EDSAC

EDSAC — одна из первых в мире электронных вычислительных машин с хранимой в памяти программой. Разработана и построена в Кембриджском университете (Великобритания) под руководством сэра Мориса Уилкса. EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator — электронный вычислитель на линиях задержки) была запущена 6 мая 1949 года и стала первой в мире практической ЭВМ с архитектурой фон Неймана, на которой решались реальные вычислительные задачи.

История создания

Предпосылки

В середине 1940-х годов в США и Великобритании активно велись работы по созданию электронных вычислительных машин. В 1945 году Джон фон Нейман опубликовал «Первый проект отчёта о EDVAC», в котором впервые была описана архитектура компьютера с хранимой программой — память должна была содержать как данные, так и команды. Эта идея стала революционной, так как позволяла менять программу без перекоммутации проводов.

В Великобритании в 1946 году в Манчестерском университете под руководством Фредерика Уильямса и Тома Килберна началась работа над «Манчестерской малой экспериментальной машиной» (SSEM), которая в 1948 году первой в мире выполнила программу, хранящуюся в памяти. Однако SSEM была экспериментальным прототипом и не предназначалась для практических вычислений.

Разработка в Кембридже

В 1946 году Морис Уилкс, вернувшись из США, где он посещал лекции фон Неймана, начал работу над созданием практической вычислительной машины в Кембриджском университете. Проект получил название EDSAC. Уилкс использовал идеи фон Неймана, но разработал собственную архитектуру, ориентированную на надёжность и простоту эксплуатации.

Строительство машины велось в Лаборатории математики Кембриджского университета. Основным элементом памяти служили ртутные линии задержки — устройства, в которых информация хранилась в виде акустических импульсов, распространяющихся по трубке с ртутью. Этот тип памяти был выбран из-за относительной доступности и надёжности на тот момент.

Запуск и эксплуатация

6 мая 1949 года EDSAC успешно выполнила свою первую программу — вычисление таблицы квадратов чисел. В отличие от SSEM, EDSAC сразу стала использоваться для решения реальных научных задач. В течение нескольких лет она обслуживала учёных Кембриджского университета и других британских организаций, выполняя расчёты в области физики, астрономии, кристаллографии и других наук.

EDSAC эксплуатировалась до 1958 года, после чего была заменена более совершенной машиной EDSAC 2. Оригинальная EDSAC была разобрана, но в 2010-х годах в Кембридже была построена её действующая реплика, которая демонстрируется в Музее вычислительной техники.

Архитектура и устройство

Архитектура фон Неймана

EDSAC была реализацией архитектуры фон Неймана, что означало, что программа и данные хранились в одной и той же памяти. Команды и данные имели одинаковый формат — 17-битные слова. Память была организована как массив ячеек, каждая из которых могла хранить одно слово.

Память

Основная память EDSAC состояла из 32 ртутных линий задержки, каждая из которых могла хранить 32 слова. Таким образом, общий объём памяти составлял 1024 слова. Каждое слово содержало 17 бит (16 бит данных и 1 бит чётности). Время доступа к памяти составляло около 0,5 миллисекунды.

Ртутные линии задержки работали следующим образом: электрический импульс преобразовывался в акустический сигнал, который распространялся по трубке с ртутью. На другом конце трубки сигнал снова преобразовывался в электрический и усиливался. Время задержки составляло около 1 миллисекунды, что позволяло хранить 32 слова.

Процессор

Процессор EDSAC работал с тактовой частотой около 500 кГц. Он выполнял арифметические операции над 17-битными числами. В машине использовалась двоичная система счисления, но ввод и вывод данных осуществлялись в десятичной системе.

Система команд EDSAC включала 18 инструкций, среди которых были:

• ADD (сложение)
• SUB (вычитание)
• MULT (умножение)
• LOAD (загрузка из памяти)
• STORE (сохранение в память)
• JUMP (условный и безусловный переход)
• INPUT (ввод с перфоленты)
• OUTPUT (вывод на телетайп)

Ввод-вывод

Ввод данных в EDSAC осуществлялся с помощью пятидорожечной перфоленты. Программы также вводились с перфоленты. Вывод данных производился на телетайп (печатающее устройство) или на перфоленту. Скорость ввода составляла около 50 символов в секунду, скорость вывода — около 10 символов в секунду.

Энергопотребление и габариты

EDSAC занимала площадь около 20 квадратных метров и весила около 7 тонн. Она потребляла около 15 киловатт электроэнергии. Машина содержала около 3000 электронных ламп, 12 000 диодов и множество реле и переключателей.

Программное обеспечение

EDSAC стала первой машиной, для которой была разработана полноценная библиотека подпрограмм. Морис Уилкс и его коллеги создали набор стандартных программ для выполнения математических операций, таких как вычисление тригонометрических функций, логарифмов, квадратных корней и т.д. Эти подпрограммы хранились на перфолентах и могли быть вызваны из основной программы.

Также для EDSAC был разработан первый в мире ассемблер — «Initial Orders». Это была программа, которая автоматически преобразовывала мнемонические команды (например, A 5 F для сложения) в машинный код. Initial Orders загружалась в память при запуске машины и позволяла программистам писать код в более удобной форме.

Применение

EDSAC использовалась для решения широкого круга научных задач. Среди наиболее известных применений:

• Расчёт траекторий ракет и спутников
• Моделирование ядерных реакций
• Кристаллографические расчёты (в том числе для определения структуры биологических молекул)
• Численное решение дифференциальных уравнений
• Статистическая обработка данных

Одним из первых пользователей EDSAC был британский физик Джон Кокрофт, который использовал машину для расчётов по ядерной физике. Также на EDSAC работали учёные из Кембриджской лаборатории молекулярной биологии, где впоследствии была открыта структура ДНК.

Влияние на развитие вычислительной техники

EDSAC оказала огромное влияние на развитие компьютерной индустрии. Она стала прототипом для многих последующих машин, в том числе для коммерческих компьютеров LEO I (Lyons Electronic Office) — первого в мире компьютера, использовавшегося для бизнес-задач. LEO I был построен британской компанией J. Lyons & Co. на основе архитектуры EDSAC.

Морис Уилкс также внёс значительный вклад в развитие программирования. Он написал книгу «Preparation of Programs for an Electronic Digital Computer» (1951), которая стала первым учебником по программированию. В этой книге были описаны методы разработки программ, библиотеки подпрограмм и принципы ассемблера.

Реплика

В 2011 году в Кембриджском университете начался проект по воссозданию EDSAC. К 2016 году была построена действующая реплика машины, которая сейчас демонстрируется в Музее вычислительной техники в Блетчли-Парке (Великобритания). Реплика использует современные компоненты (транзисторы, микросхемы), но полностью воспроизводит архитектуру и логику оригинальной EDSAC.

Источники

• Wilkes, M. V. (1956). «Automatic Digital Computers». Methuen & Co.
• Wilkes, M. V., Wheeler, D. J., & Gill, S. (1951). «Preparation of Programs for an Electronic Digital Computer». Addison-Wesley.
• Campbell-Kelly, M. (1989). «The Development of Computer Programming in Britain (1945 to 1955)». IEEE Annals of the History of Computing.
• Lavington, S. (1998). «A History of Manchester Computers». The British Computer Society.
• Документация проекта реплики EDSAC, Музей вычислительной техники, Блетчли-Парк.