SSEC：第一臺(tái)具有存儲(chǔ)程序特點(diǎn)的計(jì)算機(jī)

第一臺(tái)涉足存儲(chǔ)程序的計(jì)算機(jī)是由IBM獨(dú)立于ENIAC和EDVAC完成的。還記得那臺(tái)讓IBM與哈佛結(jié)下梁子的Harvard Mark I嗎？就在建成它的同一年皂股，沒能如愿提高公司形象的IBM立馬豪擲100萬美元待错，啟動(dòng)了自己的獨(dú)立項(xiàng)目SSEC——順序可選電子計(jì)算器（Selective Sequence Electronic Calculator）低剔。

SSEC在1947年8月建成瞒渠，并于1948年1月27日公開亮相皮璧。它是半電子技潘、半機(jī)電的遥巴，由12500個(gè)電子管和21400個(gè)繼電器組成，兩者的速度差異注定著它沒有太高的實(shí)用價(jià)值享幽。世界已經(jīng)步入電子計(jì)算時(shí)代铲掐，SSEC的出現(xiàn)顯得有些不合時(shí)宜，一不小心成了機(jī)電計(jì)算的謝幕者琉闪。它更像是IBM為了賭氣和為了目的不惜代價(jià)的產(chǎn)物迹炼。

IBM在紐約市熱鬧的麥迪遜大道上選了一棟樓，把SSEC裝在一樓颠毙，并特地在墻上開了一扇巨大的窗戶斯入，好讓路過的行人都能看到。它全長(zhǎng)36.58米蛀蜜，體積巨大刻两，和ENIAC一樣鋪滿了整個(gè)房間的墻壁。啟動(dòng)后滴某，此起彼伏的嗒嗒聲響和忽明忽暗的指示燈給圍觀的行人留下了深刻印象磅摹，一時(shí)間滋迈，每當(dāng)人們提到計(jì)算機(jī)，腦海中浮現(xiàn)出的就是這臺(tái)SSEC户誓。IBM終于如愿了饼灿。

1949年的專利顯示，SSEC的架構(gòu)允許程序存在于任意物理位置帝美，比如電子管碍彭、繼電器和穿孔介質(zhì)，因此它在理論上具有存儲(chǔ)程序的特點(diǎn)悼潭。但在實(shí)現(xiàn)時(shí)庇忌，SSEC的程序仍主要存在于穿孔帶，每秒50條指令的訪問速度使它的歷史地位備受爭(zhēng)議舰褪。

ARC2：第一臺(tái)存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)

第一臺(tái)真正的存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)皆疹，也是第一臺(tái)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)卻出現(xiàn)在大西洋彼岸的英國(guó)。

1947年占拍，倫敦大學(xué)伯貝克學(xué)院一位名為安德魯·唐納德·布思（Andrew Donald Booth）正在研制一臺(tái)用于X射線研究的機(jī)電計(jì)算機(jī)——自動(dòng)繼電器計(jì)算器（Automatic Relay Calculator）略就，簡(jiǎn)稱ARC。布思在一次赴美的學(xué)術(shù)訪問中接觸到了馮·諾依曼晃酒，經(jīng)過一番交流残制，他豁然開朗，回國(guó)后旋即將ARC改成了馮·諾依曼結(jié)構(gòu)掖疮，稱ARC2初茶。

ARC2于1948年5月12日投入使用，它主要由繼電器構(gòu)成浊闪，只包含少量的電子管恼布，其存儲(chǔ)器是表面覆蓋著金屬鎳的滾筒狀磁鼓。訪美期間搁宾，布思發(fā)現(xiàn)美國(guó)人使用的錄音機(jī)是在一種表面覆蓋著磁性氧化物的圓形紙片上記錄聲音的折汞，由于磁性物質(zhì)具有南北兩極，可以表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)盖腿，布思決定把它引進(jìn)到計(jì)算機(jī)中爽待。但是圓形紙片太軟了，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)難以保持平坦翩腐，布思便改用了不會(huì)變形的磁鼓鸟款，與軟盤的發(fā)明失之交臂。

這是用于驗(yàn)證的磁鼓存儲(chǔ)器原型茂卦，ARC2上實(shí)用的磁鼓要更大些何什。（圖片來自《School of Computer Science & Information Systems: A Short History》）

