История вычислительной техники, ч.5 - принципы работы, первые советские ЭВМ, С.А.Лебедев, элементы
Принцип работы программируемых компьютеров
Программируемый компьютер состоит из следующих устройств:
- процессор
- память (общая для программ и данных или отдельно программ, отдельно данных)
- внешние устройства (ввода, вывода, внешняя память, например, на магнитных барабанах и лентах).
Процессор, в свою очередь, состоит из следующих частей:
- устройство управления,
- операционное устройство (в ранних компьютерах называемое арифметическим, т.к. оно делало только арифметические операции),
- интерфейсы внешних устройств.
Работает все это следующим образом:
1. Устройство управления читает из памяти команду, подавая на интерфейс памяти команд соответствующие сигналы.
2. Затем оно ее дешифрирует - разбирается, какие действия должна сделать команда.
3. Затем подает на интерфейс памяти данных сигналы, обеспечивающие чтение операндов.
4. Затем подает на операционное устройство сигналы, обеспечивающие выполнение им именно тех действий, которые заданы командой.
5. Затем подает на интерфейс памяти данных сигналы, обеспечивающие запись результата.
6. На п.1 для выполнения следующей команды.
Команда состоит из нескольких полей - кода операции и адресов операндов.
Код операции содержит информацию, какое именно действие должна совершить данная команда.
Адреса операндов указывают, где брать операнды и куда записать результат.
Команды бывают:
- четырехадресные, содержат адреса двух операндов, результата и следующей команды (только в немногих самых ранних ЭВМ),
- трехадресные - адреса двух операндов и результата (следующая команда берется та, что лежит в памяти команд сразу за данной, если только данная команда не команда перехода, в которой адрес следующей команды указан), этот вариант был очень распространен в ранних ЭВМ,
- двухадресные - адреса первого и второго операндов, результат пишется по адресу второго операнда,
- одноадресные - адрес одного операнда, второй находится в регистре процессора, называемом "аккумулятор", результат также пишется в аккумулятор. Специальная команда записи в память также содержит один адрес, по которому пишет в память содержимое аккумулятора,
- безадресные, если операндов не нужно или их адреса подразумеваются (например, определенные регистры процессора, только с ними работает данная команда).
В ранних компьютерах, для упрощения устройства управления, все команды имели одинаковое число адресов. В более современных могут сочетаться двухадресные, одноадресные и безадресные команды.
В ранних компьютерах, в частности, всех описанных в части 4, все устройства работали под управлением устройства управления процессора. Так что когда телетайп печатает со скоростью 10 символов в секунду, ничего другого, кроме управления телетайпом, процессор не делает. Хотя за время печати одного символа мог бы выполнить сотни команд.
Интерфейсы всех внешних устройств в ранних компьютерах были уникальные, и эти устройства подключались прямо к процессору. Так что, чтобы ввести в компьютер устройство нового типа, приходилось дорабатывать процессор.
Первые советские ЭВМ.
В 1948 году (скорее всего, не без влияния информации об ЭНИАК - единственной на тот момент ЭВМ) в СССР практически одновременно и независимо начались работы по проектированию двух ЭВМ. Обе группы проектировщиков возглавляли ученые, родившиеся в 1902 году (т.е. не очень молодые, в 1948 году им было по 46 лет), оба пришли из энергетики, где потребность в большом объеме расчетов при проектировании сетей электропередач была велика, Серей Алексеевич Лебедев и Исаак Семенович Брук.
МЭСМ
https://ru.wikipedia.org/wiki/МЭСМ
Коллектив, проектировавший в Киеве МЭСМ, возглавил С.А. Лебедев. Разрабатывалась в 1948-1951 годах, в конце 1951 года принята в эксплуатацию, работала до 1957 года, потом передана в Киевский политехнический институт для учебных целей. Но там, скорее всего, ее не смогли запустить (эксплуатация первых ЭВМ требовала специалистов высокой квалификации) и в 1959 году списали.
Первоначально МЭСМ создавалась как макет и ее название расшифровывалось как "Макет Электронно-Счетной Машины". Лишь в процессе работ было решено довести ее до работоспособности в комплексе и название стало расшифровываться как "Малая Электронно-Счетная Машина" (предполагалось, что проверенные на ней идеи лягут в основу БЭСМ - "Большой Электронно-Счетной Машины").
Основные параметры МЭСМ:
6000 ламп (3500 двойных триодов, 2500 двойных диодов), многовато для малой машины. Основные архитектурные решения ее характерны для больших машин, например, арифметическое устройство параллельного действия, чем и объясняются большие затраты аппаратуры. Понятно - макетировалась большая быстрая машина.
Тактовая частота 5 килогерц. Почему так мало? (напомню, что ЭНИАК работал на 100 кГц) - потому что пофиг, для макета сойдет.
Машина двоичная.
Память программ и данных раздельная, на лампах. Память данных - 31 число по 17 разрядов (16 разрядов и знак), память команд - 63 команды по 20 разрядов, из них 4 - код операции (было 11 команд), 5+5 - адреса операндов, 6 - адрес результата (или перехода в команде перехода, поэтому он на 1 бит длиннее). Была и штекерная память (все те же наборные доски, что в табуляторах и памяти команд ЭНИАК) констант - те же 31 число по 17 бит для данные, 63 числа по 20 бит для команд.
Быстродействие 50 команд в секунду. Могло бы быть гораздо выше, т.к. все элементы быстрые, ламповые, но не стали в макете заморачиваться этим.
Ввод с перфокарт, вывод на печатающее устройство. Была также внешняя память на магнитном барабане (5000 чисел).
М-1, М-2, М-3.
https://ru.wikipedia.org/wiki/М-1_(электронно-вычислительная_машина)
М-1 создавалась коллективом под руководством И.С, Брука в 1950-1951 годах в Москве. При создании широко использовались детали со склада трофейной аппаратуры, в том числе купроксные (медноокисные) диодные столбики. Прямое сопротивление у них не более 5 килоом, обратное не менее 500 килоом. При таком соотношении прямого и обратного сопротивлений (1:100) можно строить логические схемы на диодах. Но были эти столбики довольно медленные, и тактовая частота ограничивалась их быстродействием.
Основные параметры М-1.
730 ламп.
Быстродействие 15-20 операций в секунду.
Двоичная, слово 25 бит. Система команд двухадресная.
Память - 256 слов на магнитном барабане ("медленная") и 256 слов на электронно-лучевых трубках ("быстрая").
Ввод - с перфоленты.
Вывод - на телетайп с рулонной бумагой.
Потребляемая мощность - 4 киловатта, очень мало для ламповой машины, обычно они потребляли десятки киловатт.
На основе опыта, полученного при разработке М-1, была сделана гораздо более совершенная М-2.
Разрабатывалась в 1952-1953 годах, работала с первой половины 1953 года.
Элементная база - 1676 ламп (плюс 203 в источниках питания, всего 1879), полупроводниковые диоды.
Слово 34 бита. Данные с фиксированной и плавающей запятой. Команды трехадресные - 4 бита код операции и по 10 бит три адреса. Команд было 30, что больше, чем допускает 4-битное поле кода операции (16), часть команд частично использовали поля адресов. Достаточно нехарактерное решение для ранних ЭВМ, в которых обычно была жесткая разбивка команды на поля.
Память - 512 слов на магнитном барабане ("медленная") и 512 слов на электронно-лучевых трубках ("быстрая").
Быстродействие 2000 операций в секунду (при командах и данных в "быстрой" памяти), очень приличное по тем временам.
Эксплуатировалась в течение 15 лет.
