El Manchester Baby , también llamado Máquina Experimental a Pequeña Escala ( SSEM ), [1] [2] fue la primera computadora electrónica con programa almacenado . Fue construido en la Universidad de Manchester por Frederic C. Williams , Tom Kilburn y Geoff Tootill , y ejecutó su primer programa el 21 de junio de 1948. [3]
También conocido como | Máquina experimental a pequeña escala |
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Desarrollador | Frederic Calland Williams Tom Kilburn Geoff Tootill |
Familia de productos | Ordenadores de Manchester |
Fecha de lanzamiento | 21 de junio de 1948 |
Memoria | 1 kilobit (1.024 bits) |
Sucesor | Manchester Mark 1 |
La máquina no fue pensada para ser una computadora práctica, sino que fue diseñada como un banco de pruebas para el tubo de Williams , la primera memoria de acceso verdaderamente aleatorio . Descrita como "pequeña y primitiva" 50 años después de su creación, fue la primera máquina en funcionamiento que contenía todos los elementos esenciales para una computadora electrónica moderna. [4] Tan pronto como el Baby demostró la viabilidad de su diseño, se inició un proyecto en la universidad para convertirlo en una computadora más utilizable, la Manchester Mark 1 . La Mark 1, a su vez, se convirtió rápidamente en el prototipo de Ferranti Mark 1 , la primera computadora de uso general disponible comercialmente en el mundo. [5] [6]
El bebé tenía una longitud de palabra de 32 bits y una memoria de 32 palabras (1 kilobit (1.024 bits)). Como fue diseñado para ser la computadora con programa almacenado más simple posible, las únicas operaciones aritméticas implementadas en el hardware fueron la resta y la negación ; otras operaciones aritméticas se implementaron en software. El primero de los tres programas escritos para la máquina calculó el divisor propio más alto de 2 18 (262,144), un algoritmo que tardaría mucho en ejecutarse y, por lo tanto, probaría la confiabilidad de la computadora, probando cada entero de 2 18 hacia abajo, como división se implementó mediante la resta repetida del divisor. El programa constaba de 17 instrucciones y se ejecutó durante unos 52 minutos antes de llegar a la respuesta correcta de 131.072, después de que el Baby hubiera realizado aproximadamente 3,5 millones de operaciones (para una velocidad de CPU efectiva de aproximadamente 1100 instrucciones por segundo ). [3]
Fondo
El primer diseño para un ordenador controlado por programa fue Charles Babbage 's máquina analítica en la década de 1830. Un siglo después, en 1936, el matemático Alan Turing publicó su descripción de lo que se conoció como máquina de Turing , un concepto teórico destinado a explorar los límites de la computación mecánica. Turing no estaba imaginando una máquina física, sino una persona a la que llamaba "computadora", que actuaba de acuerdo con las instrucciones proporcionadas por una cinta en la que los símbolos se podían leer y escribir secuencialmente a medida que la cinta se movía debajo de un cabezal de cinta. Turing demostró que si se puede escribir un algoritmo para resolver un problema matemático, entonces una máquina de Turing puede ejecutar ese algoritmo. [7]
La Z3 de Konrad Zuse fue la primera computadora en funcionamiento programable , completamente automática, con lógica aritmética digital binaria, pero carecía de la ramificación condicional de una máquina de Turing. El 12 de mayo de 1941, se presentó con éxito a una audiencia de científicos de la Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt ( "Laboratorio Alemana de Aviación") en Berlín . [8] El Z3 almacenaba su programa en una cinta externa, pero era más electromecánico que electrónico. El Coloso de 1943 fue el primer dispositivo informático electrónico, pero no era una máquina de uso general. [9]
El ENIAC (1946) fue la primera máquina que era tanto electrónica como de uso general. Era Turing completo , con bifurcación condicional y programable para resolver una amplia gama de problemas, pero su programa se mantenía en el estado de interruptores en cables de conexión, no en la memoria, y podía llevar varios días reprogramarlo. [4] Investigadores como Turing y Zuse investigaron la idea de usar la memoria de la computadora para contener el programa, así como los datos en los que estaba trabajando, [10] y fue el matemático John von Neumann quien escribió un artículo ampliamente distribuido describiendo esa computadora arquitectura, todavía utilizada en casi todas las computadoras. [11]