ARC2的磁鼓可以存儲(chǔ)256個(gè)字長(zhǎng)為21位的字，磁鼓表面被均勻地劃分為5376塊小區(qū)域等龙，每塊小區(qū)域存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制位处渣×娣。靠近磁鼓表面的地方有個(gè)導(dǎo)電的讀寫頭，當(dāng)讀寫頭中有電流經(jīng)過罐栈，由磁效應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)將正對(duì)讀寫頭的小區(qū)域磁化黍衙，即小區(qū)域中的金屬鎳整齊地將南極（或北極）指向同一個(gè)方向，電流的方向相反荠诬，磁化的方向也就相反们豌，兩個(gè)方向分別表示0和1。反之浅妆，利用電磁感應(yīng)原理，當(dāng)磁鼓旋轉(zhuǎn)時(shí)障癌，磁化方向各異的區(qū)域依次掠過讀寫頭凌外，讀寫頭中就會(huì)產(chǎn)生方向不斷變化的電流，便讀到了二進(jìn)制數(shù)據(jù)涛浙。

ARC2成功后康辑，布思創(chuàng)辦了一家公司，專門生產(chǎn)磁鼓和其他計(jì)算機(jī)部件轿亮。磁鼓存儲(chǔ)器一直風(fēng)靡至60年代疮薇，直到被后來速度更快的磁芯存儲(chǔ)器趕下舞臺(tái)。

曼徹斯特小型機(jī)：第一臺(tái)存儲(chǔ)程序電子計(jì)算機(jī)

另一種和磁鼓同期出現(xiàn)的存儲(chǔ)器十分另類我注，它的核心元件竟然是大頭電視機(jī)里的那種陰極射線管按咒。陰極射線管的本質(zhì)是大一號(hào)的真空電子管，所不同的是但骨，陰極多了一把能將電子聚焦成束的電子槍励七，陽極則涂有熒光物質(zhì)，以顯示圖像奔缠。

但是掠抬，主要用于顯像的陰極射線管和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能沾上什么邊呢？還別說校哎，當(dāng)時(shí)已經(jīng)有不少人開始往這個(gè)方向考慮了两波。麻省理工學(xué)院嘗試用陰極射線管存儲(chǔ)雷達(dá)信號(hào)，而正在構(gòu)思EDVAC的懊贫撸克特也設(shè)想過陰極射線管存儲(chǔ)器腰奋，只不過都處在實(shí)驗(yàn)?zāi)酥琳撟C階段，甚至還不確定其到底可不可行抱怔。這就又給了英國(guó)人趕超的機(jī)會(huì)氛堕。

1945～1946年間，英國(guó)電信研究所一位名為弗雷德里克·卡蘭·威廉斯（Frederic Calland Williams）的電氣專家兩次到訪美國(guó)野蝇，接觸到了使用陰極射線管制作存儲(chǔ)器的新思路讼稚±ㄈ澹回國(guó)后，他和助手湯姆·基爾本（Tom Kilburn）一起潛心鉆研锐想，成功發(fā)明了最早的陰極射線管存儲(chǔ)器——威廉斯管（或威廉斯-基爾本管）帮寻。

威廉斯管（圖片來自維基百科）

威廉斯管中，電子束所能打到熒屏的所有位置構(gòu)成一個(gè)32×32的點(diǎn)陣赠摇。一個(gè)亮點(diǎn)代表一個(gè)二進(jìn)制位固逗，共可存儲(chǔ)32個(gè)字長(zhǎng)為32位的字。但是威廉斯管的存儲(chǔ)原理藕帜，與這些點(diǎn)的亮暗沒有關(guān)系烫罩。

威廉斯管熒屏上的點(diǎn)陣（圖片來自《Alan Turing and his Contemporaries: Building the World's First Computers》）

當(dāng)熒屏上的某個(gè)點(diǎn)位被電子束轟擊，熒屏自身的電子會(huì)被撞飛出去洽故，但很快又被吸回贝攒，散落在該點(diǎn)位四周∈鄙酰可以想象一下隘弊，當(dāng)我們?cè)谝粡埧嚲o的薄膜上均勻地鋪滿米粒，然后用手指在薄膜下方猛地一彈荒适，彈擊點(diǎn)上的米粒就會(huì)飛起梨熙，然后在重力作用下落到四周，形成一個(gè)中間沒有米粒但四周的米粒被堆積起來的“環(huán)形山”刀诬。此時(shí)熒屏上電子的分布也與此類似咽扇，這座由電子組成的“環(huán)形山”就代表1。如果某個(gè)點(diǎn)位沒有被電子束轟擊陕壹，上面的電子分布仍然平坦肌割，就代表0。

