Первый электронный компьютер с хранимой программой.

Введение

Первый электронный компьютер с сохраненной программой, 1948

The Manchester Baby, также называемый Маломасштабной экспериментальной машиной (SSEM), был первым электронным компьютером с сохраненной программой. Он был построен в Манчестерском университете Фредериком С. Уильямсом, Томом Килберном и Джеффом Тутилом и выполнил свою первую программу 21 июня 1948 года. Baby не предназначался для использования в качестве практического вычислительного устройства, а был разработан как испытательный стенд для трубки Уильямса – первой полноценной памяти с произвольным доступом. Описанный как «маленький и примитивный» спустя 50 лет после создания, он был первой рабочей машиной, содержащей все элементы, необходимые для современного электронного цифрового компьютера. У Baby была 32-битная разрядность и память объемом 32 слова (1 кибит, 1024 бита). Поскольку он был разработан как максимально простой компьютер с сохраненной программой, единственными арифметическими операциями, реализованными аппаратно, были вычитание и отрицание; другие арифметические операции выполнялись программно. Первая из трех программ, написанных для машины, вычислила наибольший собственный делитель числа 218 (262 144), последовательно проверяя каждое целое число, начиная с 218 и уменьшаясь. Выполнение этого алгоритма заняло бы много времени, что должно было продемонстрировать надежность компьютера, поскольку деление осуществлялось путем многократного вычитания делителя. Программа состояла из 17 инструкций и выполнялась около 52 минут, прежде чем был получен правильный ответ – 131 072, после того как Baby выполнил около 3,5 миллиона операций (что соответствует эффективной скорости процессора примерно 1100 инструкций в секунду). Z3 Конрада Цузе был первым в мире рабочим программируемым, полностью автоматическим компьютером с двоичной цифровой арифметической логикой, но ему не хватало условного перехода машины Тьюринга. 12 мая 1941 года Z3 был успешно представлен аудитории ученых Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt («Немецкая лаборатория авиации») в Берлине. Z3 хранил свою программу на внешней ленте, но был электромеханическим, а не электронным устройством. Самыми ранними электронными вычислительными устройствами были компьютер Atanasoff–Berry (ABC), успешно протестированный в 1942 году, и Colossus 1943 года, но ни один из них не был машиной с сохраненной программой. ENIAC (1946) был первым автоматическим компьютером, который был одновременно электронным и общего назначения. Он был Тьюринг-полным, поддерживал условные переходы и мог быть запрограммирован для решения широкого круга задач, но его программа хранилась в виде состояния переключателей в соединительных шнурах, а не в памяти с возможностью машинного изменения, и перепрограммирование могло занимать несколько дней. Исследователи, такие как Тьюринг и Цузе, изучали идею использования памяти компьютера для хранения как программы, так и данных, над которыми она работала, и именно математик Джон фон Нейман написал широко распространенную статью, описывающую эту компьютерную архитектуру, которая до сих пор используется почти во всех компьютерах. Создание компьютера фон Неймана зависело от наличия подходящего устройства памяти для хранения программы. Во время Второй мировой войны исследователи, работавшие над проблемой устранения помех из радиолокационных сигналов, разработали форму памяти задержки линии, первым практическим применением которой стала ртутная линия задержки, разработанная Дж. Преспером Экертом. Радиолокационные передатчики регулярно посылают короткие импульсы радиоэнергии, отражения от которых отображаются на экране ЭЛТ. Поскольку операторов обычно интересуют только движущиеся объекты, желательно было отфильтровать любые отвлекающие отражения от неподвижных объектов. Фильтрация достигалась путем сравнения каждого принятого импульса с предыдущим импульсом и отклонения обоих, если они были идентичны, оставляя сигнал, содержащий только изображения любых движущихся объектов. Для сохранения каждого принятого импульса для последующего сравнения он проходил через линию передачи, задерживая его ровно на время между передаваемыми импульсами. Тьюринг присоединился к Национальной физической лаборатории (NPL) в октябре 1945 года, к тому времени ученые из Министерства снабжения пришли к выводу, что Великобритании нужна Национальная математическая лаборатория для координации машинных вычислений. В NPL был создан математический отдел, и 19 февраля 1946 года Алан Тьюринг представил доклад, в котором изложил свой проект электронного компьютера с сохраненной программой, известного как Automatic Computing Engine (ACE). Это был один из нескольких проектов, запущенных в годы, последовавшие за Второй мировой войной, с целью создания компьютера с сохраненной программой. Примерно в то же время EDVAC разрабатывался в Школе электротехники и машиностроения Университета Пенсильвании, а Математическая лаборатория Кембриджского университета работала над EDSAC. NPL не обладала опытом для создания такой машины, как ACE, поэтому они обратились к Томми Флауэрсу в Исследовательской лаборатории общего почтового ведомства (GPO) в Доллис-Хилл. Флауэрс, разработчик Colossus, первого в мире программируемого электронного компьютера, был занят другими делами и не смог принять участие в проекте, хотя его команда построила несколько ртутных линий задержки для ACE. За помощью также обратились в Исследовательское управление телекоммуникаций (TRE), а также к Морису Уилксу в Математической лаборатории Кембриджского университета. Правительственный департамент, ответственный за NPL, решил, что из всех работ, выполняемых TRE по его поручению, ACE должен быть поставлен в наивысший приоритет. Решение NPL привело к визиту начальника физического отдела TRE 22 ноября 1946 года в сопровождении Фредерика С. Уильямса и А. М. Уттли, также из TRE. Уильямс возглавлял исследовательскую группу TRE, работавшую над запоминающими устройствами на ЭЛТ для радиолокационных приложений, в качестве альтернативы линиям задержки. Уильямс не мог работать над ACE, поскольку он уже принял предложение занять должность профессора в Манчестерском университете, и большинство его технических специалистов переводились в Департамент атомной энергии. TRE согласился направить небольшое количество техников для работы под руководством Уильямса в университете и поддержать другую небольшую группу, работавшую с Уттли в TRE.