La construcción de una computadora von Neumann dependía de la disponibilidad de un dispositivo de memoria adecuado en el que almacenar el programa. Durante la Segunda Guerra Mundial, los investigadores que trabajaban en el problema de eliminar el desorden de las señales de radar habían desarrollado una forma de memoria de línea de retardo , cuya primera aplicación práctica fue la línea de retardo de mercurio, [12] desarrollada por J. Presper Eckert . Los transmisores de radar envían pulsos breves y regulares de energía de radio, cuyas reflexiones se muestran en una pantalla CRT. Como los operadores suelen estar interesados solo en objetivos en movimiento, era deseable filtrar cualquier reflejo de distracción de los objetos estacionarios. El filtrado se logró comparando cada pulso recibido con el pulso anterior y rechazando ambos si eran idénticos, dejando una señal que contenía solo las imágenes de cualquier objeto en movimiento. Para almacenar cada pulso recibido para su posterior comparación, se pasó a través de una línea de transmisión, retrasándolo exactamente el tiempo entre pulsos transmitidos. [13]
Turing se unió al Laboratorio Nacional de Física (NPL) en octubre de 1945, [14] momento en el cual los científicos del Ministerio de Abastecimiento habían llegado a la conclusión de que Gran Bretaña necesitaba un Laboratorio Nacional de Matemáticas para coordinar la computación asistida por máquinas. [15] Se estableció una División de Matemáticas en la NPL, y el 19 de febrero de 1946, Alan Turing presentó un documento en el que describía su diseño para una computadora con programa almacenado electrónico que se conocería como Motor de Computación Automática (ACE). [15] Este fue uno de varios proyectos establecidos en los años posteriores a la Segunda Guerra Mundial con el objetivo de construir una computadora con programa almacenado. Casi al mismo tiempo, EDVAC estaba en desarrollo en la Universidad de Pensilvania 's Escuela de Ingeniería Eléctrica Moore , y la Universidad de Cambridge Laboratorio de Matemática estaba trabajando en EDSAC . [dieciséis]
El NPL no tenía la experiencia para construir una máquina como ACE, por lo que se puso en contacto con Tommy Flowers en el Laboratorio de Investigación Dollis Hill de la Oficina General de Correos (GPO) . Flowers, el diseñador de Colossus, la primera computadora electrónica programable del mundo, se comprometió en otro lugar y no pudo participar en el proyecto, aunque su equipo construyó algunas líneas de retardo de mercurio para ACE. [15] El Instituto de Investigación de las Telecomunicaciones (TRE) también fue abordado por la asistencia, al igual que Maurice Wilkes en la Universidad de Cambridge Laboratorio de Matemática. [15]
El departamento gubernamental responsable de la NPL decidió que, de todo el trabajo que estaba llevando a cabo la TRE en su nombre, ACE debía tener la máxima prioridad. [15] La decisión de NPL llevó a una visita del superintendente de la División de Física de la TRE el 22 de noviembre de 1946, acompañado por Frederic C. Williams y AM Uttley, también de la TRE. [15] Williams dirigió un grupo de desarrollo de TRE que trabajaba en tiendas CRT para aplicaciones de radar, como una alternativa a las líneas de retardo. [17] Williams no estaba disponible para trabajar en el ACE porque ya había aceptado una cátedra en la Universidad de Manchester , y la mayoría de sus técnicos de circuito estaban en proceso de ser transferidos al Departamento de Energía Atómica. [15] El TRE acordó contratar a un pequeño número de técnicos para trabajar bajo la dirección de Williams en la universidad, y para apoyar a otro pequeño grupo que trabaja con Uttley en el TRE. [15]
Tubo Williams – Kilburn
Aunque las primeras computadoras como EDSAC hicieron un uso exitoso de la memoria de línea de retardo de mercurio , [18] la tecnología tenía varios inconvenientes; era pesado, caro y no permitía acceder a los datos de forma aleatoria. Además, debido a que los datos se almacenaron como una secuencia de ondas acústicas propagadas a través de una columna de mercurio , la temperatura del dispositivo tuvo que controlarse con mucho cuidado, ya que la velocidad del sonido a través de un medio varía con su temperatura. Williams había visto un experimento en Bell Labs que demostraba la efectividad de los tubos de rayos catódicos (CRT) como una alternativa a la línea de retardo para eliminar los ecos de tierra de las señales de radar. Mientras trabajaba en el TRE, poco antes de incorporarse a la Universidad de Manchester en diciembre de 1946, él y Tom Kilburn habían desarrollado una forma de memoria electrónica conocida como tubo de Williams o tubo de Williams-Kilburn, basada en un CRT estándar, el primer dispositivo electrónico aleatorio. -dispositivo de almacenamiento digital de acceso. [19] El bebé fue diseñado para mostrar que el sistema era un dispositivo de almacenamiento práctico, probando que los datos que contenía podían leerse y escribirse a la velocidad necesaria para su uso en una computadora. [20]
