DEUCE: Один из первых британских компьютеров

Введение

DEUCE (Digital Electronic Universal Computing Engine) был одним из первых британских компьютеров, поступивших в коммерческую продажу, разработанным компанией English Electric с 1955 года. Он являлся серийной версией Pilot ACE, который, в свою очередь, был упрощенной версией ACE, созданного Аланом Тьюрингом.

Описание оборудования

DEUCE имел 1450 термоионных клапанов и использовал ртутные линии задержки для основной памяти; каждая из 12 линий задержки могла хранить 32 инструкции или слова данных по 32 бита. Он использовал тактовую частоту 1 МГц, которая была высокой для того времени и соответствовала частоте Pilot ACE. Ввод/вывод осуществлялся через оборудование для перфокарт Hollerith с 80 столбцами. Устройство чтения карт обрабатывало 200 карт в минуту, а перфоратор – 100 карт в минуту. DEUCE также был оснащен магнитным барабаном емкостью 8192 слова для основной памяти. Для доступа к любому из 256 треков по 32 слова каждый, барабан имел одну группу из 16 считывающих и одну группу из 16 записывающих головок, каждая группа установлена на независимом подвижном рычаге, способном перемещаться в одну из 16 позиций. Время доступа составляло 15 миллисекунд, если головки уже находились в нужной позиции; дополнительные 35 миллисекунд требовалось для перемещения головок. При чтении и записи с барабана не возникало задержки, связанной с его вращением. Данные передавались между барабаном и одной из 32 линий задержки. DEUCE мог быть оснащен оборудованием для работы с бумажной лентой; скорость чтения составляла 850 символов в секунду, а скорость вывода на бумажную ленту – 25 символов в секунду. (В 1964 году к DEUCE в Университете Нового Южного Уэльса (UTECOM) был подключен телепринтер Siemens M100, обеспечивающий скорость ввода/вывода 10 символов в секунду). Также можно было подключить магнитные ленточные накопители Decca. Автоматический умножитель и делитель работали асинхронно (то есть, другие инструкции могли выполняться во время работы умножителя/делителя). Для целочисленных операций были предусмотрены два арифметических устройства: одно 32-битное и другое, способное выполнять 32- и 64-битные операции. Автоматическое увеличение и уменьшение счетчика были реализованы для восьми регистров примерно с 1957 года. Поддерживались арифметические операции с массивами и передача данных массивов. По сравнению с современниками, такими как Manchester Mark 1, DEUCE был примерно в десять раз быстрее. Отдельные слова четырехкратных регистров были связаны с функцией автоматического увеличения/уменьшения. Эту функцию можно было использовать для подсчета и модификации инструкций (для индексации, управления циклами и изменения адреса источника или адреса назначения инструкции). Поскольку это была последовательная машина, время доступа к одному регистру составляло 32 микросекунды, к двойному регистру – 64 микросекунды, а к четырехкратному регистру – 128 микросекунд. Для линии задержки это время составляло 1024 микросекунды. Время выполнения инструкций: сложение, вычитание, логические операции – 64 микросекунды для 32-битных слов; двойная точность – 96 микросекунд; умножение и деление – 2 миллисекунды. Для арифметических операций с массивами и передачи данных время на слово составляло 33 микросекунды для 32 слов. Операции с плавающей точкой выполнялись программно; время: 6 миллисекунд для сложения и вычитания, в среднем 5,5 миллисекунд для умножения и 4,5 миллисекунд для деления. В ранних моделях все инструкции, связанные с магнитным барабаном, были заблокированы во время выполнения операции. Таким образом, если считывающие головки перемещались, любая последующая операция с магнитным барабаном, такая как чтение или запись трека, блокировалась до завершения первой операции. Примерно с 1957 года был представлен новый модуль, названный "рационализированной магнитной системой". Этот модуль устранил ненужные блокировки. Таким образом, можно было выполнить инструкцию, перемещающую считывающие головки, а затем инструкцию для перемещения записывающих головок или записи трека, при этом эти инструкции не блокировались и могли выполняться параллельно с перемещением считывающих головок. На передней панели DEUCE располагались два дисплея на ЭЛТ: один отображал текущее содержимое регистров, а другой – содержимое любой из ртутных линий задержки. Примерно с 1958 года можно было подключить семь дополнительных линий задержки, что увеличивало объем высокоскоростной памяти на 224 слова. Комбинированное устройство чтения/перфоратора IBM 528 могло заменить оборудование Hollerith, обеспечивая ту же скорость ввода/вывода, в этом случае машина называлась Mark II. Автоматическое преобразование буквенно-цифровых данных в двоично-десятичный код (BCD) осуществлялось при вводе, а обратное преобразование – при выводе для всех восьмидесяти столбцов карт. На этом оборудовании чтение и перфорация могли выполняться одновременно, если это необходимо, что позволяло считывать запись, обновлять ее и одновременно перфорировать обновленную запись при считывании следующей записи. С семью дополнительными линиями задержки DEUCE обозначался как Mark IIA.