那么這個(gè)0和1如何讀取呢帐要？威廉斯和基爾本在熒屏的外側(cè)放置一塊金屬片把敞，與熒屏構(gòu)成電容。仍然用電子束轟擊需要讀取的點(diǎn)位榨惠，如果該點(diǎn)位是0奋早，那么此次轟擊就會(huì)形成“環(huán)形山”，期間電子的運(yùn)動(dòng)會(huì)形成局部電流赠橙，從而在金屬片上引發(fā)電壓耽装；如果該點(diǎn)位是1，那么這里已經(jīng)有“環(huán)形山”存在了期揪，并且“環(huán)形山”的中間已經(jīng)沒有電子掉奄，轟擊不會(huì)產(chǎn)生局部電流，金屬片上也便不會(huì)出現(xiàn)電壓凤薛。由此姓建，與金屬片相連的讀取電路就能區(qū)分熒屏上的二進(jìn)制信息了诞仓。

麻煩的是，不論點(diǎn)位是0是1速兔，讀取之后其狀態(tài)都會(huì)被轟擊成1墅拭，因此每讀一次數(shù)據(jù)，就要緊跟著將它重寫一遍涣狗。此外谍婉，其實(shí)“環(huán)形山”的自持時(shí)間非常短，山上的電子很快會(huì)滑下坡去镀钓，填平中間的坑穗熬，這一過程只需要0.2秒，因此每秒鐘至少要對(duì)整塊熒屏刷新5次丁溅。

威廉斯管之前唤蔗，不論在穿孔介質(zhì)還是磁鼓上讀寫數(shù)據(jù)都有一個(gè)按序查找的過程，以磁鼓為例唧瘾，當(dāng)讀寫頭沒有正好處在所要操作的數(shù)位上時(shí)，就需要旋轉(zhuǎn)磁鼓别凤，直到遇到它為止饰序，最糟糕的情況是磁鼓得旋轉(zhuǎn)整整一圈。而威廉斯管可以通過改變偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)（或磁場(chǎng)）规哪，將電子束直接導(dǎo)向任意點(diǎn)位求豫，從而擁有更快的讀寫速度。威廉斯管因而也是最早的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器诉稍。

1946年12月蝠嘉，威廉斯被曼徹斯特大學(xué)聘為電氣工程系的主任，基爾本和電信研究所的另一位同事杰夫·圖特爾（Geoff Tootill）也緊隨而去杯巨。為了驗(yàn)證威廉斯管的可行性蚤告，三人決定建造一臺(tái)簡(jiǎn)易的原型計(jì)算機(jī)——小型試驗(yàn)機(jī)（Small-Scale Experimental Machine），簡(jiǎn)稱SSEM服爷，俗稱曼徹斯特小型機(jī)（Manchester Baby）杜恰。

藏于曼徹斯特科學(xué)與工業(yè)博物館的曼徹斯特小型機(jī)復(fù)制品（圖片來自維基百科）

曼徹斯特小型機(jī)包含550個(gè)電子管，于1948年6月建成仍源，成為第一臺(tái)存儲(chǔ)程序的電子計(jì)算機(jī)心褐，也是第一臺(tái)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的電子計(jì)算機(jī)。它的體型不大笼踩，約長(zhǎng)5.2米逗爹、寬2.24米、重1噸嚎于。曼徹斯特小型機(jī)使用了3個(gè)威廉斯管掘而，除了32字的存儲(chǔ)器挟冠，另外2個(gè)分別用來臨時(shí)存放中間結(jié)果和當(dāng)前指令。讀寫一個(gè)字僅需360微秒镣屹，執(zhí)行一條指令耗時(shí)1440微秒圃郊。由于主要是為了測(cè)試威廉斯管，曼徹斯特小型機(jī)在運(yùn)算上只實(shí)現(xiàn)了減法和取反女蜈，不過其他運(yùn)算可以通過編程的方式間接實(shí)現(xiàn)持舆。