Para su uso en una computadora digital binaria , el tubo tenía que ser capaz de almacenar uno de los dos estados en cada una de sus ubicaciones de memoria, correspondientes a los dígitos binarios ( bits ) 0 y 1. Explotaba la carga eléctrica positiva o negativa generada por mostrando un guión o un punto en cualquier posición de la pantalla CRT, un fenómeno conocido como emisión secundaria . Un guión generaba una carga positiva y un punto una carga negativa, cualquiera de las cuales podía ser captada por una placa detectora frente a la pantalla; una carga negativa representaba 0 y una carga positiva 1. La carga se disipó en aproximadamente 0,2 segundos, pero podría actualizarse automáticamente a partir de los datos recogidos por el detector. [21]
El tubo Williams utilizado en Baby se basó en el CV1131, un CRT de 300 mm de diámetro disponible comercialmente, pero en el Mark I se utilizó un tubo más pequeño de 150 mm (6 pulgadas), el CV1097. [22]
Génesis del proyecto
Después de desarrollar la computadora Colossus para descifrar códigos en Bletchley Park durante la Segunda Guerra Mundial, Max Newman se comprometió con el desarrollo de una computadora que incorporara los conceptos matemáticos de Alan Turing y el concepto de programa almacenado que había sido descrito por John von Neumann . En 1945, fue designado para la Cátedra Fielden de Matemáticas Puras en la Universidad de Manchester; se llevó a sus colegas del proyecto Colossus, Jack Good y David Rees, a Manchester, y allí reclutaron a FC Williams para que fuera el "hombre de circuito" de un nuevo proyecto informático para el que había obtenido financiación de la Royal Society . [23]
"Habiendo obtenido el apoyo de la universidad, obtenido fondos de la Royal Society y reunido un equipo de matemáticos e ingenieros de primer nivel, Newman ahora tenía todos los elementos de su plan de construcción de computadoras en su lugar. Adoptando el enfoque que había utilizado con tanta eficacia en Bletchley Park, Newman soltó a su gente en el trabajo detallado mientras se concentraba en orquestar el esfuerzo ".
- David Anderson, historiador [23]
Tras su nombramiento como presidente de Ingeniería Eléctrica en la Universidad de Manchester, Williams reclutó a su colega de TRE, Tom Kilburn, en comisión de servicio. Para el otoño de 1947, el par había aumentado la capacidad de almacenamiento del tubo Williams de un bit a 2.048, dispuesto en una matriz de 64 por 32 bits, [24] y demostró que podía almacenar esos bits durante cuatro horas. [25] El ingeniero Geoff Tootill se unió al equipo cedido por TRE en septiembre de 1947 y permaneció en comisión de servicio hasta abril de 1949. [26]
"Ahora, aclaremos antes de continuar que ni Tom Kilburn ni yo sabíamos nada sobre computadoras cuando llegamos a la Universidad de Manchester ... Newman nos explicó todo el asunto de cómo funciona una computadora".
- Frederic Calland Williams [9]
Kilburn tuvo dificultades para recordar las influencias en el diseño de su máquina:
"[En] ese período, de una forma u otra, sabía lo que era una computadora digital ... No tengo ni idea de dónde obtuve este conocimiento".
- Tom Kilburn [27]
Jack Copeland explica que el primer diseño (descentralizado, en la nomenclatura de Jack Good) sin acumuladores (pre-Baby) de Kilburn se basó en entradas de Turing, pero que luego cambió a una máquina basada en acumuladores (centralizada) del tipo defendido por von Neumann, según lo redactado y enseñado por Jack Good y Max Newman. [27]
El conjunto de instrucciones de 7 operaciones del bebé era aproximadamente un subconjunto del conjunto de instrucciones de 12 operaciones propuesto en 1947 por Jack Good, en el primer documento conocido que utiliza el término "Bebé" para esta máquina. [28] Good no incluía una instrucción de "alto", y su instrucción de salto condicional propuesta era más complicada que la que implementó Baby. [27]
Desarrollo y diseño
Aunque Newman no jugó ningún papel de ingeniería en el desarrollo del Baby, ni en ninguna de las posteriores computadoras de Manchester , en general apoyó el proyecto y se mostró entusiasmado con el proyecto, y organizó la adquisición de suministros excedentes de guerra para su construcción, incluidos bastidores metálicos de GPO [ 29] y "... el material de dos Colosos completos" [30] de Bletchley.
