Перфолента

Перфолента — это носитель информации в виде длинной полосы бумаги или (реже) пластика, на котором данные кодируются путём пробивания отверстий (перфораций) в определённых позициях. Относится к классу перфорированных носителей и является разновидностью перфокарты, но в отличие от неё имеет последовательную (ленточную) структуру. Широко применялась в середине XX века для ввода и вывода данных в вычислительной технике, телеграфии, станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и автоматизированных системах управления.

История

Идея использования перфорированной ленты для управления механизмами восходит к началу XIX века. Первым известным устройством, работавшим на этом принципе, стал жаккардовый ткацкий станок (1804 год, изобретатель Жозеф Мари Жаккар). В нём перфолента из картона управляла движением нитей, позволяя автоматически воспроизводить сложные узоры на ткани. Это был первый в истории пример программируемого устройства с использованием сменного носителя.

В середине XIX века британский математик Чарльз Бэббидж планировал использовать перфокарты (аналогичные жаккардовым) для своей Аналитической машины, однако проект не был реализован при его жизни. Перфолента в её современном виде начала применяться в телеграфии. В 1846 году американец Ройал Хаус запатентовал телеграфный аппарат, использующий бумажную ленту для записи принимаемых сигналов. В 1858 году итальянец Джованни Казелли создал пантелеграф — устройство для передачи изображений по телеграфу, где перфолента служила носителем для сканирования и воспроизведения.

Ключевым этапом стало изобретение в 1874 году ленточного перфоратора французским инженером Эмилем Бодо. Он разработал пятибитный код (код Бодо), который стал стандартом для телеграфной связи. Перфолента позволяла автоматизировать передачу сообщений: оператор набивал текст на клавиатуре перфоратора, а затем лента считывалась автоматическим передатчиком со скоростью, значительно превышающей ручную работу.

В 1930-х годах перфолента начала применяться в первых электромеханических вычислительных машинах. Например, в релейных вычислителях Конрада Цузе (Z1, Z3) и в машинах IBM. Во время Второй мировой войны перфолента использовалась в шифровальных машинах (например, «Энигма» и её модификации) и в системах управления зенитным огнём. После войны, в 1950–1960-х годах, перфолента стала одним из основных носителей для ввода программ и данных в ЭВМ первого и второго поколений (ламповые и транзисторные). Такие машины, как БЭСМ-6 (СССР), IBM 704, UNIVAC I, активно использовали перфоленту. С развитием магнитных носителей (магнитная лента, магнитные диски) в 1970-х годах перфолента постепенно вытеснялась, но в некоторых областях (станки с ЧПУ, телетайпы) оставалась в ходу до 1990-х годов.

Классификация и виды

Перфоленты различаются по материалу, ширине, количеству дорожек (каналов) и способу кодирования.

По материалу

• Бумажные — наиболее распространённый тип. Изготавливались из плотной бумаги (обычно 80–120 г/м²), часто с добавлением целлюлозы для прочности. Могли быть однослойными или многослойными (для увеличения срока службы). Недостаток — низкая механическая прочность и чувствительность к влаге.
• Пластиковые (лавсановые, ацетатные) — применялись в промышленных и военных системах, где требовалась повышенная надёжность. Пластиковые ленты были дороже, но устойчивее к разрывам и износу.
• Комбинированные — бумага с полимерным покрытием или армированием.

По ширине и количеству дорожек

Стандартная ширина перфоленты — 17,5 мм (7/8 дюйма) или 25,4 мм (1 дюйм). Количество дорожек (каналов) определяет разрядность кода. Наиболее распространённые форматы:

Также существовали 12-дорожечные ленты для специализированных систем.

По способу кодирования

• Пятибитный код Бодо (ITA2) — стандарт для телеграфии. Каждая комбинация из 5 отверстий (или их отсутствия) кодирует одну букву, цифру или служебный символ. Имел ограниченный набор символов (около 32).
• Семибитный и восьмибитный коды — использовались в ЭВМ. Семибитный код (ASCII-7) позволял кодировать 128 символов, восьмибитный (ASCII-8, EBCDIC) — 256. Восьмибитная лента стала стандартом для мини- и микроЭВМ в 1970–1980-х годах.
• Код ISO — международный стандарт для станков с ЧПУ (ISO 6983). Использовал 8-дорожечную ленту с определённым расположением отверстий для команд управления.
• Код Грея — применялся в некоторых системах управления, где требовалась помехоустойчивость.

Устройство и принцип работы

Перфолента представляет собой длинную полосу с рядом отверстий, расположенных по ширине ленты (дорожки) и по её длине (шаг). Шаг перфорации (расстояние между центрами соседних отверстий вдоль ленты) обычно составляет 2,54 мм (0,1 дюйма). Отверстия пробиваются специальным инструментом — перфоратором.

Считывание

Считывание информации с перфоленты производится считывателем перфоленты (читателем). Принцип действия основан на механическом или оптическом детектировании отверстий:

• Механические считыватели — использовали щупы (иглы), которые проваливались в отверстия, замыкая или размыкая электрические контакты. Были медленными (до 100–200 символов в секунду) и подвержены износу.
• Оптические считыватели — применяли источник света (лампу накаливания или светодиод) и фотодатчики. Свет, проходя через отверстие, попадал на фотодиод, генерируя электрический импульс. Оптические считыватели были быстрее (до 1000–2000 символов в секунду) и надёжнее.

