ДРТЕ Компьютер

Компьютер DRTE представлял собой транзисторный компьютер , созданный в Исследовательском институте оборонных исследований (DRTE), входящем в состав Канадского совета оборонных исследований . Это была одна из первых полностью транзисторных машин, созданная в виде прототипа в 1957 году и полностью разработанная в 1960 году. Хотя характеристики были довольно хорошими, равными характеристикам современных машин, таких как PDP-1 , ни один коммерческий поставщик так и не взялся за эту конструкцию, и единственная потенциальная продажа Тихоокеанским военно-морским лабораториям ВМС Канады провалилась. В настоящее время машина является частью канадской национальной коллекции науки и техники, расположенной в Канадском музее науки и технологий .

Транзисторные исследования

В начале 1950-х годов транзисторы еще не заменили электронные лампы в большинстве электронных устройств. Фактические характеристики ламп сильно различались от трубки к трубке даже одной и той же модели. Инженеры разработали методы, гарантирующие, что вся схема не будет слишком чувствительна к этим изменениям, чтобы их можно было заменить, не вызывая проблем. Те же самые методы еще не были разработаны для систем на основе транзисторов, они были просто слишком новыми. В то время как меньшие схемы можно было «настроить вручную» для работы, более крупные системы, использующие много транзисторов, не были хорошо изучены. В то же время транзисторы все еще были дорогими; лампа стоила около 0,75 доллара, а аналогичный транзистор — около 8 долларов. Это ограничивало количество экспериментов, которые могли провести большинство компаний.

Первоначально DRTE была создана для улучшения систем связи , и с этой целью они начали исследовательскую программу по использованию транзисторов в сложных схемах в новой лаборатории электроники под руководством Нормана Муди . Между 1950 и 1960 годами Лаборатория электроники стала крупным центром передового опыта в области транзисторов, а благодаря информационно-просветительской программе Комитет по исследованиям и разработкам электронных компонентов смог передать свои знания приглашенным инженерам из крупных канадских фирм по производству электроники, которые входили в область транзисторов.

Ключевым событием, которое в конечном итоге привело к созданию компьютера, стало изобретение Муди нового типа триггерной схемы, ключевого компонента всех компьютерных систем. В конструкции Moody's использовалось соединение PNPN , состоящее из транзисторов PNP и NPN, соединенных друг с другом. В большинстве машин той эпохи использовались шлепанцы Экклса-Джордана; Первоначально это была концепция ламп, которая использовалась путем замены ламп транзисторами. Схема PNPN обеспечивала гораздо более высокую выходную мощность, что позволяло ей управлять большим количеством «нисходящих» цепей без дополнительных усилителей. Общий эффект заключался в сокращении, иногда значительном, общего количества транзисторов, необходимых для реализации цифровой схемы. Муди опубликовал свою схему в 1956 году.

Один недостаток, который стал понятен только позже, заключается в том, что ток, потребляемый триггерами Moody's, не был сбалансирован, поэтому хранение в них разных чисел могло привести к совершенно разным потребностям в токе источника питания. Обычно такого рода изменения нагрузки следует избегать, когда это возможно, чтобы уменьшить шум, возникающий при увеличении или уменьшении потребляемой мощности. При очень низких уровнях мощности, например в компьютере, эти импульсы шума могут быть столь же мощными, как и сами сигналы.

Компьютер

Хотя, похоже, это никогда не было официальной рекомендацией, к середине 1950-х годов DRTE решило, что лучший способ действительно разработать транзисторные методы в сложной системе — это построить компьютер. В то время это было не то, что им нужно было для собственного использования, это был просто пример чрезвычайно сложной системы, которая могла бы проверить их возможности, как это могли сделать немногие другие системы. Но по мере продолжения разработки многие инженеры, участвовавшие в разработке, стали больше интересоваться компьютерным дизайном, чем электроникой. Это выходило за рамки устава DRTE и в конечном итоге стало источником разногласий между группой и DRB, который их финансировал.

