Гарвардська архітектура

Поки Цузе продовжував свої дослідження в Німеччині, американські вчені працювали над двома проектами, які залишили помітний слід в історії програмованих комп’ютерів. Ще у 30-х роках уряд США доручив Гарвардському та Прінстонському університетам розробити архітектуру комп’ютера для військово-морської артилерії. Перемогла розробка Прінстонського університету (відоміша тепер як архітектура фон Неймана, (про неї мова буде далі), оскільки вона була простіша в реалізації. А так звана Гарвардська архітектура не використовувалася аж до кінця 70-х років (за винятком комп’ютера «Марк-1»), де вона відродилася у вбудованих процесорах, де швидкість обробки сигналів є найбільш критичною.

Типові операції (додавання та множення) вимагають від будь-якого обчислювального пристрою декількох дій: вибір інструкції, вибірку двох операндів, виконання інструкції і, нарешті, збереження результату. Ідея, яка була реалізована Айкеном, полягала у фізичному розділенні ліній передачі команд та даних, що було передбачено у Гарвардській архітектурі. У першому комп’ютері Айкена «Марк-1» для зберігання інструкцій використовувалася перфорована стрічка (карта), а для роботи з даними – електромеханічні регістри. Це дозволяло одночасно пересилати та обробляти команди та дані, завдяки чому значно підвищувалася загальна швидкість роботи комп’ютера.

У Гарвардському університеті математик Говард Айкен(Ейкен, 1900-1973) з групою інженерів фірми ІВМ завершили роботу над машиною “MARK-1”. Приводом для розробки цієї машини послужила робота над дисертацією, теоретична частина якої була присвячена методикам розв’язку нелінійних диференціальних рівнянь. Саме тоді у нього народилася думка про створення автоматичного обчислювального пристрою, який міг би значно полегшити проведення подібних математичних розрахунків.

Побудована у 1944 році обчислювальна машина з автоматичним управлінням послідовністю операцій, MARK-1 за сучасними мірками навряд чи могла називатися повноцінним комп’ютером. Тоді як ентузіаст Конрад Цузе ввів в експлуатацію повністю електронну ЕОМ «Z2» ще у 1940 році, створений Айкеном чотирма роками пізніше MARK-1 був наполовину механічним, реле застосовувалися лише для автоматизації управління елементами його конструкції.

Довжина цього електронно-механічного чудовиська складала 17 метрів, висота – 2,5 метра, вага 5 т, споживало воно 160 кіловат електроенергії, і коштувало $500 тис. (Z2 Конрада Цузе була значно компактною), призначалася для балістичних розрахунків у ВМС США. Конструкція MARK-1 включала 750 000 різних елементів сполучених дротами загальною довжиною більше 800 метрів. Електронна начинка, як і машина Цузе, складалася з електромеханічних реле (3304 шт.), які у процесісвоєї роботи видавали жахливий шум і часто-густо виходили з ладу, і управлялася за допомогою команд, що були закодовані на паперовій перфострічці.

Числа, які оброблялись MARK-1, зберігалися у спеціальних регістрах, які були реалізовані у вигляді металевих зубчастих коліщаток, які приводилися у рух особливим механізмом. Кожен регістр включав 24 колеса, 23 з яких використовувалися для представлення самих розрядів числа, а 24-е – його знаку. Крім того, кожен регістр мав пристрій, який дозволяв зберігати значення десяткових долей та передавати результат обчислень в інший регістр. Всього архітектура MARK-I налічувала 72 регістри для обробки цифрових значень та 60 додаткових регістрів для зберігання математичних постійних – в них за допомогою системи перемикачів вручну записувалися незмінні у процесі обчислень константи. Множення двох 23-розрядних чисел машина виконувала за 3 сек.

Крім основного математичного блоку, у складі MARK-I було декілька окремих модулів, які призначались для виконання операцій множення, ділення, підрахунку ступеня числа, значення синусу та обчислення логарифму. Операторський пульт був панеллю, що містить 420 механічних перемикачів, не враховуючи декількох контрольних панелей, що дозволяли операторові управляти режимами роботи машини. Хоча незабаром інші машини перевершили “MARK-1”, він, тим не менше, продовжував використовуватися аж до 1959 р.