық биттер қолданылатын деректердің таңбасын, аккумулятор тазартылса (қосуды жүктеуге айналдыру), айналым қолданылса және т.б. сияқты нәрселерді анықтады. Сонымен қатар, келесі нұсқау регистрден, жадтан немесе екеуінің қосындысынан алынатынын анықтайтын операциялық биттер де болды. Кейбір биттер нұсқауды аккумулятордың күйіне байланысты етті, мысалы, Zuse Z22 немесе Electrologica X1 сияқты. Көбейту, бөлу, квадрат түбір және барлық қалқыма нүктелік операциялар негізгі тізбектік компьютерлік ALU-дың примитивтерін (қосу, алу, оңға жылдыру, солға жылдыру және арттыру) пайдаланып, қосалқы бағдарламалар арқылы орындалды. Ұтымды дизайнның арқасында көбейтуге бір бит үшін бір нұсқау, ал бөлуге бір бит үшін екі нұсқау қажет болды, сондықтан көбейту мен бөлу салыстырмалы түрде жылдам және аппараттық құралдардың аз мөлшерін қажет етті. Бағдарламалауға көмектесетін құралдарға Нормальдық код (ассемблер), іздеу құралы, қалқыма нүктелік интерпретатор, қарапайым код, матрицалық интерпретатор және Algol компиляторы кірді. Магниттік барабан тікелей қол жеткізуді қолдамайтындықтан, нұсқау немесе дерек күту үшін белгілі бір уақыт кетіп, нашар жазылған бағдарламада күту уақыты барабанның айналу уақытының жартысына жете алады, бірақ оны қысқартудың жолдары болды. ZEBRA-ның ерекшелігі – машинаның күту емес жағдайларда өткізген уақытын өлшейтін «тиімділік өлшегіші» деп аталатын құрал. Қалқыма нүктелік интерпретаторды іске қосқанда тиімділік өлшегіші шамамен 50% көрсетсе, алдағы клиенттер келгенде демонстрациялық мақсаттар үшін тиімдірек бағдарлама жүктелуі мүмкін.

Large parts of the code and operating systems for ZEBRA were written by deafblind mathematician Gerrit van der Mey. In contrast to most processors, the ZEBRA didn't have different types of instructions. Instead, the operation of an instruction was controlled by fifteen bits in the operation field. Also, it didn't have a program counter in the traditional sense. The ZEBRA instruction word is 33 bits, consisting of a 13 bit drum address, referencing one of the 256 tracks of 32 entries on the memory drum, a five bit register (or I/O) address, and the 15 bit operation field. Each bit of the operation field had a distinct meaning and could be used in nearly any combination, leading to many elegant tricks that today might be considered the domain of microprogramming. The operation bits determined things as the sign of the data to be used; if the accumulator was cleared (changing an addition into a load), if a rotation was to be applied, and so on. Also, there was an operation bits that determined if the next instruction would come from register or memory, or the sum of both. Some bits made an instruction conditional on the accumulator state, as with the Zuse Z22 or Electrologica X1. Multiplication, division, square root, as well as all floating point operations, were performed by subroutines, using the underlying serial computer ALU primitives add, subtract, shift right, shift left, and increment. Thanks to a clever design, the multiplication routine needed only one instruction per bit, and the division routine two instructions per bit, so that multiplication and division were relatively fast, with a minimum of hardware. Programming aids included the Normal Code (assembler), trace utility, a floating point interpretive system, the Simple Code, the Matrix Interpretive Scheme, and an Algol compiler. Since a magnetic drum does not support random access, some time is lost waiting for an instruction or piece of data become available. In a poorly written program, the average wait time could be half the drum rotation time, but there were ways to reduce this. A notable feature of the ZEBRA was a meter that measured how much of the machine's time was spent in non wait states; this was called the "efficiency meter." When running the floating point interpretive system, the efficiency meter tended to show around 50%, but if prospective customers were visiting, a more efficient program could be loaded for demonstration purposes.