Затем была сделана М-3, разработка ее была начата почти одновременно с М-2, но продлилась гораздо дольше, сдана в 1956 году (это была инициативная разработка, не включенная ни в какие планы).
Основные параметры М-3:
774 лампы.
Потребляемая мощность 10 киловатт.
Память 1024 слова ( данные 30 бит с фиксированной точкой, команда двухадресная, каждый адрес 12 бит, код операции 6 бит), на магнитном барабане или ферритах.
Быстродействие при ферритовой памяти 1000 оп/сек, при памяти на магнитном барабане 30 оп/сек.
Техническая документация на М-3 была передана в Китай и Венгрию, где по ней собрали по одной ЭВМ.
Серийно М-3 выпускалась на минском заводе, в 1959-1960 годах выпущено 16 машин с памятью на барабане и 10 с ферритовой памятью.
Остается добавить, что под началом И.С. Брука работали Б.И. Рамеев, впоследствии главный конструктор серии ЭВМ "Урал" https://ru.wikipedia.org/wiki/Рамеев,_Башир_Искандарович и М.А. Карцев, впоследствии главный конструктор целого ряда ЭВМ военного назначения https://ru.wikipedia.org/wiki/Карцев,_Михаил_Александрович .
Еще до окончания работ над МЭСМ, когда стало ясно - это будет реализовано, были начаты работы по проектированию БЭСМ в ИТМ и ВТ под руководством С.А. Лебедева и "Стрелы" в СКБ-245 под руководством Ю.Я. Базилевского.
БЭСМ Академии Наук СССР (впоследствии БЭСМ-1).
https://ru.wikipedia.org/wiki/БЭСМ
Разработка БЭСМ завершена осенью 1952 года. Надо сказать, что хотя разработка БЭСМ велась очень талантливым коллективом во главе с С.А.Лебедевым и результаты были очень хорошие, БЭСМ (разрабатывавшаяся по линии АН СССР) была "на вторых ролях" по сравнению со "Стрелой" (разрабатывавшейся по линии военных). Так, чтобы укомплектовать БЭСМ лампами, В.С,Бурцев (тогда молодой специалист, в будущем директор ИТМ и ВТ) договорился с одним из московских радиоламповых заводов об использовании БЭСМ как стенда, на котором лампы будут проходить тренировку после изготовления. БЭСМ, в отличие от "Стрелы", далеко не сразу получила электронно-лучевые трубки (потенциалоскопы) для памяти, и с 1953 по начало 1955 года в качестве памяти использовались ртутные линии задержки, что снижало быстродействие в 4-5 раз (то есть до того же уровня, что у "Стрелы" с быстрой памятью на потенциалоскопах).
Монтировалась БЭСМ в подвале ИТМ и ВТ, там впоследствии была столовая, так что все сотрудники ИТМ и ВТ бывали в этом историческом месте (впрочем, никаких следов "историчности" там не было). При первом же пуске БЭСМ (потреблявшей 30 киловатт) в подвале стало так жарко, что в нем невозможно было находиться. Пришлось срочно оборудовать мощную вентиляцию. Надо сказать, то же было при первом пуске МЭСМ (тогда проблему решили удалением части потолка, что усилило естественную вентиляцию, теплый воздух стал уходить на второй этаж). Отсюда печальный вывод - талантов человечества хватает только на то, чтобы не наступать трижды на одни грабли, а чтобы не наступать дважды - далеко не всегда.
Основные параметры БЭСМ:
Около 5000 ламп (меньше, чем в МЭСМ, впрочем, у МЭСМ память была на лампах).
Быстродействие 8-10 тысяч оп/сек.
Слово длиной 39 бит - данные с плавающей точкой, 1 бит знак, 6 бит порядок, 32 бита мантисса, команда трехадресная, 6 бит код операции и 3 адреса по 11 бит.
Память - вначале на ртутных линиях задержки (1024 слова), с 1955 г. на потенциалоскопах (1024 слова), с 1957 г. на ферритах (2048 слов).
Внешние устройства - два магнитных барабана по 5120 слов, 4 накопителя на магнитных лентах по 30 тысяч слов.
Ввод с перфолент, вывод на печатающие устройства (обычное и более быстрое, печатавшее фотоспособом).
Потребляемая мощность 30 кВт (без системы охлаждения), занимаемая площадь около 100 кв.м.
Поскольку индекс-регистров в БЭСМ не было, для обращения к массивам применялась модификация команд, к команде прибавлялось значение, обеспечивавшее увеличение соответствующего адреса или адресов. Это довольно типично для ранних ЭВМ.
Остается добавить, что из-за затянувшейся отладки М-20 БЭСМ пережила "второе рождение". Она была в 1957 г. переконструирована - конструкция стала мелкоблочной, что резко ускоряло ремонт - он осуществлялся заменой блоков (получивших название ТЭЗ - Типовые Элементы Замены), это стало общепринятым в ЭВМ. Были также заменены ламповые диоды на полупроводниковые Д2Ж. В током виде БЭСМ стала называться БЭСМ-2 и выпускалась серийно в 1958-1962 годах, выпущено 67 машин.
Стрела.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Стрела_(электронно-вычислительная_машина)
http://www.computer-museum.ru/histussr/strela0.htm
Разрабатывалась одновременно с БЭСМ. Год окончания разработки - 1953, с 1953 по 1956 г. выпущено 7 серийных экземпляров (всего, считая предсерийный, 8).
6200 ламп, 60 тысяч полупроводниковых диодов.
Быстродействие 2000 оп/сек.
Память - слово 43 бита, 35 мантисса, 7 порядок, 1 знак, команда трехадресная, адрес 12 бит, причем при старшем бите адреса 0 обращение в оперативную память, а при 1 к внешним устройствам или в диодное ПЗУ. Объем оперативной памяти 2048 чисел на электронно-лучевых трубках, цикл обращения 20 мксек. Имелось также диодное ПЗУ для типовых программ и констант. Внешняя память - а накопителя на магнитной ленте, магнитный барабан на 4096 слов.
Ввод данных - с перфокарт, вывод на печатающее устройство с широкой печатью (АЦПУ) и перфокарты.
Потребляемая мощность - 150 кВт, из них процессор 75 кВт.
Занимаемая площадь - 300 кв.м., из них 150 процессор.
В 1961 году выпущена (в единственном экземпляре) "Стрела-М" с памятью 4096 слов и быстродействием 20 тыс оп/сек.
Ну а теперь - несколько "лирических отступлений".
Персоналии.
Сергей Алексеевич Лебедев (1902-1974) https://ru.wikipedia.org/wiki/Лебедев,_Сергей_Алексеевич
Его роль в создании и развитии вычислительной техники неоценима. Непосредственно он возглавлял создание только МЭСМ и БЭСМ, после чего с 1952 г., став директором ИТМ и ВТ, осуществлял общее руководство созданием всех разработанных в ИТМ и ВТ вычислительных машин. В ИТМ и ВТ он пользовался огромным уважением и непререкаемым авторитетом.
Был он решительным противником копирования IBM-360 (ЕС ЭВМ), но его, к сожалению, не послушали.
Первоначально это копирование хотели поручить ИТМ и ВТ, но Лебедев решительно отказался, и его в этом поддержало все руководство ИТМ и ВТ. В результате это было поручено НИЭМ (преемнику СКБ-245, после "Стрелы" ничем особенно не отличившемся), на базе которого был создан НИЦЭВТ.
Жаль, что он умер в 1974 году. Поживи он подольше, не было бы свары между "БЭСМовцами" (Мельников) и "эльбрусовцами" (Бурцев), в результате ИТМ и ВТ покинул Мельников, и последовавшей за ней свары "эльбрусовцев" между Бурцевым и Бабаяном, в результате ушел Бурцев. Свары эти были связаны с вопросом, кто первый в ИТМ и ВТ. При живом Лебедеве этого быть не могло, все знали, что первый Лебедев. А так от этих свар сильно дело пострадало.