Запись

Запись (пробивка) осуществлялась перфоратором. Он пробивал отверстия в ленте с помощью пуансонов, приводимых в действие электромагнитами или пневматикой. Скорость перфорации составляла от 10 до 100 символов в секунду. Перфораторы могли быть ручными (клавишными) или автоматическими (под управлением ЭВМ).

Синхронизация

Для синхронизации движения ленты и считывания/записи использовалось транспортное отверстие (также называемое синхроотверстием). Оно располагалось между дорожками данных (обычно между 3-й и 4-й дорожками) и пробивалось для каждого символа. Механизм считывателя или перфоратора использовал это отверстие для точного позиционирования ленты.

Применение

Перфолента нашла широкое применение в нескольких ключевых областях.

Телеграфия и связь

В телеграфных аппаратах (телетайпах) перфолента использовалась для автоматической передачи сообщений. Оператор набивал текст на клавиатуре, перфоратор пробивал ленту. Затем лента загружалась в автоматический передатчик, который считывал её и отправлял сигналы по линии связи. Это позволяло значительно увеличить пропускную способность каналов связи. Системы с перфолентой применялись в телеграфных сетях до конца XX века.

Вычислительная техника

В ЭВМ первого и второго поколений перфолента была основным носителем для ввода программ и данных. Программы набивались на перфоленту вручную или с помощью специальных устройств. Считыватель перфоленты подключался к ЭВМ, и данные вводились последовательно. Для вывода результатов использовались перфораторы, которые пробивали ленту с выходными данными. В СССР широко применялись перфоленты для машин серии «Минск», «Урал», БЭСМ. В 1960-х годах перфолента была вытеснена магнитными лентами и дисками, но в некоторых системах (например, в мини-ЭВМ PDP-8) использовалась до 1980-х годов.

Станки с числовым программным управлением (ЧПУ)

Перфолента стала основным носителем управляющих программ для станков с ЧПУ в 1950–1980-х годах. Программа записывалась на 8-дорожечную перфоленту в коде ISO (G-код). Станок считывал ленту через считыватель, и управляющий контроллер интерпретировал команды (перемещение осей, скорость вращения шпинделя, подача охлаждающей жидкости). Перфолента была надёжным и дешёвым носителем, но имела недостатки: хрупкость, ограниченный объём (одна лента могла содержать программу для одной детали), сложность редактирования. В 1980-х годах перфоленту начали заменять магнитные ленты и флеш-память, однако в некоторых странах (например, в СССР) она использовалась до 1990-х годов.

Автоматизированные системы управления (АСУ)

Перфолента применялась в системах сбора данных, телеметрии и управления технологическими процессами. Например, в системах управления химическими заводами, электростанциями и системами ПВО. Данные с датчиков записывались на перфоленту для последующей обработки.

Шифрование

Перфолента использовалась в криптографии для хранения ключей и программ шифрования. Например, в советской шифровальной машине «Фиалка» и в американской системе SIGSALY.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Простота и дешевизна — бумажная лента была очень дешёвой в производстве.
• Визуальная читаемость — отверстия можно было видеть невооружённым глазом, что упрощало отладку.
• Надёжность — при правильном хранении лента могла сохранять данные десятилетиями.
• Независимость от электроэнергии — данные не терялись при отключении питания.

Недостатки

• Низкая скорость доступа — последовательный доступ (ленту нужно было перематывать для поиска нужного участка).
• Хрупкость — бумажная лента легко рвалась, мялась и портилась от влаги.
• Ограниченный объём — одна лента вмещала от нескольких килобайт до нескольких десятков килобайт данных.
• Сложность редактирования — для исправления ошибки нужно было перебивать всю ленту или вклеивать исправленный участок.
• Низкая скорость ввода/вывода — по сравнению с магнитными носителями.

Интересные факты

• В 1960-х годах в СССР выпускались перфоленты длиной до 1000 метров. Для их хранения использовались специальные катушки.
• На перфоленту записывались не только программы, но и музыка. Например, в 1950-х годах в США существовали системы, которые воспроизводили мелодии, считывая перфоленту.
• В некоторых системах управления станками с ЧПУ перфолента использовалась до начала 2000-х годов, особенно в странах с ограниченным доступом к современным носителям.
• Перфолента стала прообразом современных носителей с последовательным доступом, таких как магнитная лента и компакт-кассета.

Источники

• Краткая энциклопедия вычислительной техники. Под ред. В. И. Лебедева. — М.: Советская энциклопедия, 1971.
• История вычислительной техники в лицах. — М.: КИМ, 1999.
• Телеграфная связь: учебник для вузов. Под ред. А. А. Громова. — М.: Связь, 1975.
• Станки с числовым программным управлением. Под ред. В. А. Лещенко. — М.: Машиностроение, 1982.
• Энциклопедия кибернетики. Том 1. — Киев: Главная редакция УСЭ, 1974.