The DEUCE had 1450 thermionic valves, and used mercury delay lines for its main memory; each of the 12 delay lines could store 32 instructions or data words of 32 bits each. It adopted the then high 1 megahertz clock rate of the Pilot ACE. Input/output was via Hollerith 80 column punch card equipment. The reader read cards at the rate of 200 per minute, while the card punch rate was 100 cards per minute. The DEUCE also had an 8192 word magnetic drum for main storage. To access any of the 256 tracks of 32 words, the drum had one group of 16 read and one group of 16 write heads, each group on independent moveable arms, each capable of moving to one of 16 positions. Access time was 15 milliseconds if the heads were already in position; an additional 35 milliseconds was required if the heads had to be moved. There was no rotational delay incurred when reading from and writing to drum. Data was transferred between the drum and one of the 32 word delay lines. The DEUCE could be fitted with paper tape equipment; the reader speed was 850 characters per second, while the paper tape output speed was 25 characters per second. (The DEUCE at the University of New South Wales {UTECOM} had a Siemens M100 teleprinter attached in 1964, giving 10 characters per second input/output). Decca magnetic tape units could also be attached. The automatic multiplier and divider operated asynchronously (that is, other instructions could be executed while the multiplier/divider unit was in operation). Two arithmetic units were provided for integer operations: one of 32 bits and another capable of performing 32 bit operations and 64 bit operations. Auto increment and auto decrement were provided on eight registers from about 1957. Array arithmetic and array data transfers were permitted. Compared with contemporaries such as the Manchester Mark 1, DEUCE was about ten times faster. The individual words of the quadruple registers were associated with an auto increment/decrement facility. That facility could be used for counting and for modifying instructions (for indexing, loop control, and for changing the source or destination address of an instruction). Being a serial machine, access time to a single register was 32 microseconds, a double register 64 microseconds, and a quadruple register 128 microseconds. That for a delay line was 1024 microseconds. Instruction times were: addition, subtraction, logical operations: 64 microseconds for 32 bit words; double precision 96 microseconds; multiplication and division 2 milliseconds. For array arithmetic and transfer operations, time per word was 33 microseconds per word for 32 words. Floating point operations were provided by software; times: 6 milliseconds for addition and subtraction, 5.5 milliseconds average for multiplication, and 4.5 milliseconds average for division. In the early machines, all instructions involving the magnetic drum were interlocked while an operation was in progress. Thus, if the read heads were moved, any subsequent magnetics operation such as to read a track or write a track, were prohibited from proceeding until the first had completed. From about 1957, a new unit, called "rationalised magnetics" was made available. This unit eliminated unnecessary interlocks. Thus, it was possible to execute an instruction that moved the read heads: if followed by an instruction to move the write heads, or to write a track, such instructions were not interlocked, and could proceed in parallel with moving the read heads. The front panel of the DEUCE featured two CRT displays: one showed the current contents of registers, while the other showed the content of any one of the mercury delay line stores. From about 1958, seven extra delay lines could be attached, giving 224 more words of high speed store. An IBM 528 combined reader–punch could be substituted for the Hollerith equipment, giving the same input/output speeds, in which case the machine was called Mark II. Automatic conversion of alphanumeric data to BCD was provided on input, and the reverse operation on output, for all eighty card columns. On this equipment, reading and punching could proceed simultaneously, if required, and thus could be used for reading in a record, updating it, and then punching an updated record simultaneously with reading in the next record. With the seven extra delay lines, the DEUCE was denoted Mark IIA.