Элементы.
Точечный полупроводниковый диод.
Этот диод представляет собой пластинку полупроводника (германий или кремний), к которой прижат кончик металлической иглы. Для стабилизации характеристик подвергается формовке - подачи импульса тока, в результате чего конец иглы сваривается с полупроводником и образуется P-N переход. Вся конструкция заключена в герметичный корпус, обычно металло-стеклянный или стеклянный. Эти диоды бывают высоковольтные (100-150 вольт предельное обратное напряжение) для использования в ламповой аппаратуре и низковольтные (10-30 вольт) для использования с транзисторами. Большое обратное сопротивление высоковольтных диодов (не менее 250 килоом) и низкое прямое (десятки-сотни ом) обеспечивают их хорошую работу в логических схемах. Быстродействие вполне достаточное для ламповых схем.
Точечные диоды, миниатюрные, надежные, долговечные, не потребляющие энергии от источника питания, в отличие от ламповых (у которых на накал идет 1 ватт), производились на Западе с конца 1940-г годов, в СССР с начала 1950-х. Они сразу же нашли применение в ЭВМ, и позволили значительно улучшить их характеристики. Ламповые диоды приходилось экономить, и многое в самых ранних ЭВМ делалось из-за этого "на эффектах" различного сорта (что снижало и логические возможности, и скорость). Полупроводниковые диоды позволили широко применять собранную на диодах логику.
Параметры, внешний вид и другую информацию о типичных точечных диодах Д2 можно посмотреть здесь http://155la3.ru/d2.htm
К соответствующей статье википедии обращаться не рекомендую, в ней много неточностей.
Память.
В ранних ЭВМ применялись устройства памяти на ртутных линиях задержки и электронно-лучевых трубках, со второй половины 1050-х годов заменявшиеся более совершенной памятью на ферритовых кольцевых сердечниках с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ).
Подробно ознакомиться с их принципом действия можно по:
Крайзмер Л.П. Запоминающие устройства (2-е издание). (1965)
http://publ.lib.ru/ARCHIVES/M/''Massovaya_radiobiblioteka''/_''Massovaya_radiobiblioteka''_0500-0599_.html#0571
http://publ.lib.ru/ARCHIVES/M/''Massovaya_radiobiblioteka''/''Massovaya_radiobiblioteka'',v.0571.(1965).[djv-fax].zip
Майоров Ф.В. Электронные цифровые вычислительные устройства. (1957)
http://publ.lib.ru/ARCHIVES/M/''Massovaya_radiobiblioteka''/_''Massovaya_radiobiblioteka''_0200-0299_.html#0285
http://publ.lib.ru/ARCHIVES/M/''Massovaya_radiobiblioteka''/''Massovaya_radiobiblioteka'',v.0285.(1957).[djv-fax].zip
Принцип действия памяти на ртутных линиях задержки изложен мною ранее, в ч.4. http://pogorily.livejournal.com/187474.html
Очень кратко изложу принцип действия памяти на электронно-лучевых трубках. (Подробнее см. по ссылкам выше.)
На экране трубки образуются участки, соответствующие отдельным битам. Каждый такой участок может быть либо разряжен, либо заряжен. К лицевой стороне экрана приклеивается (или встраивается внутрь трубки) металлическая сигнальная пластина.
Когда на участок экрана, соответствующий определенному биту, направляется электронный луч, он либо не меняет его потенциал (если участок разряжен), либо меняет (если заряжен) - это изменение через емкость между участком и сигнальной пластиной передается на сигнальную пластину и вызывает там импульс напряжения. По наличию или отсутствию этого импульса и определяют, что считывается - 0 или 1. Считывание разряжает участок, поэтому необходима регенерация - повторный его заряд. Кроме того, есть небольшие токи утечки, и поэтому информацию во всех участках надо периодически (раз в несколько десятков миллисекунд) регенерировать.
На одной трубке можно сделать память 1024-2048 бит, с временем цикла 20-25 микросекунд. Обычно ставилось столько трубок, сколько бит в слове, поэтому одновременно считывается все слово.
Были и трубки с выбором элемента памяти не путем направления на него сфокусированного электронного луча, а другим способом - селектроны.
В селектроне вместо узкого электронного луча широкий поток электронов, он облучает всю область хранения данных. Имеется сетка из вертикальных и горизонтальных проволочек, делящая область хранения на ячейки. На каждой проволочку может быть подано положительное или отрицательное напряжение. Электроны попадают только на ту ячейку, вокруг которой все 4 проволочки с положительным напряжением, иначе "побеждают" те, на которых напряжение отрицательное, и электроны отталкиваются. За счет соединения линий сетки в нужном порядке количество выводов от них сокращается до 4*корень четвертой степени(N), где N - число бит памяти. В селектронах на 4096 бит - 32 вывода от линий сетки.
В остальном принцип действия совпадает с теми трубками, что с узким сфокусированным лучом.
Подробнее см. https://en.wikipedia.org/wiki/Selectron_tube (английский) или Крайзмер Л.П. "Запоминающие устройства" (ссылка приведена выше).
Сколько-нибудь широкого распространения селектроны не получили, хотя как минимум в двух типах ЭВМ США применялись.
Такая память имела достоинство - возможность (в отличие от ультразвуковых линий задержки) произвольного обращения к любому слову с одинаковым небольшим временем доступа, и целый ряд недостатков. Необходимость регенерации информации, большие размеры, хрупкость и малая долговечность (1000-2000 часов) трубок, необходимость очень жесткой стабилизации их режима и очень точной генерации отклоняющих напряжений (чтобы луч попадал именно куда надо, а не между битами или на соседний бит). Поэтому она была вытеснена памятью на кольцевых ферритовых сердечниках с ППГ практически сразу как та появилась.
Память на на кольцевых ферритовых сердечниках с ППГ.
Предварительная информация. Магнитные явления.
Магнитное поле характеризуется двумя величинами.
Напряженность магнитного поля (H) - определяется током. В системе СИ выражается в амперах на метр. Один ампер на метр - такое значение H, которое создается током в один ампер, проходящим по центру кольцевого сердечника окружностью в 1 метр (т.е. диаметром около 30 см).
Магнитный поток (Ф) - изменение его вызывает появление напряжения в проводниках. Измеряется в веберах. Изменение на 1 вебер в секунду создает в контуре напряжение в 1 вольт.
Магнитная индукция (B) - отношение потока к площади. Измеряется в тесла. 1 тесла - это 1 вебер на квадратный метр.
Индукция всегда создается напряженностью поля. В вакууме они строго пропорциональны, связаны через магнитную постоянную, равную u0=4*пи()*(10 в степени минус 7). Такое "красивое" значение u0 связано с тем, что сила тока в 1 ампер определяется через магнитное поле.
B=u0*H.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Магнитная_постоянная
У магнитных материалов индукция больше, чем у вакуума. Какая индукция в них возникает, определяется свойствами материала и выражается через магнитную проницаемость (относительную величину, показывающую, во сколько раз при том же значении H индукция больше чем в вакууме). Проницаемость зависит от напряженности поля, т.е. зависимость B от H нелинейная, нередко резко нелинейная.
Такое поведение магнитных материалов - потому, что в них есть "магнитики" (в конечном счете потому, что у элементарных частиц есть магнитный момент) и эти "магнитики" во внешнем магнитном поле ориентируются, добавляя свое поле к внешнему.
