АПЭКС: Ранний британский электронный компьютер 1950-х годов.

Введение

Компьютерная серия APE(X)C, или All Purpose Electronic (X) Computer, была разработана Эндрю Дональдом Бутом в Birkbeck College, Лондон в начале 1950-х годов. Его работа над серией APE(X)C финансировалась Британской ассоциацией исследований искусственного волокна. Хотя принятая номенклатура несколько неясна, по-видимому, первая модель принадлежала BRRA. По словам Бута, буква X обозначала название компании. Один из компьютеров серии также был известен как APE(X)C или All Purpose Electronic X-Ray Computer и находился в Birkbeck College.

Предыстория

С 1943 года Бут начал работу над определением кристаллических структур на основе данных рентгеновской дифракции. Вычисления были крайне трудоемкими, что создавало веские основания для автоматизации процесса, и он разработал аналоговый компьютер для расчета обратных интервалов дифракционной картины. В 1947 году вместе со своей коллегой и будущей женой Кэтлин Бриттен он провел несколько месяцев в группе фон Неймана, которая в то время являлась лидером в области компьютерных исследований.

Техническое описание

Эмулятор для серии APEXC был разработан MESS. Они описывают его функционирование следующим образом:

APEXC – невероятно простая машина. Инструкции и слова данных всегда имеют длину 32 бита. Процессор использует целочисленную арифметику с представлением в дополнительном коде. Адреса имеют длину 10 бит. В APEXC отсутствует оперативная память, за исключением 32-битного аккумулятора и 32-битного регистра данных (используемого совместно с 32-битным аккумулятором для реализации 64-битных инструкций сдвига и хранения 64-битного результата умножения). Инструкции и данные хранятся в двух магнитных барабанах, в общей сложности 32 круговых магнитных дорожек по 32 слова в каждой. Поскольку скорость вращения составляет 3750 об/мин (62,5 оборота в секунду), скорость выполнения программы может варьироваться от теоретического максимума в 1 кИПС до менее 100 ИПС, если инструкции и данные программы не располагаются последовательно в памяти. Сегодня многие считают, что карманный калькулятор работает быстрее. Одной из особенностей является отсутствие счетчика команд: каждая машинная инструкция содержит адрес следующей инструкции. Эта конструкция может показаться странной, но это единственный способ добиться оптимальной производительности с этой памятью цилиндрического типа. Машинный код состоит всего из 15 инструкций, а именно: сложение, вычитание, умножение, загрузка (3 варианта), сохранение (2 варианта), условный переход, арифметический сдвиг вправо, циклический сдвиг вправо, ввод с перфокарты, вывод на перфокарту, остановка машины и переключение банков (которое никогда не используется в APEXC, поскольку объем памяти составляет всего 1024 слова, а адреса имеют длину 10 бит). Так называемый векторный режим позволяет повторить одну и ту же операцию 32 раза над 32 последовательными ячейками памяти. Обратите внимание на отсутствие побитовых операций И, ИЛИ, исключающее ИЛИ и деления. Также отсутствует непрямая адресация: динамическое изменение кодов операций – единственный способ ее эмулировать. Еще одна особенность заключается в том, что шина памяти и АЛУ имеют ширину 1 бит. Существуют тактовые импульсы 64 кГц для битов и 2 кГц для слов, и каждая операция памяти и арифметики над словом разбивается на 32 однобитовые операции памяти и арифметики: это занимает 32 битовых цикла, в общей сложности 1 цикл слова. Процессор достаточно эффективен: большинство инструкций выполняются всего за 2 цикла слова (1 для выборки, 1 для чтения операнда и выполнения), за исключением операций сохранения, сдвига и умножения. Процессор APEXC вполне можно отнести к RISC; другого подходящего термина нет. Отсутствует постоянная память (ROM), а следовательно, отсутствует загрузчик и программа начальной загрузки. Считается, что для APEXC никогда не была написана исполнительная или операционная система, хотя существовали библиотеки подпрограмм для общих арифметических, операций ввода/вывода и отладки. Работа с машиной обычно осуществляется через панель управления, которая позволяет пользователю запускать, останавливать и возобновлять работу центрального процессора, а также изменять содержимое регистров и памяти при остановленном процессоре. При запуске машины в панель управления необходимо ввести адрес первой инструкции выполняемой программы, а затем нажать кнопку запуска. Большинство программ завершаются инструкцией остановки, которая позволяет оператору проверить состояние машины, возможно, выполнить некоторые процедуры отладки после аварийного завершения (рутина сброса содержимого памяти описана в книге по программированию APEXC), а затем ввести адрес другой программы и запустить ее. Поддерживались два устройства ввода-вывода: считыватель бумажной ленты и перфоратор бумажной ленты. Выход перфоратора мог быть подключен к принтеру ("телетайпу") по желанию. Вывод принтера эмулируется и отображается на экране. Ввод с ленты мог быть сгенерирован компьютером APEXC или введен вручную с помощью специальной клавиатуры с 32 клавишами (каждая строка ленты содержала 5 отверстий для данных (< > битов), что дает 32 различных значения).