Примерно начиная с 1955 года Дэвид Флорида руководил разработкой компьютера, использующего триггерную конструкцию Moody's. Он изучил существующие конструкции компьютеров и пришел к выводу, что основное ограничение сложности компьютера во многом связано со скоростью перегорания ламп; более мощная конструкция требовала большего количества ламп, что означало более частые перегорания. Хотя было построено несколько по-настоящему массивных машин, таких как SAGE , большинство машин были намного меньше, чтобы увеличить время безотказной работы. В транзисторах это ограничение было снято; можно было построить более сложные машины с небольшим влиянием на надежность, если можно было заплатить цену за большее количество транзисторов. Поскольку цены на транзисторы постоянно падали, конструкция Флориды включала в себя все функции, которые, по его мнению, могли бы быть полезны в научной машине.

В частности, конструкция в конечном итоге включала ряд подсистем ввода/вывода , аппаратный двоично-десятичный преобразователь, аппаратное обеспечение с плавающей запятой , включая функцию квадратного корня, ряд инструкций цикла и индексные регистры для их поддержки, а также использовало сложный трехадресный формат инструкций . Трехадресная система означала, что каждая инструкция включала адрес до двух операндов и результат. В системе не было аккумулятора, результаты всех операций записывались обратно в основную память. Это было желательно в то время, когда компьютерная память в целом была сравнима по скорости с процессорами (сегодня память намного медленнее процессоров).

Дизайн процессора

Флорида ранее работал с командой, создавшей Manchester Mark 1 , и, следуя их примеру, он разработал машину DRTE с 40-битными словами. Инструкция была разбита на четыре 10-битные части: инструкцию и три 10-битных адреса. Это позволило получить общий размер основной памяти 2 ^ 10 = 1024 40-битных слова или 40 КБ в современной терминологии. В целых числах использовалось 39 бит и один бит для знака, в то время как числа с плавающей запятой имели 8-битную экспоненту с одним битом для знака и 32-битную мантиссу с одним битом для знака. Флорида считала, что формат трехадресных инструкций, включающий адреса двух параметров и результата, сделает программирование проще, чем система на основе регистров.

Экспериментальная версия машины состояла из базового математического блока и устройства обработки памяти. Строительство всей системы началось в 1958 году и было завершено в 1960 году. Машина работала на частоте 5 микросекунд за цикл, или 200 кГц, что было вполне конкурентоспособно для машины того времени. Сложение с плавающей запятой занимало от 50 до 365 микросекунд (мкс). Самые длинные инструкции — деление или квадратный корень — занимали 5,3 миллисекунды (мс) для операций с плавающей запятой. Сложение целых чисел занимало около 200 мкс, но другие операции выполнялись в подпрограммах, а не аппаратно, и занимали гораздо больше времени; Например, для целочисленного деления/извлечения квадратного корня требовалось 8,2 мс.

Система памяти

Компьютер использовал основную память для хранения всех данных, не имея «вторичных» систем, таких как барабан памяти . Обычно память машины создается путем объединения нескольких основных сборок или «плоскостей», каждая из которых содержит один бит машинного слова. Например, для 40-битного слова, как в DRTE, система будет использовать 40 плоскостей ядра. Адреса будут искаться путем перевода каждого 10-битного адреса в адрес X и Y в плоскостях; для 1024 слов в DTRE потребовалось 32×32 плоскости.

Одна из проблем с использованием ядра на машине DRTE заключалась в том, что для работы ядра требовалась довольно высокая мощность. Обеспечение такой мощности с помощью транзисторов, которые в то время были маломощными, представляло собой серьезную проблему. Хотя одним из решений, широко использовавшихся в то время, было создание сердечника из ламп, для машины DRTE это считалось еще одной проблемой при проектировании транзисторов. Окончательное решение, разработанное в первую очередь Ричардом Коббальдом, было полностью основано на транзисторах и позже запатентовано.