Лучшее известное мне описание магнетизма (на английском) http://www.ti.com/lit/ml/slup123/slup123.pdf Рекомендую. Очень четко, внятно и по делу изложено.
Ферриты - это соединения окислов двухвалентных металлов с окисью трехвалентного железа. Все они изготовляются как керамика, прессование пластичного исходного материала - смеси окислов с пластификатором - в формы, с последующим обжигом при высокой температуре (чаще в два этапа - сначала обжигают смесь окислов и солей, получая нужный феррит, потом его размалывают, смешивают с пластификатором, прессуют в изделия нужной формы и опять обжигают) . При обжиге происходит усадка, на 20-30% по линейным размерам, как у любой керамики. И по механическим свойствам это типичная керамика, твердая и хрупкая.
Ферриты обладают ярко выраженными магнитными свойствами, в зависимости от состава эти свойства разные. Есть магнитно-твердые ферриты, с большой коэрцитивной силой, они используются как магниты. Есть магнитно-мягкие ферриты, используемые в трансформаторах, дросселях, магнитных антеннах. И есть ферриты с ППГ, у которых коэрцитивная сила невелика, но индукция резко меняется только при приближении напряженности магнитного поля к коэрцитивной силе.
Их кривая намагничивания (петля гистерезиса) выглядит примерно так
Они могут намагничены в любом из двух направлений и сохраняют это состояние сколь угодно долго, пока не подвергаются воздействию достаточно сильного магнитного поля.
Отношение Br к Hc соответствует довольно высокой магнитной проницаемости, порядка 1000. Это необходимо, чтобы на поведение устройств на таких материалах слабо влияли магнитные эффекты через окружающий воздух. Hc - десятки-сотни ампер на метр, Br - обычно 0.15-0.2 тесла.
Перемагничивание на пологих ветвях идет быстро, т.к. "магнитики" (домены) лишь незначительно меняют свое состояние, а на крутых - медленнее в несколько раз, т.к. домены меняют направление намагниченности на противоположное, а это процесс инерционный.
Наиболее распространена была память на магнитных кольцах на совпадении токов (или 3D - от 3 dimensions, т.е. трехмерная).
Фрагмент этой памяти устроен примерно так
(взято отсюда, здесь же много фото реальных устройств https://hodor.lol/post/63978/ )
Принцип действия: на одну из шин X и одну из шин Y подаются "полутоки", не вызывающие перемагничивания сердечников. Только в одном сердечнике они совпадают, и если в нем была записана единица, он перемагничивается из состояния 1 в состояние 0, давая на считывающем проводе импульс напряжения. Считывание разрушающее, после считывания сердечник оказывается в состоянии 0 независимо от того, в каком был раньше. Поэтому необходимо восстановление информации путем записи. При записи в те же шины подаются "полутоки" направления, противоположного тому, что при считывании, и в выбранный сердечник записывается 1. Если же в него должен быть записан 0, на провод считывания подается импульс запрета - полуток направления, противоположного токам записи, сердечник остается в состоянии 0. Все невыбранные сердечники подвергаются воздействию только полутока (или двух вычитающихся полутоков, т.е. близкого к нулю тока) и не меняют свое состояние.
Видим, что полный цикл обращения должен состоять из чтения и записи, даже если требуется только чтение или только запись. Если только чтение - после чтения необходимо восстановить информацию. Если только запись - перед ней надо перевести сердечник в нулевое состояние чтением.
Рамки (фрагмент одной из них показан на рисунке выше, обычно они размером 64*64, т.е. на 4096 сердечников) собираются в стопку по числу бит в слове (каждая рамка относится к одному биту), и одноименные провода выборки всех рамок соединяются последовательно. Получается блок формы, близкой к кубической, почему он и называется "куб памяти".
Фото небольшой части рамки (в увеличенном виде)
На куб памяти 4096 слов х 50 бит (примерно 200 тысяч сердечников) приходятся 50 усилителей считывания, 50 формирователей разрядных токов, 128 формирователей адресных токов, то есть один усилитель или формирователь примерно на 1000 бит данных.
Адресные и разрядные токи - порядка 0.5 ампера, сигнал считываемой единицы десятки милливольт (чем мельче сердечники, тем меньше).
Формирователи должны поддерживать ток с точностью в единицы процентов, причем фронты также должны быть определенной длительности. Это не просто ключ на одном транзисторе, а более сложная схема.
Считывание сопровождалось большой помехой, т.к. выбранный сердечник один, а полувыбранных много (126 при матрице 64*64), и каждый дает помеху. Помеха раньше сигнала, на осциллографе сигнал на входе усилителя считывания - большая помеха и пупырышек сигнала единицы на ее хвосте. Поэтому использовалась селекция по времени - сигнал воспринимается только тогда, когда помеха уже затухла.
Первоначально использовались сердечники внешним диаметром 2 мм, постепенно уменьшились до 0.3-0.4 мм. Время цикла вначале было 10 мксек, постепенно сократилось до 2 мксек. Для этого пришлось увеличить в несколько раз коэрцитивную силу феррита (Hc), т.к. время перемагничивания тем меньше, чем больше превышение H над Hc, причем в абсолютных цифрах (амперах на метр), а это превышение равно примерно 0.4 Hc (при считывании полутоками, чтобы полуток не нарушил состояние невыбранных сердечника, он должен давать H около 0.7 Нс, два полутока в выбранном сердечнике дают 1.4 Нс), т.е. чем больше Hc, тем быстрее можно перемагнитить сердечник. Чтобы при этом токи не стали неприемлемо большими, уменьшали размеры сердечников.
Сердечники должны быть с весьма однородными свойствами (чтобы каждый не перемагничивался полутоком, но перемагничивался за нужное время полным током), значительная часть изготовленных сердечников браковалась. Поскольку параметры сердечников зависят от температуры, температура блока памяти должна быть довольно стабильной. Термостатирование не требовалось, но помещение было кондиционированным.
Первые кольцевые сердечники с ППГ были довольно низкого качества. Они применялись в другой схеме (2D, т.е. два измерения). На линии Y при записи подаются полные токи выборки, а линии X используются как провод считывания. При этом выбираются все сердечники на одной линии Y. Запись - полутоками, полуток на линию Y и на те линии X, где надо записать единицу, также полуток. При этом использовались два сердечника на бит (1 писалось как 1 в первый и 0 во второй, 0 - наоборот). Сигналы с них включались встречно, т.е. чтение 1 - импульс положительной полярности, чтение 0 - отрицательной (при этом помеха вычиталась из сигнала, т.е. была допустима довольно большая помеха, лишь бы в разы меньше сигнала). Это позволило сделать надежно работающую память на ранних, не очень качественных сердечниках и не очень точных формирователях. В частности, такая память применялась в БЭСМ (это была вообще первая ферритовая память в СССР).
Чтобы не делать огромное количество формирователей адресных токов (по одному на каждое слово), в 2D памяти применялись схемы формирования адресных токов на сердечниках с ППГ (гораздо большего размера, чем те, что в памяти), работавшие по принципу совпадения токов. У каждого сердечника - 4 обмотки, две входных, подмагничивания и выходная. На обмотку подмагничивания подавался постоянный ток, такой же как на входную обмотку. Если импульс тока поступает только на одну обмотку, сердечник не перемагничивается и выходного импульса нет. Он есть только если импульс тока поступает на обе входных обмотки, причем при подаче импульсов тока на выходе формируется импульс одной полярности (ток чтения), а при снятии другой (полуток записи). Такая память получила название "тип Z" - токи X и Y поступают на схемы формирования, а к ним "по координате Z" подключены сердечники собственно памяти. Правда, физически это были все те же плоские рамки, с одной стороны которых размещены трансформаторы формирователей.