The Manchester Baby, also called the Small Scale Experimental Machine (SSEM), was the first electronic stored program computer. It was built at the University of Manchester by Frederic C. Williams, Tom Kilburn, and Geoff Tootill, and ran its first program on 21 June 1948. The Baby was not intended to be a practical computing engine, but was instead designed as a testbed for the Williams tube, the first truly random access memory. Described as "small and primitive" 50 years after its creation, it was the first working machine to contain all the elements essential to a modern electronic digital computer. The Baby had a 32 bit word length and a memory of 32 words (1 kibibit, 1,024 bits). As it was designed to be the simplest possible stored program computer, the only arithmetic operations implemented in hardware were subtraction and negation; other arithmetic operations were implemented in software. The first of three programs written for the machine calculated the highest proper divisor of 218 (262,144), by testing every integer from 218 downwards. This algorithm would take a long time to execute—and so prove the computer's reliability, as division was implemented by repeated subtraction of the divisor. The program consisted of 17 instructions and ran for about 52 minutes before reaching the correct answer of 131,072, after the Baby had performed about 3.5 million operations (for an effective CPU speed of about 1100 instructions per second). Konrad Zuse's Z3 was the world's first working programmable, fully automatic computer, with binary digital arithmetic logic, but it lacked the conditional branching of a Turing machine. On 12 May 1941, the Z3 was successfully presented to an audience of scientists of the Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt ("German Laboratory for Aviation") in Berlin. The Z3 stored its program on an external tape, but it was electromechanical rather than electronic. The earliest electronic computing devices were the Atanasoff–Berry computer (ABC), which was successfully tested in 1942, and the Colossus of 1943, but neither were stored program machines. The ENIAC (1946) was the first automatic computer that was both electronic and general purpose. It was Turing complete, with conditional branching, and programmable to solve a wide range of problems, but its program was held in the state of switches in patch cords, rather than machine changeable memory, and it could take several days to reprogram. Researchers such as Turing and Zuse investigated the idea of using the computer's memory to hold the program as well as the data it was working on, and it was mathematician John von Neumann who wrote a widely distributed paper describing that computer architecture, still used in almost all computers. The construction of a von Neumann computer depended on the availability of a suitable memory device on which to store the program. During the Second World War researchers working on the problem of removing the clutter from radar signals had developed a form of delay line memory, the first practical application of which was the mercury delay line, developed by J. Presper Eckert. Radar transmitters send out regular brief pulses of radio energy, the reflections from which are displayed on a CRT screen. As operators are usually interested only in moving targets, it was desirable to filter out any distracting reflections from stationary objects. The filtering was achieved by comparing each received pulse with the previous pulse, and rejecting both if they were identical, leaving a signal containing only the images of any moving objects. To store each received pulse for later comparison it was passed through a transmission line, delaying it by exactly the time between transmitted pulses. Turing joined the National Physical Laboratory (NPL) in October 1945, by which time scientists within the Ministry of Supply had concluded that Britain needed a National Mathematical Laboratory to co ordinate machine aided computation. A Mathematics Division was set up at the NPL, and on 19 February 1946 Alan Turing presented a paper outlining his design for an electronic stored program computer to be known as the Automatic Computing Engine (ACE). This was one of several projects set up in the years following the Second World War with the aim of constructing a stored program computer. At about the same time, EDVAC was under development at the University of Pennsylvania's Moore School of Electrical Engineering, and the University of Cambridge Mathematical Laboratory was working on EDSAC. The NPL did not have the expertise to build a machine like ACE, so they contacted Tommy Flowers at the General Post Office's (GPO) Dollis Hill Research Laboratory. Flowers, the designer of Colossus, the world's first programmable electronic computer, was committed elsewhere and was unable to take part in the project, although his team did build some mercury delay lines for ACE. The Telecommunications Research Establishment (TRE) was also approached for assistance, as was Maurice Wilkes at the University of Cambridge Mathematical Laboratory. The government department responsible for the NPL decided that, of all the work being carried out by the TRE on its behalf, ACE was to be given the top priority. NPL's decision led to a visit by the superintendent of the TRE's Physics Division on 22 November 1946, accompanied by Frederic C. Williams and A. M. Uttley, also from the TRE. Williams led a TRE development group working on CRT stores for radar applications, as an alternative to delay lines. Williams was not available to work on the ACE because he had already accepted a professorship at the University of Manchester, and most of his circuit technicians were in the process of being transferred to the Department of Atomic Energy. The TRE agreed to second a small number of technicians to work under Williams' direction at the university, and to support another small group working with Uttley at the TRE.

