EDSAC: Ранний британский электронный компьютер

Введение

1940-е – 1950-е годы. Британский компьютер.

Электронный автоматический калькулятор с памятью на задержке (EDSAC) был одним из первых британских компьютеров. Созданный под влиянием основополагающего «Первого проекта отчета о EDVAC» Джона фон Неймана, он был построен Морисом Уилксом и его командой в Математической лаборатории Кембриджского университета в Англии. EDSAC стал вторым электронным цифровым компьютером с хранимой программой, поступившим в регулярную эксплуатацию. Позже проект был поддержан компанией J. Lyons & Co. Ltd., которая стремилась разработать компьютер для коммерческого применения и добилась успеха с разработкой Lyons LEO I, основанной на конструкции EDSAC. Работа над EDSAC началась в 1947 году, и 6 мая 1949 года он выполнил свои первые программы, вычислив таблицу квадратов чисел и список простых чисел. EDSAC был окончательно выведен из эксплуатации 11 июля 1958 года, после того как его заменил EDSAC 2, который оставался в использовании до 1965 года.

Физические компоненты

Как только EDSAC был введен в эксплуатацию, он начал обслуживать исследовательские нужды университета. В качестве памяти использовались ртутные линии задержки, а для логики – дефорсированные вакуумные лампы. Потребляемая мощность составляла 11 кВт электроэнергии. Время цикла составляло 1,5 мс для всех обычных инструкций и 6 мс для умножения. Ввод осуществлялся с помощью перфоленты с пятью отверстиями, а вывод – через телепринтер. Изначально регистры ограничивались только аккумулятором и регистром умножителя. В 1953 году Дэвид Уилер, вернувшись из Университета Иллинойса, разработал индексный регистр как расширение оригинальной аппаратной части EDSAC. В 1952 году был добавлен магнитофон, но он так и не заработал достаточно надёжно, чтобы быть полезным. До 1952 года доступная основная память (инструкции и данные) составляла всего 512 18-битных слов, и не было внешнего хранилища. Линии задержки (или "танки") были организованы в две батареи, каждая из которых обеспечивала хранение 512 слов. Вторая батарея была введена в эксплуатацию в 1952 году, ограничивая размер программ примерно 800 словами до этого момента. Джон Линдли (дипломник 1958–1959 гг.) вспоминал "невероятные трудности, с которыми нам приходилось сталкиваться, чтобы создать хотя бы один правильный кусок перфоленты, используя грубое и ненадежное самодельное оборудование для перфорации, печати и проверки, доступное в конце 50-х годов".

Система программного обеспечения

Первоначальные команды были реализованы на наборе униселекторных переключателей и загружались в младшие ячейки памяти при запуске. К маю 1949 года первоначальные команды обеспечивали работу примитивного релоцирующего ассемблера, использующего мнемоническую систему, описанную выше, – и всё это в 31 слове. Это был первый в мире ассемблер и, возможно, начало мировой индустрии программного обеспечения. Существует симуляция EDSAC и подробное описание первоначальных команд и первых программ. Первым вычислением, выполненным на EDSAC, стала программа для вычисления квадрата числа, запущенная 6 мая 1949 года. Программу написала Беатрис Ворсли, приехавшая из Канады для изучения машины. Фред Хойл упоминает об этом в своем романе "Черное облако".