The APEXC is an incredibly simple machine. Instruction and data words are always 32 bits long. The processor uses integer arithmetic with 2's complement representation. Addresses are 10 bits long. The APEXC has no RAM, except for a 32 bit accumulator and a 32 bit data register (used along with the 32 bit accumulator to implement 64 bit shift instructions and hold the 64 bit result of a multiplication). Instructions and data are stored in two magnetic drums, for a total of 32 circular magnetic tracks of 32 words. Since the rotation rate is 3750rpm (62.5 rotations per second), the program execution speed can go from as high as the theoretical maximum of 1 kIPS to lower than 100IPS if program instructions and data are not contiguous. Nowadays, many say a pocket calculator is faster. One oddity is that there is no program counter: each machine instruction includes the address of the next instruction. This design may sound weird, but it is the only way to achieve optimal performance with this cylinder based memory. The machine code is made of 15 instructions only, namely addition, subtraction, multiplication, load (3 variants), store (2 variants), conditional branch, right arithmetic bit shift, right bit rotation, punched card input, punched card output, machine stop, and bank switching (which is never used on the APEXC, since it only has 1024 words of storage, and addresses are 10 bit long). A so called vector mode enables to repeat the same operation 32 times with 32 successive memory locations. Note the lack of bitwise and/or/xor and division. Also, note the lack of indirect addressing modes: dynamic modification of opcodes is the only way one may simulate it. Another oddity is that the memory bus and the ALU are 1 bit wide. There is a 64 kHz bit clock and a 2 kHz word clock, and each word memory and arithmetic operation is decomposed into 32 1 bit memory and arithmetic operations: this takes 32 bit cycles, for a total of 1 word cycle. The processor is fairly efficient: most instructions take only 2 word cycles (1 for fetch, 1 for read operand and execute), with the exception of stores, shifts and multiplications. The APEXC CPU qualifies as RISC; there is no other adequate word. Note there is no read only memory (ROM), and therefore no bootstrap loader or default start up program whatsoever. It is believed that no executive or operating system was ever written for the APEXC, although there were subroutine libraries of sorts for common arithmetic, I/O and debug tasks. Operation of the machine is normally done through a control panel which allows the user to start, stop and resume the central processing unit, and to alter registers and memory when the CPU is stopped. When starting the machine, the address of the first instruction of the program to be executed must be entered in the control panel, then the run switch must be pressed. Most programs end with a stop instruction, which enables the operator to check the state of the machine, possibly run some post mortem debugging procedures (a core dump routine is described in an APEXC programming book), then enter the address of another program and run it. Two I/O devices were supported: a paper tape reader, and a paper tape puncher. The puncher output could be fed to a printer ('teletyper') unit when desirable. Printer output is emulated and is displayed on screen. Tape input was either computer generated by the APEXC, or hand typed with a special 32 key keyboard (each tape row had 5 data holes (< > bits), which makes 32 different values).