Трубка Уильямс-Килберн

Хотя некоторые ранние компьютеры, такие как EDSAC, вдохновленные конструкцией EDVAC, впоследствии успешно использовали ртутные линии задержки, эта технология имела ряд недостатков: она была тяжелой, дорогой и не обеспечивала произвольный доступ к данным. Кроме того, поскольку данные хранились в виде последовательности акустических волн, распространяющихся в ртутном столбе, температуру устройства необходимо было очень тщательно контролировать, так как скорость звука в среде меняется в зависимости от температуры. Уильямс стал свидетелем эксперимента в Bell Labs, демонстрировавшего эффективность электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) как альтернативы линиям задержки для подавления наземных отражений от радиолокационных сигналов. Работая в TRE, незадолго до перехода в Манчестерский университет в декабре 1946 года, он и Том Килберн разработали форму электронной памяти, известную как трубка Уильямса или трубка Уильямса — Килберна, основанную на стандартной ЭЛТ: первое электронное устройство цифрового хранения с произвольным доступом. Компьютер Baby был разработан, чтобы продемонстрировать практичность этого устройства хранения, показав, что данные, хранящиеся в нем, могут быть надежно прочитаны и записаны со скоростью, подходящей для использования в компьютере. Для использования в двоичном цифровом компьютере трубка должна была хранить одно из двух состояний в каждой ячейке памяти, соответствующее двоичным цифрам (битам) 0 и 1. В основе работы лежала положительная или отрицательная электрическая заряженность, возникающая при отображении на экране ЭЛТ тире или точки, явление, известное как вторичная эмиссия. Тире создавало положительный заряд, а точка — отрицательный, каждый из которых мог быть зафиксирован детектирующей пластиной перед экраном; отрицательный заряд представлял 0, а положительный — 1. Заряд рассеивался примерно за 0,2 секунды, но мог автоматически восстанавливаться на основе данных, полученных детектором. Трубка Уильямса, использованная в Baby, была основана на CV1131, коммерчески доступной ЭЛТ определенного диаметра, а в Mark I использовалась трубка меньшего размера — CV1097.