Техника программирования

Ранние программисты использовали методы, которые сегодня считаются неприемлемыми, в частности, использование самомодифицирующегося кода. Поскольку индексный регистр появился значительно позже, единственным способом доступа к элементам массива было изменение адреса памяти, на который ссылалась конкретная инструкция. Дэвид Уилер, получивший первую в мире докторскую степень по компьютерным наукам, работая над этим проектом, считается изобретателем концепции подпрограммы. Пользователи писали программы, которые вызывали подпрограмму, переходя к началу подпрограммы с обратным адресом (то есть, адресом возврата – местоположением плюс один байт самого перехода) в аккумуляторе (так называемый «прыжок Уиллера»). Подпрограмма, по соглашению, ожидала этого и первое, что она делала, – модифицировала свою завершающую инструкцию перехода на этот адрес возврата. Можно было вызывать несколько и даже вложенных подпрограмм, если пользователь знал длину каждой из них, чтобы вычислить адрес перехода; рекурсивные вызовы были запрещены. Затем пользователь копировал код подпрограммы с мастер-ленты на свою ленту после завершения собственной программы. (Однако Алан Тьюринг обсуждал подпрограммы в статье 1945 года, посвященной проектным предложениям для NPL ACE, и даже предложил концепцию стека адресов возврата, которая позволила бы выполнять рекурсию.) Отсутствие индексного регистра также создавало проблему для автора подпрограммы, поскольку он не мог заранее знать, куда в памяти будет загружена подпрограмма, и, следовательно, не мог знать, как адресовать области кода, используемые для хранения данных (так называемые «псевдо-команды»). Это было решено с помощью начальной процедуры ввода, которая отвечала за загрузку подпрограмм из перфоленты в память. При загрузке подпрограммы она фиксировала начальный адрес и при необходимости корректировала ссылки на внутреннюю память. Таким образом, как писал Уилкс, «код, используемый для представления команд вне машины, отличается от кода, используемого внутри, и эти различия обусловлены различными требованиями программиста, с одной стороны, и управляющих схем машины, с другой». Программисты EDSAC использовали специальные методы для максимально эффективного использования ограниченной доступной памяти. Например, в момент загрузки подпрограммы из перфоленты в память могло потребоваться вычисление определенной константы, которую впоследствии не нужно было бы пересчитывать. В этом случае константа вычислялась в «интерлюдии». Код, необходимый для вычисления константы, поставлялся вместе с полной подпрограммой. После того, как начальная процедура ввода загрузила код вычисления, управление передавалось этому коду. После вычисления константы и записи ее в память управление возвращалось в начальную процедуру ввода, которая продолжала записывать остальную часть подпрограммы в память, но сначала корректировала начальную точку, чтобы перезаписать код, который вычислил константу. Это позволяло вносить довольно сложные изменения в подпрограмму общего назначения, не увеличивая ее окончательный размер в памяти по сравнению с тем, если бы она была адаптирована к конкретным обстоятельствам.

The early programmers had to make use of techniques frowned upon today—in particular, the use of self modifying code. As there was no index register until much later, the only way of accessing an array was to alter which memory location a particular instruction was referencing. David Wheeler, who earned the world's first Computer Science PhD working on the project, is credited with inventing the concept of a subroutine. Users wrote programs that called a routine by jumping to the start of the subroutine with the return address (i. e. the location plus one of the jump itself) in the accumulator (a Wheeler Jump). By convention the subroutine expected this, and the first thing it did was to modify its concluding jump instruction to that return address. Multiple and nested subroutines could be called so long as the user knew the length of each one in order to calculate the location to jump to; recursive calls were forbidden. The user then copied the code for the subroutine from a master tape onto their own tape following the end of their own program. (However, Alan Turing discussed subroutines in a paper of 1945 on design proposals for the NPL ACE, going so far as to invent the concept of a return address stack, which would have allowed recursion.) The lack of an index register also posed a problem to the writer of a subroutine in that they could not know in advance where in memory the subroutine would be loaded, and therefore they could not know how to address any regions of the code that were used for storage of data (so called "pseudo orders"). This was solved by use of an initial input routine, which was responsible for loading subroutines from punched tape into memory. On loading a subroutine, it would note the start location and increment internal memory references as required. Thus, as Wilkes wrote, "the code used to represent orders outside the machine differs from that used inside, the differences being dictated by the different requirements of the programmer on the one hand, and of the control circuits of the machine on the other". EDSAC's programmers used special techniques to make best use of the limited available memory. For example, at the point of loading a subroutine from punched tape into memory, it might happen that a particular constant would have to be calculated, a constant that would not subsequently need recalculation. In this situation, the constant would be calculated in an "interlude". The code required to calculate the constant would be supplied along with the full subroutine. After the initial input routine had loaded the calculation code, it would transfer control to this code. Once the constant had been calculated and written into memory, control would return to the initial input routine, which would continue to write the remainder of the subroutine into memory, but first adjusting its starting point so as to overwrite the code that had calculated the constant. This allowed quite complicated adjustments to be made to a general purpose subroutine without making its final footprint in memory any larger than had it been tailored to a specific circumstance.