Еще одно усовершенствование, внесенное в их базовую конструкцию, касалось управления проводом считывания. Чтение местоположения в ядре происходит путем включения рассматриваемого адреса, как если бы вы хотели записать «1» в это местоположение. Если ядро ​​уже удерживало «1», ничего не произойдет. Однако, если ядро ​​удерживало «0», питание заставит ядро ​​изменить полярность на «1». Небольшое количество энергии, используемое для этого, приводит к выведению импульса на другой провод — линию чтения. Итак, чтобы прочитать данные, вы записываете «1» в это место. Если на линии чтения виден импульс, в котором изначально было «0», а отсутствие импульса означает, что оно содержало «1».

Одна из проблем этой системы заключается в том, что другие ядра на тех же линиях (X или Y) также будут излучать очень слабый сигнал, потенциально маскируя искомый сигнал. Традиционное решение заключалось в том, чтобы проложить линию считывания по диагонали вперед и назад через плоскость, чтобы эти меньшие сигналы нейтрализовались - положительный сигнал от одного был бы отрицательным сигналом от следующего, поскольку провод проходил через него в противоположном направлении. Однако это решение также сделало подключение ядра довольно трудным, и были проведены значительные исследования различных способов снижения стоимости подключения ядра.

В дизайне Коббалда произошло то, что в ретроспективе кажется очевидным изменением; провод считывания был пропущен через плоскости, а не по одному на плоскость. В этой системе провод считывания действительно проходил только через один набор линий питания, и проблемы «лишнего сигнала» были полностью устранены. Неудивительно, что это решение не было найдено раньше; Ядра строились по одной плоскости, а затем соединялись вместе, тогда как этот метод требовал, чтобы было построено все ядро, прежде чем можно было добавить провода чтения. Единственным существенным недостатком конструкции является то, что для ее работы требуется больше энергии.

Ввод/вывод

Устройства ввода-вывода в конструкции DRTE были чрезвычайно ограничены и состояли из Flexowriter для вывода и устройства чтения бумажной ленты со скоростью около 600 CPS для ввода. В частности, в систему был добавлен аппаратный преобразователь двоично-десятичного/десятично-двоичного числа, который был встроен в системы ввода-вывода. Это позволило наносить на бумажную ленту десятичные коды, которые незаметно конвертировались в двоичные и сохранялись в памяти во время чтения. Верно и обратное: машина позволяла снова печатать содержимое памяти прямо на ленту. Система была настроена так, что машина могла читать или записывать данные практически бесплатно; то есть система могла считывать и сохранять данные точно так же быстро, как могла их подавать бумажная лента.

Система также предлагала грубую поддержку языка ассемблера . При использовании клавиши Shift символы, вводимые в систему, представляли мнемонику вместо числовых данных, которые затем переводились по-другому. Например, буквы «АА» будут добавлять два числа с плавающей запятой, причем числа будут храниться в двух следующих десятичных адресах. Во время чтения столбец сдвига на бумажной ленте будет сигнализировать декодеру BDC игнорировать следующие коды.

Аппаратная реализация в конечном итоге оказалась антифункцией. Если предположить, что все читаемые и записываемые данные представляют собой десятичное представление двоичных данных, система имела смысл, но если данные были в какой-то другой форме, например, в более сложных кодах символов языка ассемблера, это в конечном итоге просто добавляло сложности, которые потом пришлось отключить. В конечном итоге система была удалена, когда программирование на ассемблере стало обычным явлением. Это также серьезно ограничивало типы подключаемых устройств из-за тщательной настройки скорости интерфейса.

Дальнейшее развитие и использование

Параллельный математический блок

Как только в 1957 году был завершен прототип математического модуля, был запущен новый блок, который параллельно обрабатывал целое слово. Этот новый агрегат был готов примерно в то же время, что и «полная версия» машины (1960–61 гг.), а позже был доработан в конструкции. Это увеличило скорость примерно в десять раз: например, сложение чисел с плавающей запятой улучшилось с 300 мкс до всего лишь 40, умножение с 2200 до 180 мкс, а извлечение квадратного корня с 5300 до 510 микросекунд. Целочисленная математика также была улучшена примерно в том же факторе, хотя «сложная» арифметика, такая как умножение, осталась в коде, а не в аппаратном обеспечении. С новым математическим блоком машина была быстрее, чем средняя современная система, хотя и медленнее, чем машины «высокого класса», такие как IBM 7090, примерно в два-пять раз.