En junio de 1948 se había construido el Baby y estaba funcionando. [24] Tenía 17 pies (5,2 m) de largo, 7 pies 4 pulgadas (2,24 m) de alto y pesaba casi 1 tonelada de largo (1,0 t). La máquina contenía 550 válvulas (tubos de vacío), 300 diodos y 250 pentodos, y tenía un consumo de energía de 3500 vatios. [31] La unidad aritmética se construyó utilizando válvulas de pentodo EF50 , que se habían utilizado ampliamente durante la guerra. [25] El bebé usó un tubo de Williams para proporcionar palabras de 32 por 32 bits de memoria de acceso aleatorio (RAM), un segundo para contener un acumulador de 32 bits en el que los resultados intermedios de un cálculo podrían almacenarse temporalmente, y un tercero para mantener la instrucción del programa actual junto con su dirección en la memoria. Se utilizó un cuarto CRT, sin la electrónica de almacenamiento de los otros tres, como dispositivo de salida, capaz de mostrar el patrón de bits de cualquier tubo de almacenamiento seleccionado. [32]
Cada palabra de RAM de 32 bits podría contener una instrucción de programa o datos. En una instrucción de programa, los bits 0-12 representaban la dirección de memoria del operando que se utilizaría y los bits 13-15 especificaban la operación a ejecutar, como almacenar un número en la memoria; los 16 bits restantes no se utilizaron. [32] La arquitectura de operando único (conjunto de instrucciones 0-operando de Baby) significaba que el segundo operando de cualquier operación estaba implícito: el acumulador o el contador de programa (dirección de instrucción); Las instrucciones del programa especificaban solo la dirección de los datos en la memoria.
Una palabra en la memoria de la computadora se puede leer, escribir o actualizar en 360 microsegundos. Una instrucción tardó cuatro veces más en ejecutarse que acceder a una palabra de la memoria, lo que arroja una tasa de ejecución de instrucciones de aproximadamente 700 por segundo. La tienda principal se actualizó continuamente, un proceso que tardó 20 milisegundos en completarse, ya que cada una de las 32 palabras de Baby tenía que leerse y luego actualizarse en secuencia. [24]
El bebé representó números negativos utilizando el complemento de dos , [33] como todavía lo hacen la mayoría de las computadoras. En esa representación, el valor del bit más significativo denota el signo de un número; los números positivos tienen un cero en esa posición y los números negativos un uno. Por lo tanto, el intervalo de números que podrían ser realizadas en cada palabra de 32 bits era -2 31 a 2 31 - 1 (decimal: -2147483648-2147.483647 millones).
Programación
El formato de instrucción de Baby tenía un campo de código de operación de tres bits , que permitía un máximo de ocho (2 3 ) instrucciones diferentes. En contraste con la convención moderna, el almacenamiento de la máquina se describió con los dígitos menos significativos a la izquierda; así, un uno se representó en tres bits como "100", en lugar del más convencional "001". [33]
Código binario | Notación original | Mnemónico moderno | Operación |
---|---|---|---|
000 | S, Cl | JMP S | Saltar a la instrucción en la dirección obtenida de la dirección de memoria especificada S [a] (salto incondicional absoluto) |
100 | Agregar S, Cl | JRP S | Saltar a la instrucción en el contador del programa más (+) el valor relativo obtenido de la dirección de memoria especificada S [a] (salto incondicional relativo) |
010 | -S, C | LDN S | Tome el número de la dirección de memoria especificada S, néguelo y cárguelo en el acumulador |
110 | c, S | STO S | Almacene el número en el acumulador en la dirección de memoria especificada S |
001 o 101 [b] | SUB S | SUB S | Reste el número en la dirección de memoria especificada S del valor en el acumulador y almacene el resultado en el acumulador |
011 | Prueba | CMP | Omita la siguiente instrucción si el acumulador contiene un valor negativo |
111 | Detener | STP | Detener |
Las incómodas operaciones negativas fueron una consecuencia de la falta de hardware del Baby para realizar cualquier operación aritmética excepto la resta y la negación . Se consideró innecesario construir un sumador antes de que pudieran comenzar las pruebas, ya que la suma se puede implementar fácilmente mediante la resta, [32] es decir, x + y se puede calcular como - (- x - y ). Por lo tanto, sumar dos números, X e Y, requería cuatro instrucciones: [34]