第一個(gè)測(cè)試程序出自基爾本之手，由17條指令組成伪窖，求解26244（2¹⁸）的最大真因數(shù)逸寓，具體步驟是從26243開始遞減，一個(gè)個(gè)數(shù)試除覆山，第一個(gè)能除盡的就是結(jié)果竹伸。這個(gè)程序運(yùn)行了52分鐘，共執(zhí)行350萬次操作簇宽，威廉斯管成功通過了考驗(yàn)勋篓。

小型機(jī)之后，曼徹斯特大學(xué)旋即在1949年4月建成了它的大型版本——曼徹斯特自動(dòng)數(shù)字計(jì)算機(jī)（Manchester Automatic Digital Machine）魏割，簡(jiǎn)稱MADM譬嚣，俗稱曼徹斯特1號(hào)（Manchester Mark 1）。曼徹斯特1號(hào)使用2個(gè)威廉斯管作為存儲(chǔ)器钞它，單個(gè)威廉斯管的容量被擴(kuò)大到64字拜银，字長(zhǎng)則被增加到40位。為了進(jìn)一步擴(kuò)大容量遭垛，曼徹斯特1號(hào)還加裝了一個(gè)能存儲(chǔ)1024字的磁鼓尼桶。控制器和運(yùn)算器直接訪問威廉斯管锯仪，并在需要時(shí)泵督，將磁鼓中的數(shù)據(jù)以32個(gè)字為一組與威廉斯管進(jìn)行置換。這種分級(jí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了不同存儲(chǔ)器各自在速度和容量上的優(yōu)勢(shì)庶喜，至今仍在使用幌蚊，并始終是影響計(jì)算機(jī)性能的關(guān)鍵。

曼徹斯特1號(hào)（圖片來自維基百科）

曼徹斯特1號(hào)的成功促成了曼徹斯特大學(xué)和費(fèi)蘭蒂公司的合作溃卡，1951年2月溢豆，費(fèi)蘭蒂1號(hào)（Ferranti Mark 1）問世，它是第一型商用的通用電子計(jì)算機(jī)瘸羡。

EDSAC：第二臺(tái)存儲(chǔ)程序電子計(jì)算機(jī)

除了磁鼓和威廉斯管漩仙，當(dāng)時(shí)還有一種令人稱奇的存儲(chǔ)器，它是基于聲學(xué)的，名叫水銀延遲線（或汞延遲線）队他。

二戰(zhàn)期間卷仑，雷達(dá)在軍事上得到了廣泛應(yīng)用。它的工作原理與蝙蝠類似麸折，通過天線發(fā)射電磁波锡凝，電磁波遇到物體會(huì)反射回來，根據(jù)這一來一回的時(shí)間差就可以推算物體的距離垢啼，如果物體在移動(dòng)窜锯，根據(jù)多普勒效應(yīng)就可以推算它的移動(dòng)速度。移動(dòng)的物體是雷達(dá)關(guān)注的重點(diǎn)芭析，但事實(shí)上它掃過的區(qū)域大部分物體都是靜止的锚扎，如果不做過濾，代表它們的一大堆亮點(diǎn)會(huì)全部顯示到屏幕上馁启，干擾使用者對(duì)移動(dòng)點(diǎn)的觀察驾孔。

為了過濾這些被靜止物體反射回來的無用信號(hào)，人們將接收天線持續(xù)收到的信號(hào)分成A和B兩路惯疙，A路信號(hào)直朝顯示屏奔去翠勉，而B路信號(hào)則必須要通過一個(gè)“路障”才能到達(dá)顯示屏。這個(gè)“路障”的作用是減緩B的行進(jìn)霉颠，使它比A延遲一段時(shí)間对碌。我們知道，信號(hào)在電路中的傳遞是極快的掉分，要拖慢它俭缓，可以將它轉(zhuǎn)換成其他形式。人們首先想到的是聲音，讓B在途中以聲音的形式傳遞一段距離嘉裤。想象一下播急，兩名難分伯仲的運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行百米賽跑，其中一名的跑道中間有一段泳池马昨，他不得不以游泳的形式越過它，自然就比對(duì)手慢了許多。這個(gè)讓B以聲音的形式“游泳”的“路障”就是水銀延遲線椿息。