Программируемый компьютер состоит из следующих устройств:
- процессор
- память (общая для программ и данных или отдельно программ, отдельно данных)
- внешние устройства (ввода, вывода, внешняя память, например, на магнитных барабанах и лентах).
Процессор, в свою очередь, состоит из следующих частей:
- устройство управления,
- операционное устройство (в ранних компьютерах называемое арифметическим, т.к. оно делало только арифметические операции),
- интерфейсы внешних устройств.
Работает все это следующим образом:
1. Устройство управления читает из памяти команду, подавая на интерфейс памяти команд соответствующие сигналы.
2. Затем оно ее дешифрирует - разбирается, какие действия должна сделать команда.
3. Затем подает на интерфейс памяти данных сигналы, обеспечивающие чтение операндов.
4. Затем подает на операционное устройство сигналы, обеспечивающие выполнение им именно тех действий, которые заданы командой.
5. Затем подает на интерфейс памяти данных сигналы, обеспечивающие запись результата.
6. На п.1 для выполнения следующей команды.
Команда состоит из нескольких полей - кода операции и адресов операндов.
Код операции содержит информацию, какое именно действие должна совершить данная команда.
Адреса операндов указывают, где брать операнды и куда записать результат.
Команды бывают:
- четырехадресные, содержат адреса двух операндов, результата и следующей команды (только в немногих самых ранних ЭВМ),
- трехадресные - адреса двух операндов и результата (следующая команда берется та, что лежит в памяти команд сразу за данной, если только данная команда не команда перехода, в которой адрес следующей команды указан), этот вариант был очень распространен в ранних ЭВМ,
- двухадресные - адреса первого и второго операндов, результат пишется по адресу второго операнда,
- одноадресные - адрес одного операнда, второй находится в регистре процессора, называемом "аккумулятор", результат также пишется в аккумулятор. Специальная команда записи в память также содержит один адрес, по которому пишет в память содержимое аккумулятора,
- безадресные, если операндов не нужно или их адреса подразумеваются (например, определенные регистры процессора, только с ними работает данная команда).
В ранних компьютерах, для упрощения устройства управления, все команды имели одинаковое число адресов. В более современных могут сочетаться двухадресные, одноадресные и безадресные команды.
В ранних компьютерах, в частности, всех описанных в части 4, все устройства работали под управлением устройства управления процессора. Так что когда телетайп печатает со скоростью 10 символов в секунду, ничего другого, кроме управления телетайпом, процессор не делает. Хотя за время печати одного символа мог бы выполнить сотни команд.
Интерфейсы всех внешних устройств в ранних компьютерах были уникальные, и эти устройства подключались прямо к процессору. Так что, чтобы ввести в компьютер устройство нового типа, приходилось дорабатывать процессор.
Первые советские ЭВМ.
В 1948 году (скорее всего, не без влияния информации об ЭНИАК - единственной на тот момент ЭВМ) в СССР практически одновременно и независимо начались работы по проектированию двух ЭВМ. Обе группы проектировщиков возглавляли ученые, родившиеся в 1902 году (т.е. не очень молодые, в 1948 году им было по 46 лет), оба пришли из энергетики, где потребность в большом объеме расчетов при проектировании сетей электропередач была велика, Серей Алексеевич Лебедев и Исаак Семенович Брук.
МЭСМ
https://ru.wikipedia.org/wiki/МЭСМ
Коллектив, проектировавший в Киеве МЭСМ, возглавил С.А. Лебедев. Разрабатывалась в 1948-1951 годах, в конце 1951 года принята в эксплуатацию, работала до 1957 года, потом передана в Киевский политехнический институт для учебных целей. Но там, скорее всего, ее не смогли запустить (эксплуатация первых ЭВМ требовала специалистов высокой квалификации) и в 1959 году списали.
Первоначально МЭСМ создавалась как макет и ее название расшифровывалось как "Макет Электронно-Счетной Машины". Лишь в процессе работ было решено довести ее до работоспособности в комплексе и название стало расшифровываться как "Малая Электронно-Счетная Машина" (предполагалось, что проверенные на ней идеи лягут в основу БЭСМ - "Большой Электронно-Счетной Машины").
Основные параметры МЭСМ:
6000 ламп (3500 двойных триодов, 2500 двойных диодов), многовато для малой машины. Основные архитектурные решения ее характерны для больших машин, например, арифметическое устройство параллельного действия, чем и объясняются большие затраты аппаратуры. Понятно - макетировалась большая быстрая машина.
Тактовая частота 5 килогерц. Почему так мало? (напомню, что ЭНИАК работал на 100 кГц) - потому что пофиг, для макета сойдет.
Машина двоичная.
Память программ и данных раздельная, на лампах. Память данных - 31 число по 17 разрядов (16 разрядов и знак), память команд - 63 команды по 20 разрядов, из них 4 - код операции (было 11 команд), 5+5 - адреса операндов, 6 - адрес результата (или перехода в команде перехода, поэтому он на 1 бит длиннее). Была и штекерная память (все те же наборные доски, что в табуляторах и памяти команд ЭНИАК) констант - те же 31 число по 17 бит для данные, 63 числа по 20 бит для команд.
Быстродействие 50 команд в секунду. Могло бы быть гораздо выше, т.к. все элементы быстрые, ламповые, но не стали в макете заморачиваться этим.
Ввод с перфокарт, вывод на печатающее устройство. Была также внешняя память на магнитном барабане (5000 чисел).
М-1, М-2, М-3.
https://ru.wikipedia.org/wiki/М-1_(электронно-вычислительная_машина)
М-1 создавалась коллективом под руководством И.С, Брука в 1950-1951 годах в Москве. При создании широко использовались детали со склада трофейной аппаратуры, в том числе купроксные (медноокисные) диодные столбики. Прямое сопротивление у них не более 5 килоом, обратное не менее 500 килоом. При таком соотношении прямого и обратного сопротивлений (1:100) можно строить логические схемы на диодах. Но были эти столбики довольно медленные, и тактовая частота ограничивалась их быстродействием.
Основные параметры М-1.
730 ламп.
Быстродействие 15-20 операций в секунду.
Двоичная, слово 25 бит. Система команд двухадресная.
Память - 256 слов на магнитном барабане ("медленная") и 256 слов на электронно-лучевых трубках ("быстрая").
Ввод - с перфоленты.
Вывод - на телетайп с рулонной бумагой.
Потребляемая мощность - 4 киловатта, очень мало для ламповой машины, обычно они потребляли десятки киловатт.
На основе опыта, полученного при разработке М-1, была сделана гораздо более совершенная М-2.
Разрабатывалась в 1952-1953 годах, работала с первой половины 1953 года.
Элементная база - 1676 ламп (плюс 203 в источниках питания, всего 1879), полупроводниковые диоды.
Слово 34 бита. Данные с фиксированной и плавающей запятой. Команды трехадресные - 4 бита код операции и по 10 бит три адреса. Команд было 30, что больше, чем допускает 4-битное поле кода операции (16), часть команд частично использовали поля адресов. Достаточно нехарактерное решение для ранних ЭВМ, в которых обычно была жесткая разбивка команды на поля.
Память - 512 слов на магнитном барабане ("медленная") и 512 слов на электронно-лучевых трубках ("быстрая").
Быстродействие 2000 операций в секунду (при командах и данных в "быстрой" памяти), очень приличное по тем временам.
Эксплуатировалась в течение 15 лет.
Затем была сделана М-3, разработка ее была начата почти одновременно с М-2, но продлилась гораздо дольше, сдана в 1956 году (это была инициативная разработка, не включенная ни в какие планы).