Как и любая исследовательская машина, система DRTE использовалась для ряда «бытовых» вычислений, а также разработки ряда простых компьютерных игр . В их число входили «крестики-нолики» и «палач» , а также простой музыкальный генератор, который мог воспроизводить « Марш полковника Богги» , прикрепив динамик к определенному шлепанцу.

НО

В конце 1950-х годов США находились в процессе развертывания системы SAGE и заинтересовались влиянием северного сияния на работу радаров . было подписано соглашение В конечном итоге между DRB и ВВС США , согласно которому ВВС выделили два миллиона долларов на строительство центра радиолокационных исследований по образцу технологического института Массачусетского Лаборатории Линкольна , которая обеспечила большую часть технического лидерства США в области радиолокационных систем.

DRB предложил участок между пятью и шестью сотнями миль от ракетного исследовательского полигона Черчилля , который уже использовался для обширных исследований северного сияния в рамках их программы ракетной техники. Такое расположение позволит радарам напрямую измерять воздействие северного сияния на радар, отслеживая запуски ракет. место за пределами Принс-Альберта, Саскачеван В конце концов было выбрано ; Было высказано предположение, что это произошло из-за того, что это была домашняя поездка премьер-министра Джона Дифенбейкера . Новый объект был открыт в июне 1959 года и известен как Радарная лаборатория принца Альберта или PARL .

Чтобы быстро записывать данные во время тестовых запусков, DRTE создала специальную систему, известную как DAR , цифровой анализатор и регистратор . DAR был довольно высокоприоритетным проектом, и вместо этого часть рабочей силы, первоначально работавшей над компьютером DRTE, была направлена ​​​​на DAR. Сама машина состояла из непрограммируемого компьютера, который считывал данные в 40 000 бит основной памяти, помечал их временным кодом и другой информацией, а затем записывал на магнитную ленту . ДАР использовался несколько лет, и его пришлось восстанавливать после пожара 1962 года.

Жаворонок

В 1958 году DRB направил НАСА Земли предложение запустить «верхний зонд», который будет проводить измерения ионосферы из космоса. В то время это была очень важная тема; DRB проводил крупную программу исследований ионосферы с целью создания системы связи на очень большие расстояния (которая позже будет использоваться на линиях Mid-Canada Line и DEW Line ). Различные агентства США, комментировавшие систему, крайне скептически отнеслись к тому, что DRB сможет создать такое устройство, но предложили сделать это в любом случае в качестве резервной копии их собственной, гораздо более простой конструкции. В конце концов, разработка американской модели столкнулась с длительными задержками, и в 1962 году была выпущена «слишком продвинутая» канадская модель под названием Alouette I.

Пока проектировался Alouette, главный вопрос о сроке службы солнечных элементов, питающих систему, пришлось решать на компьютере DRTE. Они разработали программу, которая моделировала эффекты прецессии на орбите спутника, и использовали эту информацию для расчета процента времени, в течение которого на него падал солнечный свет. Результат доказал, что мощности системы будет более чем достаточно. Хотя срок службы Alouette I был рассчитан всего на один год, в конечном итоге он проработал десять лет, прежде чем его отключили.

Компьютер также использовался для генерации команд отслеживания для антенны приемника в Оттаве, которая загружала данные из Alouette. Антенна не могла отслеживаться «прямо вверх», и ее приходилось поворачивать на 180 градусов, чтобы вернуться к противоположному горизонту. Движение контролировалось простой системой, считывающей бумажную ленту. Компьютер производил записи, поэтому тарелка медленно вращалась во время отслеживания спутника, тем самым гарантируя отсутствие «мертвого времени». В конце концов была создана библиотека лент для любого возможного прохода.

Внешние ссылки

• Компьютер DRTE — подробная статья о машине и ее истории. Эта статья основана на неопубликованном отчете Канадского музея науки и технологий, написанном Джоном Вардаласом в 1985 году.
• Грязная Герти: Компьютер DRTE - небольшая статья Линды Петиот
• Радарная лаборатория принца Альберта