Программирование

Программирование DEUCE отличалось от программирования других компьютеров. Последовательный характер линий задержки требовал, чтобы инструкции располагались в таком порядке, чтобы после завершения выполнения одной инструкции следующая была готова к извлечению из линии задержки. Для операций с одиночными регистрами минимальное время, необходимое для выполнения следующей инструкции, составляло 64 микросекунды после завершения текущей. Таким образом, инструкции не выполнялись последовательно из памяти. В общем случае, инструкции могли передавать одно или несколько слов. Соответственно, каждая инструкция указывала адрес следующей инструкции. Оптимальное программирование подразумевало, что по мере выполнения каждой инструкции следующая только что извлекалась из линии задержки. Расположение инструкций в памяти могло существенно влиять на производительность, если адрес инструкции был неоптимальным. Чтение данных с карт осуществлялось в реальном времени – каждую строку необходимо было считывать по мере ее прохождения под головкой чтения, без остановки. Аналогично и с перфоратором карт: слово для конкретной строки подготавливалось заранее и должно было быть готово, когда данная строка карты оказывалась под перфорационными иглами. Нормальным режимом чтения и перфорации был двоичный. Ввод и вывод десятичных данных осуществлялся программным путем. Высокоскоростная память состояла из четырех однословных регистров по 32 бита каждый, трех двухсловных регистров и двух четырехсловных регистров. Каждое 32-битное слово двухсловных и четырехсловных регистров могло адресоваться отдельно. К ним также можно было обращаться как к паре, а в случае четырехсловных регистров – как к группе из трех или четырех слов. Память инструкций состояла из двенадцати ртутных линий задержки, каждая из которых содержала 32 слова и была пронумерована от 1 до 12. Линия задержки 11 (DL11) служила буфером между магнитным барабаном и высокоскоростной памятью. Поскольку DEUCE являлась "передающей машиной", данные можно было передавать по одному слову, по паре слов и любым количеством слов, но не более 33 за один раз. Например, 32 слова, прочитанные с барабана, могли быть переданы как блок в любую другую линию задержки; 4 слова могли быть переданы как блок из одного четырехсловного регистра в другой или между четырехсловным регистром и линией задержки – все это с помощью одной инструкции. 32 слова в линии задержки можно было суммировать, передавая их в одноразрядный сумматор (с помощью одной инструкции). Благодаря специальной связи между DL10 и регистром 16, DL10 можно было использовать в качестве стека.

Programming the DEUCE was different from other computers. The serial nature of the delay lines required that instructions be ordered such that when one instruction completed execution, the next one was ready to emerge from a Delay Line. For operations on the single registers, the earliest time that the next instruction could be obeyed was 64 microseconds after the present one. Thus, instructions were not executed from sequential locations. In general, instructions could transfer one or more words. Consequently, each instruction specified the location of the next instruction. Optimum programming meant that as each instruction was executed, the next one was just emerging from a Delay Line. The position of instructions in the store could greatly affect performance if the location of an instruction was not optimum. Reading data from the card reader was done in real time – each row had to be read as it passed the read brushes, without stopping. Similarly for the card punch; the word for a particular row was prepared in advance and had to be ready when a given row of the card was in position under the punch knives. The normal mode of reading and punching was binary. Decimal input and output was performed via software. The high speed store consisted of four single word registers of 32 bits each, three double word registers, and two quadruple word registers. Each 32 bit word of the double and quadruple word registers could be addressed separately. They could also be accessed as a pair, and—in the case of the quadruple registers—as a group of three or four. The instruction store consisted of twelve mercury delay lines, each of 32 words, and numbered 1 to 12. Delay line 11 (DL11) served as the buffer between the magnetic drum and the high speed store. Being a "transfer machine", data could be transferred a word at a time, a pair of words at a time, and any number of words up to 33 at a time. Thus, for example, 32 words read from the drum could be transferred as a block to any of the other delay lines; 4 words could be transferred as a block from one quadruple register to the other, or between a quadruple register and a delay line—all with one instruction. The 32 words of a delay line could be summed by passing them to the single length adder (by means of a single instruction). By a special link between DL10 and one register, namely, register 16, DL10 could be used as a push down stack.

Производство

Первые три машины были поставлены весной 1955 года; в конце 1958 года появилась улучшенная модель DEUCE Mark II. Эта версия использовала комбинированный считыватель карт и перфоратор. Комбинированный считыватель карт и перфоратор IBM 528 функционировал аналогично разделенным устройствам Hollerith на более ранних машинах DEUCE Mark I; однако, он также был оснащен аппаратным преобразованием алфавитно-цифровых данных в двоично-десятичный код (BCD) при вводе и обратно при выводе. Данные можно было одновременно считывать и перфорировать со скоростью 100 карт в минуту. DEUCE Mark IIA предоставлял семь дополнительных ртутных линий задержки, каждая из которых содержала 32 слова. Всего с 1955 по 1964 год было продано 33 машины DEUCE, две из которых приобрел производитель двигателей Bristol Siddeley. Успех DEUCE был обусловлен его библиотекой программ, насчитывающей более 1000 программ и подпрограмм.