Основные параметры М-3:
774 лампы.
Потребляемая мощность 10 киловатт.
Память 1024 слова ( данные 30 бит с фиксированной точкой, команда двухадресная, каждый адрес 12 бит, код операции 6 бит), на магнитном барабане или ферритах.
Быстродействие при ферритовой памяти 1000 оп/сек, при памяти на магнитном барабане 30 оп/сек.
Техническая документация на М-3 была передана в Китай и Венгрию, где по ней собрали по одной ЭВМ.
Серийно М-3 выпускалась на минском заводе, в 1959-1960 годах выпущено 16 машин с памятью на барабане и 10 с ферритовой памятью.
Остается добавить, что под началом И.С. Брука работали Б.И. Рамеев, впоследствии главный конструктор серии ЭВМ "Урал" https://ru.wikipedia.org/wiki/Рамеев,_Башир_Искандарович и М.А. Карцев, впоследствии главный конструктор целого ряда ЭВМ военного назначения https://ru.wikipedia.org/wiki/Карцев,_Михаил_Александрович .
Еще до окончания работ над МЭСМ, когда стало ясно - это будет реализовано, были начаты работы по проектированию БЭСМ в ИТМ и ВТ под руководством С.А. Лебедева и "Стрелы" в СКБ-245 под руководством Ю.Я. Базилевского.
БЭСМ Академии Наук СССР (впоследствии БЭСМ-1).
https://ru.wikipedia.org/wiki/БЭСМ
Разработка БЭСМ завершена осенью 1952 года. Надо сказать, что хотя разработка БЭСМ велась очень талантливым коллективом во главе с С.А.Лебедевым и результаты были очень хорошие, БЭСМ (разрабатывавшаяся по линии АН СССР) была "на вторых ролях" по сравнению со "Стрелой" (разрабатывавшейся по линии военных). Так, чтобы укомплектовать БЭСМ лампами, В.С,Бурцев (тогда молодой специалист, в будущем директор ИТМ и ВТ) договорился с одним из московских радиоламповых заводов об использовании БЭСМ как стенда, на котором лампы будут проходить тренировку после изготовления. БЭСМ, в отличие от "Стрелы", далеко не сразу получила электронно-лучевые трубки (потенциалоскопы) для памяти, и с 1953 по начало 1955 года в качестве памяти использовались ртутные линии задержки, что снижало быстродействие в 4-5 раз (то есть до того же уровня, что у "Стрелы" с быстрой памятью на потенциалоскопах).
Монтировалась БЭСМ в подвале ИТМ и ВТ, там впоследствии была столовая, так что все сотрудники ИТМ и ВТ бывали в этом историческом месте (впрочем, никаких следов "историчности" там не было). При первом же пуске БЭСМ (потреблявшей 30 киловатт) в подвале стало так жарко, что в нем невозможно было находиться. Пришлось срочно оборудовать мощную вентиляцию. Надо сказать, то же было при первом пуске МЭСМ (тогда проблему решили удалением части потолка, что усилило естественную вентиляцию, теплый воздух стал уходить на второй этаж). Отсюда печальный вывод - талантов человечества хватает только на то, чтобы не наступать трижды на одни грабли, а чтобы не наступать дважды - далеко не всегда.
Основные параметры БЭСМ:
Около 5000 ламп (меньше, чем в МЭСМ, впрочем, у МЭСМ память была на лампах).
Быстродействие 8-10 тысяч оп/сек.
Слово длиной 39 бит - данные с плавающей точкой, 1 бит знак, 6 бит порядок, 32 бита мантисса, команда трехадресная, 6 бит код операции и 3 адреса по 11 бит.
Память - вначале на ртутных линиях задержки (1024 слова), с 1955 г. на потенциалоскопах (1024 слова), с 1957 г. на ферритах (2048 слов).
Внешние устройства - два магнитных барабана по 5120 слов, 4 накопителя на магнитных лентах по 30 тысяч слов.
Ввод с перфолент, вывод на печатающие устройства (обычное и более быстрое, печатавшее фотоспособом).
Потребляемая мощность 30 кВт (без системы охлаждения), занимаемая площадь около 100 кв.м.
Поскольку индекс-регистров в БЭСМ не было, для обращения к массивам применялась модификация команд, к команде прибавлялось значение, обеспечивавшее увеличение соответствующего адреса или адресов. Это довольно типично для ранних ЭВМ.
Остается добавить, что из-за затянувшейся отладки М-20 БЭСМ пережила "второе рождение". Она была в 1957 г. переконструирована - конструкция стала мелкоблочной, что резко ускоряло ремонт - он осуществлялся заменой блоков (получивших название ТЭЗ - Типовые Элементы Замены), это стало общепринятым в ЭВМ. Были также заменены ламповые диоды на полупроводниковые Д2Ж. В током виде БЭСМ стала называться БЭСМ-2 и выпускалась серийно в 1958-1962 годах, выпущено 67 машин.
Стрела.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Стрела_(электронно-вычислительная_машина)
http://www.computer-museum.ru/histussr/strela0.htm
Разрабатывалась одновременно с БЭСМ. Год окончания разработки - 1953, с 1953 по 1956 г. выпущено 7 серийных экземпляров (всего, считая предсерийный, 8).
6200 ламп, 60 тысяч полупроводниковых диодов.
Быстродействие 2000 оп/сек.
Память - слово 43 бита, 35 мантисса, 7 порядок, 1 знак, команда трехадресная, адрес 12 бит, причем при старшем бите адреса 0 обращение в оперативную память, а при 1 к внешним устройствам или в диодное ПЗУ. Объем оперативной памяти 2048 чисел на электронно-лучевых трубках, цикл обращения 20 мксек. Имелось также диодное ПЗУ для типовых программ и констант. Внешняя память - а накопителя на магнитной ленте, магнитный барабан на 4096 слов.
Ввод данных - с перфокарт, вывод на печатающее устройство с широкой печатью (АЦПУ) и перфокарты.
Потребляемая мощность - 150 кВт, из них процессор 75 кВт.
Занимаемая площадь - 300 кв.м., из них 150 процессор.
В 1961 году выпущена (в единственном экземпляре) "Стрела-М" с памятью 4096 слов и быстродействием 20 тыс оп/сек.
Ну а теперь - несколько "лирических отступлений".
Персоналии.
Сергей Алексеевич Лебедев (1902-1974) https://ru.wikipedia.org/wiki/Лебедев,_Сергей_Алексеевич
Его роль в создании и развитии вычислительной техники неоценима. Непосредственно он возглавлял создание только МЭСМ и БЭСМ, после чего с 1952 г., став директором ИТМ и ВТ, осуществлял общее руководство созданием всех разработанных в ИТМ и ВТ вычислительных машин. В ИТМ и ВТ он пользовался огромным уважением и непререкаемым авторитетом.
Был он решительным противником копирования IBM-360 (ЕС ЭВМ), но его, к сожалению, не послушали.
Первоначально это копирование хотели поручить ИТМ и ВТ, но Лебедев решительно отказался, и его в этом поддержало все руководство ИТМ и ВТ. В результате это было поручено НИЭМ (преемнику СКБ-245, после "Стрелы" ничем особенно не отличившемся), на базе которого был создан НИЦЭВТ.
Жаль, что он умер в 1974 году. Поживи он подольше, не было бы свары между "БЭСМовцами" (Мельников) и "эльбрусовцами" (Бурцев), в результате ИТМ и ВТ покинул Мельников, и последовавшей за ней свары "эльбрусовцев" между Бурцевым и Бабаяном, в результате ушел Бурцев. Свары эти были связаны с вопросом, кто первый в ИТМ и ВТ. При живом Лебедеве этого быть не могло, все знали, что первый Лебедев. А так от этих свар сильно дело пострадало.