延遲線在雷達(dá)中的作用

當(dāng)B到達(dá)延遲線的入口，一種名為壓電傳感器的電聲轉(zhuǎn)換器件就會(huì)將它轉(zhuǎn)換為聲波坷衍，待聲波傳播到延遲線的出口寝优，壓電傳感器再將它轉(zhuǎn)換回電信號(hào)。通過精心調(diào)整延遲線的長(zhǎng)度枫耳，可以讓B正好比A慢半拍（n+0.5個(gè)信號(hào)周期）乏矾，這意味著，它們的波形相互顛倒。當(dāng)信號(hào)來自靜止的物體钻心，其頻率始終不變凄硼，A和延遲后的B匯合后自動(dòng)抵消；而來自移動(dòng)物體的信號(hào)會(huì)不斷變化捷沸，A和延遲后的B匯合后無法完全抵消摊沉，就順利達(dá)到了顯示屏。

那么痒给，用作信號(hào)“路障”的延遲線和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能搭上什么關(guān)系呢说墨？其實(shí)最早將兩者聯(lián)系到一起的正是正在為EDVAC設(shè)計(jì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的埃克特侈玄，他在戰(zhàn)時(shí)本身就是制作雷達(dá)延遲線的專家婉刀。

在一個(gè)電回路中，任一時(shí)刻都只能存在一位二進(jìn)制信號(hào)序仙，當(dāng)下一位產(chǎn)生時(shí)突颊，前一位也就消失了。而有了延遲線潘悼，當(dāng)前一位信號(hào)還在水銀中“游泳”律秃，下一位信號(hào)就可以產(chǎn)生并緊跟著進(jìn)入水銀，它們可以同時(shí)存在于這個(gè)回路中治唤。就這樣棒动，一連串信號(hào)排著長(zhǎng)隊(duì)在回路中有序地循環(huán)著，任一時(shí)刻只有其中一位以電流的形式存在于延遲線之外宾添。每一位信號(hào)都從延遲線左端進(jìn)入船惨，從右端流出，經(jīng)過放大缕陕、整形抵消聲電轉(zhuǎn)換過程中的損耗后粱锐，重新進(jìn)入延遲線，如此循環(huán)扛邑，無休止也怜浅。

延遲線存儲(chǔ)器原理圖

水銀有很多缺點(diǎn)，不但重蔬崩，而且貴恶座，還有毒，并且水銀中的聲速受溫度影響較大沥阳，延遲線需要在40℃的恒溫環(huán)境下才能正常工作跨琳。那么為什么還要選擇水銀呢？主要因?yàn)樗褪⒉馁|(zhì)的壓電傳感器有著相近的聲阻抗桐罕，可以減少能量損耗和回聲的產(chǎn)生脉让。對(duì)此樟氢，圖靈曾提出可以使用金酒（一種原產(chǎn)于荷蘭的烈酒）代替水銀，可謂無所不用其極侠鳄。

第一臺(tái)使用水銀延遲線存儲(chǔ)器的計(jì)算機(jī)埠啃，是英國(guó)劍橋大學(xué)在1949年5月研制成功的電子延遲存儲(chǔ)自動(dòng)計(jì)算器（Electronic delay storage automatic calculator），簡(jiǎn)稱EDSAC伟恶。這臺(tái)在縮寫上與EDVAC僅相差一個(gè)字母的機(jī)器碴开，是史上第二臺(tái)具有馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)，它使用了16條水銀延遲線博秫，每條可存儲(chǔ)32個(gè)字潦牛，每字18位。由于每個(gè)字的最后一位用作兩個(gè)字之間的間隔符挡育，單字實(shí)際可用17位巴碗。當(dāng)字長(zhǎng)不夠，需要兩個(gè)字組合使用時(shí)即寒，雙字實(shí)際可用35位橡淆。

EDSAC（圖片來自維基百科）

而EDVAC本身則到了1949年8月才交付，而且還存在問題母赵，直到1951年才能正常使用逸爵，早已被眾多習(xí)得其思想的計(jì)算機(jī)所趕超。它使用了128條58cm長(zhǎng)的水銀延遲線凹嘲，每條可存儲(chǔ)8個(gè)字师倔，每字44位。

EDVAC（圖片來自維基百科）

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