LDN X // carga X negativo en el acumuladorSUB Y // restar Y del valor en el acumuladorSTO S // almacena el resultado en SLDN S // carga valor negativo en S en el acumulador
Los programas se ingresaron en forma binaria pasando por cada palabra de la memoria por turno, y usando un conjunto de 32 botones e interruptores conocidos como el dispositivo de entrada para establecer el valor de cada bit de cada palabra en 0 o 1. El bebé no tenía lector de cinta de papel o perforadora . [35] [36] [37]
Primeros programas
Se escribieron tres programas para la computadora. El primero, que consta de 17 instrucciones, fue escrito por Kilburn y, por lo que se puede determinar, se ejecutó por primera vez el 21 de junio de 1948. [38] Fue diseñado para encontrar el factor propio más alto de 2 18 (262,144) probando cada entero de 2 18 - 1 hacia abajo. Las divisiones se implementaron mediante sustracciones repetidas del divisor. El bebé tardó 3,5 millones de operaciones y 52 minutos en producir la respuesta (131.072). El programa usó ocho palabras de almacenamiento de trabajo además de sus 17 palabras de instrucciones, dando un tamaño de programa de 25 palabras. [39]
Geoff Tootill escribió una versión enmendada del programa el mes siguiente y, a mediados de julio, Alan Turing, que había sido nombrado lector en el departamento de matemáticas de la Universidad de Manchester en septiembre de 1948, presentó el tercer programa para realizar una división larga. Para entonces, Turing había sido designado para el puesto nominal de Director Adjunto del Laboratorio de Máquinas de Computación de la universidad, [38] aunque el laboratorio no se convirtió en una realidad física hasta 1951. [40]
Desarrollos posteriores
Williams y Kilburn informaron sobre el bebé en una carta al Journal Nature , publicada en septiembre de 1948. [41] La exitosa demostración de la máquina condujo rápidamente a la construcción de una computadora más práctica, la Manchester Mark 1 , cuyo trabajo comenzó en agosto de 1948 La primera versión estaba operativa en abril de 1949 [40] y, a su vez, condujo directamente al desarrollo de Ferranti Mark 1 , la primera computadora de uso general disponible comercialmente en el mundo. [5]
En 1998, se construyó una réplica funcional del Baby, que ahora se exhibe en el Museo de Ciencia e Industria de Manchester , para celebrar el 50 aniversario de la ejecución de su primer programa. Las demostraciones de la máquina en funcionamiento se llevan a cabo regularmente en el museo. [42] En 2008, se descubrió una fotografía panorámica original de toda la máquina en la Universidad de Manchester. La fotografía, tomada el 15 de diciembre de 1948 por un estudiante de investigación, Alec Robinson, había sido reproducida en The Illustrated London News en junio de 1949. [43] [44]
Referencias
Notas
- ^ a b Como el contador del programa se incrementó al final del proceso de decodificación, la dirección almacenada tenía que ser la dirección de destino -1.
- ^ Los bits de función se decodificaron solo parcialmente, para ahorrar elementos lógicos. [34]
Citas
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Otras lecturas
- Anderson, David (4 de junio de 2004), "¿Fue concebido el bebé Manchester en Bletchley Park?", Alan Mathison Turing 2004: Una celebración de su vida y sus logros (PDF) , British Computer Society , archivado desde el original (PDF) el 31 Octubre de 2008 , consultado el 16 de noviembre de 2008
enlaces externos
- Computer 50 - The University of Manchester Celebrates the Birth of the Modern Computer , archivado de computer50.org, un sitio web que celebra el 50 aniversario del Bebé en 1998.
- Digital60 - Manchester Celebrating 60 Years of the Modern Computer , archivado desde computer60.org, un sitio web que celebra el 60 aniversario del Manchester Baby en 2008
- The Manchester Small Scale Experimental Machine - "The Baby" , archivado de computer50.org
- Software Manchester Baby Simulator
- BabyRace : ejecute el programa original en un teléfono móvil y compare el rendimiento con la máquina experimental a pequeña escala
- Artículo de la BBC sobre Baby
- Entrevista de historia oral con Geoff Tootill , miembro del equipo que diseñó y construyó la Máquina Experimental a Pequeña Escala de Manchester, grabada para An Oral History of British Science en la Biblioteca Británica.
- Documentación SSEM (Baby) @ Computadora ◆ Conservación ◆ Sociedad