Элементы.
Точечный полупроводниковый диод.
Этот диод представляет собой пластинку полупроводника (германий или кремний), к которой прижат кончик металлической иглы. Для стабилизации характеристик подвергается формовке - подачи импульса тока, в результате чего конец иглы сваривается с полупроводником и образуется P-N переход. Вся конструкция заключена в герметичный корпус, обычно металло-стеклянный или стеклянный. Эти диоды бывают высоковольтные (100-150 вольт предельное обратное напряжение) для использования в ламповой аппаратуре и низковольтные (10-30 вольт) для использования с транзисторами. Большое обратное сопротивление высоковольтных диодов (не менее 250 килоом) и низкое прямое (десятки-сотни ом) обеспечивают их хорошую работу в логических схемах. Быстродействие вполне достаточное для ламповых схем.
Точечные диоды, миниатюрные, надежные, долговечные, не потребляющие энергии от источника питания, в отличие от ламповых (у которых на накал идет 1 ватт), производились на Западе с конца 1940-г годов, в СССР с начала 1950-х. Они сразу же нашли применение в ЭВМ, и позволили значительно улучшить их характеристики. Ламповые диоды приходилось экономить, и многое в самых ранних ЭВМ делалось из-за этого "на эффектах" различного сорта (что снижало и логические возможности, и скорость). Полупроводниковые диоды позволили широко применять собранную на диодах логику.
Параметры, внешний вид и другую информацию о типичных точечных диодах Д2 можно посмотреть здесь http://155la3.ru/d2.htm
К соответствующей статье википедии обращаться не рекомендую, в ней много неточностей.
Память.
В ранних ЭВМ применялись устройства памяти на ртутных линиях задержки и электронно-лучевых трубках, со второй половины 1050-х годов заменявшиеся более совершенной памятью на ферритовых кольцевых сердечниках с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ).
Подробно ознакомиться с их принципом действия можно по:
Крайзмер Л.П. Запоминающие устройства (2-е издание). (1965)
http://publ.lib.ru/ARCHIVES/M/''Massovaya_radiobiblioteka''/_''Massovaya_radiobiblioteka''_0500-0599_.html#0571
http://publ.lib.ru/ARCHIVES/M/''Massovaya_radiobiblioteka''/''Massovaya_radiobiblioteka'',v.0571.(1965).[djv-fax].zip
Майоров Ф.В. Электронные цифровые вычислительные устройства. (1957)
http://publ.lib.ru/ARCHIVES/M/''Massovaya_radiobiblioteka''/_''Massovaya_radiobiblioteka''_0200-0299_.html#0285
http://publ.lib.ru/ARCHIVES/M/''Massovaya_radiobiblioteka''/''Massovaya_radiobiblioteka'',v.0285.(1957).[djv-fax].zip
Принцип действия памяти на ртутных линиях задержки изложен мною ранее, в ч.4. http://pogorily.livejournal.com/187474.html
Очень кратко изложу принцип действия памяти на электронно-лучевых трубках. (Подробнее см. по ссылкам выше.)
На экране трубки образуются участки, соответствующие отдельным битам. Каждый такой участок может быть либо разряжен, либо заряжен. К лицевой стороне экрана приклеивается (или встраивается внутрь трубки) металлическая сигнальная пластина.
Когда на участок экрана, соответствующий определенному биту, направляется электронный луч, он либо не меняет его потенциал (если участок разряжен), либо меняет (если заряжен) - это изменение через емкость между участком и сигнальной пластиной передается на сигнальную пластину и вызывает там импульс напряжения. По наличию или отсутствию этого импульса и определяют, что считывается - 0 или 1. Считывание разряжает участок, поэтому необходима регенерация - повторный его заряд. Кроме того, есть небольшие токи утечки, и поэтому информацию во всех участках надо периодически (раз в несколько десятков миллисекунд) регенерировать.
На одной трубке можно сделать память 1024-2048 бит, с временем цикла 20-25 микросекунд. Обычно ставилось столько трубок, сколько бит в слове, поэтому одновременно считывается все слово.
Были и трубки с выбором элемента памяти не путем направления на него сфокусированного электронного луча, а другим способом - селектроны.
В селектроне вместо узкого электронного луча широкий поток электронов, он облучает всю область хранения данных. Имеется сетка из вертикальных и горизонтальных проволочек, делящая область хранения на ячейки. На каждой проволочку может быть подано положительное или отрицательное напряжение. Электроны попадают только на ту ячейку, вокруг которой все 4 проволочки с положительным напряжением, иначе "побеждают" те, на которых напряжение отрицательное, и электроны отталкиваются. За счет соединения линий сетки в нужном порядке количество выводов от них сокращается до 4*корень четвертой степени(N), где N - число бит памяти. В селектронах на 4096 бит - 32 вывода от линий сетки.
В остальном принцип действия совпадает с теми трубками, что с узким сфокусированным лучом.
Подробнее см. https://en.wikipedia.org/wiki/Selectron_tube (английский) или Крайзмер Л.П. "Запоминающие устройства" (ссылка приведена выше).
Сколько-нибудь широкого распространения селектроны не получили, хотя как минимум в двух типах ЭВМ США применялись.
Такая память имела достоинство - возможность (в отличие от ультразвуковых линий задержки) произвольного обращения к любому слову с одинаковым небольшим временем доступа, и целый ряд недостатков. Необходимость регенерации информации, большие размеры, хрупкость и малая долговечность (1000-2000 часов) трубок, необходимость очень жесткой стабилизации их режима и очень точной генерации отклоняющих напряжений (чтобы луч попадал именно куда надо, а не между битами или на соседний бит). Поэтому она была вытеснена памятью на кольцевых ферритовых сердечниках с ППГ практически сразу как та появилась.
Память на на кольцевых ферритовых сердечниках с ППГ.
Предварительная информация. Магнитные явления.
Магнитное поле характеризуется двумя величинами.
Напряженность магнитного поля (H) - определяется током. В системе СИ выражается в амперах на метр. Один ампер на метр - такое значение H, которое создается током в один ампер, проходящим по центру кольцевого сердечника окружностью в 1 метр (т.е. диаметром около 30 см).
Магнитный поток (Ф) - изменение его вызывает появление напряжения в проводниках. Измеряется в веберах. Изменение на 1 вебер в секунду создает в контуре напряжение в 1 вольт.
Магнитная индукция (B) - отношение потока к площади. Измеряется в тесла. 1 тесла - это 1 вебер на квадратный метр.
Индукция всегда создается напряженностью поля. В вакууме они строго пропорциональны, связаны через магнитную постоянную, равную u0=4*пи()*(10 в степени минус 7). Такое "красивое" значение u0 связано с тем, что сила тока в 1 ампер определяется через магнитное поле.
B=u0*H.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Магнитная_постоянная
У магнитных материалов индукция больше, чем у вакуума. Какая индукция в них возникает, определяется свойствами материала и выражается через магнитную проницаемость (относительную величину, показывающую, во сколько раз при том же значении H индукция больше чем в вакууме). Проницаемость зависит от напряженности поля, т.е. зависимость B от H нелинейная, нередко резко нелинейная.
Такое поведение магнитных материалов - потому, что в них есть "магнитики" (в конечном счете потому, что у элементарных частиц есть магнитный момент) и эти "магнитики" во внешнем магнитном поле ориентируются, добавляя свое поле к внешнему.
Лучшее известное мне описание магнетизма (на английском) http://www.ti.com/lit/ml/slup123/slup123.pdf Рекомендую. Очень четко, внятно и по делу изложено.