Although some early computers such as EDSAC, inspired by the design of EDVAC, later made successful use of mercury delay line memory, the technology had several drawbacks: it was heavy, it was expensive, and it did not allow data to be accessed randomly. In addition, because data was stored as a sequence of acoustic waves propagated through a mercury column, the device's temperature had to be very carefully controlled, as the velocity of sound through a medium varies with its temperature. Williams had seen an experiment at Bell Labs demonstrating the effectiveness of cathode ray tubes (CRT) as an alternative to the delay line for removing ground echoes from radar signals. While working at the TRE, shortly before he joined the University of Manchester in December 1946, he and Tom Kilburn had developed a form of electronic memory known as the Williams tube or Williams–Kilburn tube, based on a standard CRT: the first electronic random access digital storage device. The Baby was designed to show that it was a practical storage device by demonstrating that data held within it could be read and written reliably at a speed suitable for use in a computer. For use in a binary digital computer, the tube had to be capable of storing either one of two states at each of its memory locations, corresponding to the binary digits (bits) 0 and 1. It exploited the positive or negative electric charge generated by displaying either a dash or a dot at any position on the CRT screen, a phenomenon known as secondary emission. A dash generated a positive charge, and a dot a negative charge, either of which could be picked up by a detector plate in front of the screen; a negative charge represented 0, and a positive charge 1. The charge dissipated in about 0.2 seconds, but it could be automatically refreshed from the data picked up by the detector. The Williams tube used in Baby was based on the CV1131, a commercially available diameter CRT, but a smaller tube, the CV1097, was used in the Mark I.

Начало проекта

После разработки компьютера Colossus для дешифровки кодов в Блетчли-парке во время Второй мировой войны, Макс Ньюман посвятил себя созданию компьютера, объединяющего математические концепции Алана Тьюринга и концепцию хранимой программы, описанную Джоном фон Нейманом. В 1945 году он был назначен на должность профессора кафедры Фильдена по чистой математике в Манчестерском университете; он перевез в Манчестер своих коллег по проекту Colossus, Джека Гуда и Дэвида Риса, и там они пригласили Ф. С. Уильямса в качестве разработчика схем для нового компьютерного проекта, для которого ему удалось получить финансирование от Королевского общества. "Обеспечив поддержку университета, получив финансирование от Королевского общества и собрав первоклассную команду математиков и инженеров, Ньюман теперь располагал всеми необходимыми компонентами для реализации своего плана по созданию компьютера. Применив подход, который он так успешно использовал в Блетчли-парке, Ньюман поручил своим сотрудникам детальную работу, а сам сосредоточился на координации проекта." Гуд не предусмотрел инструкцию "остановки", а его предложенная инструкция условного перехода была сложнее, чем та, что была реализована в компьютере "Baby".

Разработка и проектирование

Хотя Ньюман не принимал непосредственного участия в разработке Baby или каких-либо последующих компьютеров Манчестера, он всецело поддерживал проект и с энтузиазмом отнесся к нему, организовав приобретение излишков военных материалов для строительства, включая металлические стойки GPO и "материал двух полных Colossi" из Блетчли. К июню 1948 года Baby был построен и функционировал. Его длина составляла 5 метров, высота – 2 метра, а вес – почти 700 фунтов. Машина содержала 550 вакуумных ламп – 300 диодов и 250 пентод – и потребляла 3500 ватт мощности. Арифметическое устройство было построено на основе пентодных ламп EF50, которые широко использовались во время войны. Baby использовал одну трубку Уильямса для обеспечения памяти объемом 32 x 32 бита (RAM), вторую – для хранения 32-битного аккумулятора, в котором можно было временно сохранять промежуточные результаты вычислений, и третью – для хранения текущей инструкции программы вместе с ее адресом в памяти. Четвертая ЭЛТ, лишенная схемы хранения данных, как у остальных трех, использовалась в качестве устройства вывода, способного отображать битовую структуру любой выбранной трубки памяти. Каждое 32-битное слово оперативной памяти могло содержать либо инструкцию программы, либо данные. В инструкции программы биты 0–12 представляли адрес памяти операнда, а биты 13–15 определяли операцию, которую необходимо выполнить, например, сохранение числа в памяти; остальные 16 бит оставались неиспользованными. Однооперандная архитектура Baby означала, что второй операнд любой операции был подразумеваемым: аккумулятор или счетчик программы (адрес инструкции); инструкции программы указывали только адрес данных в памяти. Чтение, запись или обновление слова в памяти компьютера занимало 360 микросекунд. Выполнение инструкции занимало в четыре раза больше времени, чем доступ к слову из памяти, что обеспечивало скорость выполнения инструкций около 700 в секунду. Основная память постоянно обновлялась, процесс, занимавший 20 миллисекунд, поскольку каждое из 32 слов Baby необходимо было прочитать и затем последовательно обновить. Baby представлял отрицательные числа, используя дополнительный код, как это делают большинство современных компьютеров. В этом представлении значение старшего бита определяет знак числа: положительные числа имеют в этой позиции ноль, а отрицательные – единицу. Таким образом, диапазон чисел, которые можно было хранить в каждом 32-битном слове, составлял от -231 до +231 – 1 (в десятичной системе: от -2,147,483,648 до +2,147,483,647).