Приложения EDSAC

EDSAC был специально разработан для того, чтобы стать частью службы поддержки Математической лаборатории в проведении вычислений. Первая научная статья, опубликованная с использованием компьютера для расчетов, принадлежала перу Рональда Фишера. Уилкс и Уилер использовали EDSAC для решения дифференциального уравнения, связанного с частотами генов, для него. В 1951 году Миллер и Уилер использовали машину для обнаружения 79-значного простого числа – самого большого, известного на тот момент. Лауреаты трех Нобелевских премий – Джон Кендрю и Макс Перуц (химия, 1962), Эндрю Хаксли (медицина, 1963) и Мартин Райл (физика, 1974) – воспользовались революционной вычислительной мощностью EDSAC. В своих речах при вручении премий каждый из них признал роль, которую EDSAC сыграл в их исследованиях. В начале 1960-х годов Питер Суиннертон-Дайер использовал компьютер EDSAC для вычисления количества точек по модулю p (обозначаемого как Np) для большого числа простых чисел p на эллиптических кривых, ранг которых был известен. На основе этих численных результатов было высказано предположение, что Np для кривой E с рангом r подчиняется асимптотическому закону – предположению Бирча и Суиннертона-Дайера, которое по состоянию на 2022 год считается одной из важнейших нерешенных проблем в математике. "Мозг" [компьютер] однажды, возможно, достигнет нашего уровня [обычных людей] и поможет нам с расчетом налогов и ведением бухгалтерского учета. Но это лишь спекуляции, и пока никаких признаков этого нет. Британская газета The Star в июне 1949 года опубликовала статью о компьютере EDSAC, задолго до эры персональных компьютеров.

Игры

В 1952 году Сэнди Дуглас разработал OXO, версию крестиков-ноликов для ЭДСАК, с графическим выводом на 6-дюймовую катодную трубку VCR97. Это вполне могла быть первая в мире видеоигра. Другую видеоигру создал Стэнли Гилл: она представляла собой точку (которая называлась овцой), приближающуюся к линии, где можно было открыть один из двух проходов.

Дальнейшее развитие событий

Преемник EDSAC, EDSAC 2, был введен в эксплуатацию в 1958 году. В 1961 году Дэвид Хартли разработал версию Autocode для EDSAC 2 – язык программирования высокого уровня, подобный ALGOL, предназначенный для учёных и инженеров. В середине 1960-х годов планировалась разработка преемника EDSAC 2, но вместо этого предпочтение было отдано системе Titan, прототипу Atlas 2, созданной на основе компьютера Atlas, разработанного Манчестерским университетом, Ferranti и Plessey.

Проект реплики EDSAC

13 января 2011 года Общество компьютерной консервации объявило о планах по созданию рабочей реплики EDSAC в Национальном музее вычислительной техники (TNMoC) в Блетчли-парке под руководством Эндрю Герберта, бывшего ученика Мориса Уилкса. Первые компоненты реплики были включены в ноябре 2014 года. Логические схемы EDSAC были скрупулезно реконструированы посредством разработки симулятора и повторного анализа вновь обнаруженных оригинальных схем. Эта документация была опубликована под лицензией Creative Commons. Работа над проектом открыта для посещения. В 2016 году два оригинальных оператора EDSAC, Маргарет Маррс и Джойс Уилер, посетили музей, чтобы оказать помощь в работе над проектом. По состоянию на ноябрь 2016 года предполагалось, что ввод реплики в полностью завершенное и рабочее состояние состоится осенью 2017 года. Однако непредвиденные задержки в проекте привели к неопределенности сроков завершения и полной работоспособности машины.