Ферриты - это соединения окислов двухвалентных металлов с окисью трехвалентного железа. Все они изготовляются как керамика, прессование пластичного исходного материала - смеси окислов с пластификатором - в формы, с последующим обжигом при высокой температуре (чаще в два этапа - сначала обжигают смесь окислов и солей, получая нужный феррит, потом его размалывают, смешивают с пластификатором, прессуют в изделия нужной формы и опять обжигают) . При обжиге происходит усадка, на 20-30% по линейным размерам, как у любой керамики. И по механическим свойствам это типичная керамика, твердая и хрупкая.
Ферриты обладают ярко выраженными магнитными свойствами, в зависимости от состава эти свойства разные. Есть магнитно-твердые ферриты, с большой коэрцитивной силой, они используются как магниты. Есть магнитно-мягкие ферриты, используемые в трансформаторах, дросселях, магнитных антеннах. И есть ферриты с ППГ, у которых коэрцитивная сила невелика, но индукция резко меняется только при приближении напряженности магнитного поля к коэрцитивной силе.
Их кривая намагничивания (петля гистерезиса) выглядит примерно так
Они могут намагничены в любом из двух направлений и сохраняют это состояние сколь угодно долго, пока не подвергаются воздействию достаточно сильного магнитного поля.
Отношение Br к Hc соответствует довольно высокой магнитной проницаемости, порядка 1000. Это необходимо, чтобы на поведение устройств на таких материалах слабо влияли магнитные эффекты через окружающий воздух. Hc - десятки-сотни ампер на метр, Br - обычно 0.15-0.2 тесла.
Перемагничивание на пологих ветвях идет быстро, т.к. "магнитики" (домены) лишь незначительно меняют свое состояние, а на крутых - медленнее в несколько раз, т.к. домены меняют направление намагниченности на противоположное, а это процесс инерционный.
Наиболее распространена была память на магнитных кольцах на совпадении токов (или 3D - от 3 dimensions, т.е. трехмерная).
Фрагмент этой памяти устроен примерно так
(взято отсюда, здесь же много фото реальных устройств https://hodor.lol/post/63978/ )
Принцип действия: на одну из шин X и одну из шин Y подаются "полутоки", не вызывающие перемагничивания сердечников. Только в одном сердечнике они совпадают, и если в нем была записана единица, он перемагничивается из состояния 1 в состояние 0, давая на считывающем проводе импульс напряжения. Считывание разрушающее, после считывания сердечник оказывается в состоянии 0 независимо от того, в каком был раньше. Поэтому необходимо восстановление информации путем записи. При записи в те же шины подаются "полутоки" направления, противоположного тому, что при считывании, и в выбранный сердечник записывается 1. Если же в него должен быть записан 0, на провод считывания подается импульс запрета - полуток направления, противоположного токам записи, сердечник остается в состоянии 0. Все невыбранные сердечники подвергаются воздействию только полутока (или двух вычитающихся полутоков, т.е. близкого к нулю тока) и не меняют свое состояние.
Видим, что полный цикл обращения должен состоять из чтения и записи, даже если требуется только чтение или только запись. Если только чтение - после чтения необходимо восстановить информацию. Если только запись - перед ней надо перевести сердечник в нулевое состояние чтением.
Рамки (фрагмент одной из них показан на рисунке выше, обычно они размером 64*64, т.е. на 4096 сердечников) собираются в стопку по числу бит в слове (каждая рамка относится к одному биту), и одноименные провода выборки всех рамок соединяются последовательно. Получается блок формы, близкой к кубической, почему он и называется "куб памяти".
Фото небольшой части рамки (в увеличенном виде)
На куб памяти 4096 слов х 50 бит (примерно 200 тысяч сердечников) приходятся 50 усилителей считывания, 50 формирователей разрядных токов, 128 формирователей адресных токов, то есть один усилитель или формирователь примерно на 1000 бит данных.
Адресные и разрядные токи - порядка 0.5 ампера, сигнал считываемой единицы десятки милливольт (чем мельче сердечники, тем меньше).
Формирователи должны поддерживать ток с точностью в единицы процентов, причем фронты также должны быть определенной длительности. Это не просто ключ на одном транзисторе, а более сложная схема.
Считывание сопровождалось большой помехой, т.к. выбранный сердечник один, а полувыбранных много (126 при матрице 64*64), и каждый дает помеху. Помеха раньше сигнала, на осциллографе сигнал на входе усилителя считывания - большая помеха и пупырышек сигнала единицы на ее хвосте. Поэтому использовалась селекция по времени - сигнал воспринимается только тогда, когда помеха уже затухла.
Первоначально использовались сердечники внешним диаметром 2 мм, постепенно уменьшились до 0.3-0.4 мм. Время цикла вначале было 10 мксек, постепенно сократилось до 2 мксек. Для этого пришлось увеличить в несколько раз коэрцитивную силу феррита (Hc), т.к. время перемагничивания тем меньше, чем больше превышение H над Hc, причем в абсолютных цифрах (амперах на метр), а это превышение равно примерно 0.4 Hc (при считывании полутоками, чтобы полуток не нарушил состояние невыбранных сердечника, он должен давать H около 0.7 Нс, два полутока в выбранном сердечнике дают 1.4 Нс), т.е. чем больше Hc, тем быстрее можно перемагнитить сердечник. Чтобы при этом токи не стали неприемлемо большими, уменьшали размеры сердечников.
Сердечники должны быть с весьма однородными свойствами (чтобы каждый не перемагничивался полутоком, но перемагничивался за нужное время полным током), значительная часть изготовленных сердечников браковалась. Поскольку параметры сердечников зависят от температуры, температура блока памяти должна быть довольно стабильной. Термостатирование не требовалось, но помещение было кондиционированным.
Первые кольцевые сердечники с ППГ были довольно низкого качества. Они применялись в другой схеме (2D, т.е. два измерения). На линии Y при записи подаются полные токи выборки, а линии X используются как провод считывания. При этом выбираются все сердечники на одной линии Y. Запись - полутоками, полуток на линию Y и на те линии X, где надо записать единицу, также полуток. При этом использовались два сердечника на бит (1 писалось как 1 в первый и 0 во второй, 0 - наоборот). Сигналы с них включались встречно, т.е. чтение 1 - импульс положительной полярности, чтение 0 - отрицательной (при этом помеха вычиталась из сигнала, т.е. была допустима довольно большая помеха, лишь бы в разы меньше сигнала). Это позволило сделать надежно работающую память на ранних, не очень качественных сердечниках и не очень точных формирователях. В частности, такая память применялась в БЭСМ (это была вообще первая ферритовая память в СССР).
Чтобы не делать огромное количество формирователей адресных токов (по одному на каждое слово), в 2D памяти применялись схемы формирования адресных токов на сердечниках с ППГ (гораздо большего размера, чем те, что в памяти), работавшие по принципу совпадения токов. У каждого сердечника - 4 обмотки, две входных, подмагничивания и выходная. На обмотку подмагничивания подавался постоянный ток, такой же как на входную обмотку. Если импульс тока поступает только на одну обмотку, сердечник не перемагничивается и выходного импульса нет. Он есть только если импульс тока поступает на обе входных обмотки, причем при подаче импульсов тока на выходе формируется импульс одной полярности (ток чтения), а при снятии другой (полуток записи). Такая память получила название "тип Z" - токи X и Y поступают на схемы формирования, а к ним "по координате Z" подключены сердечники собственно памяти. Правда, физически это были все те же плоские рамки, с одной стороны которых размещены трансформаторы формирователей.