Although Newman played no engineering role in the development of the Baby, or any of the subsequent Manchester computers, he was generally supportive and enthusiastic about the project, and arranged for the acquisition of war surplus supplies for its construction, including GPO metal racks and " the material of two complete Colossi" from Bletchley. By June 1948 the Baby had been built and was working. It was 17 feet (5 m) in length, 7 feet (2 m) tall, and weighed almost The machine contained 550 valves (vacuum tubes)—300 diodes and 250 pentodes—and had a power consumption of 3500 watts. The arithmetic unit was built using EF50 pentode valves, which had been widely used during wartime. The Baby used one Williams tube to provide 32 by 32 bit words of random access memory (RAM), a second to hold a 32 bit accumulator in which the intermediate results of a calculation could be stored temporarily, and a third to hold the current program instruction along with its address in memory. A fourth CRT, without the storage electronics of the other three, was used as the output device, able to display the bit pattern of any selected storage tube. Each 32 bit word of RAM could contain either a program instruction or data. In a program instruction, bits 0–12 represented the memory address of the operand to be used, and bits 13–15 specified the operation to be executed, such as storing a number in memory; the remaining 16 bits were unused. The Baby's 0 operand instruction set|single operand architecture meant that the second operand of any operation was implicit: the accumulator or the program counter (instruction address); program instructions specified only the address of the data in memory. A word in the computer's memory could be read, written, or refreshed, in 360 microseconds. An instruction took four times as long to execute as accessing a word from memory, giving an instruction execution rate of about 700 per second. The main store was refreshed continuously, a process that took 20 milliseconds to complete, as each of the Baby's 32 words had to be read and then refreshed in sequence. The Baby represented negative numbers using two's complement, as most computers still do. In that representation, the value of the most significant bit denotes the sign of a number; positive numbers have a zero in that position and negative numbers a one. Thus, the range of numbers that could be held in each 32 bit word was −231 to +231 − 1 (decimal: −2,147,483,648 to +2,147,483,647).

Первые программы

Для компьютера были написаны три программы. Первая, состоящая из 17 инструкций, была написана Килберном и, насколько известно, впервые запущена 21 июня 1948 года. Она была разработана для нахождения наибольшего собственного делителя числа 218 (262 144) путем последовательной проверки всех целых чисел, начиная с 218 − 1 и уменьшаясь. Деление выполнялось путем многократного вычитания делителя. Компьютеру "Baby" потребовалось 3,5 миллиона операций и 52 минуты для получения ответа (131 072). Программа использовала восемь слов оперативной памяти, помимо 17 слов, занимаемых инструкциями, что в сумме составляло 25 слов. Джефф Тутилл написал модифицированную версию программы в следующем месяце, а в середине июля Алан Тьюринг, который в сентябре 1948 года был назначен лектором в математическом отделе Манчестерского университета, представил третью программу для выполнения длинного деления. К тому времени Тьюринг был назначен на номинальную должность заместителя директора Лаборатории вычислительной техники университета, хотя физическое воплощение лаборатории произошло только в 1951 году.

Позднее развитие

Уильямс и Килберн доложили о "Малыше" в письме, опубликованном в журнале Nature в сентябре 1948 года. Успешная демонстрация машины быстро привела к созданию более практичного компьютера Manchester Mark 1, работы над которым начались в августе 1948 года. Первая версия была введена в эксплуатацию к апрелю 1949 года, и она, в свою очередь, напрямую способствовала разработке Ferranti Mark 1 – первого в мире коммерчески доступного компьютера общего назначения. В 2008 году оригинальная панорамная фотография всей машины была обнаружена в Университете Манчестера. Фотография, сделанная 15 декабря 1948 года студентом-исследователем Алеком Робинсоном, была опубликована в The Illustrated London News в июне 1949 года.