أطلس (حاسوب)

خلال عام 1956، تزايد الوعي بأن المملكة المتحدة تتخلف عن الولايات المتحدة في مجال تطوير الحواسيب. في أبريل، صرّح بي دبليو بولارد من شركة فيرانتي في مؤتمر للحاسوب قائلاً: "يوجد في هذا البلد مجموعة من الحواسيب متوسطة السرعة، والجهازان الوحيدان السريعان حقًا هما كامبريدج EDSAC 2 ومانشستر مارك 2، على الرغم من أنهما لا يزالان بطيئين جدًا مقارنةً بأسرع الحواسيب الأمريكية." ^{[ 7 ]} تبع ذلك مخاوف مماثلة أُعرب عنها في تقرير مايو المقدم إلى اللجنة الاستشارية التابعة لوزارة البحث العلمي والصناعي والمعنية بآلات الحوسبة عالية السرعة، والمعروفة باسم لجنة برونت. ^{[ 8 ]}

خلال هذه الفترة، كان فريق توم كيلبورن في جامعة مانشستر يجري تجارب على أنظمة تعتمد على الترانزستور ، حيث قاموا ببناء جهازين صغيرين لاختبار تقنيات مختلفة. كان هذا هو المسار الأمثل، وفي خريف عام 1956، بدأ كيلبورن باستطلاع آراء العملاء المحتملين حول الميزات التي يرغبون بها في جهاز جديد يعتمد على الترانزستور. أشار معظم العملاء التجاريين إلى ضرورة دعم مجموعة واسعة من الأجهزة الطرفية، بينما اقترحت هيئة الطاقة الذرية جهازًا قادرًا على تنفيذ تعليمة واحدة كل ميكروثانية، ^{[ 9 ]} أو ما يُعرف اليوم بأداء مليون تعليمة في الثانية (MIPS). أدى هذا الطلب الأخير إلى تسمية التصميم المقترح بـ MUSE، اختصارًا لـ " محرك الميكروثانية ". ^{[ 10 ]}

إن الحاجة إلى دعم العديد من الأجهزة الطرفية والحاجة إلى التشغيل السريع أمران متعارضان بطبيعة الحال. فعلى سبيل المثال، سيقضي برنامج يعالج البيانات من قارئ بطاقات معظم وقته في انتظار إرسال القارئ للبيانات التالية. ولدعم هذه الأجهزة مع الاستخدام الأمثل لوحدة المعالجة المركزية ، سيحتاج النظام الجديد إلى ذاكرة إضافية لتخزين البيانات مؤقتًا، ونظام تشغيل قادر على تنسيق تدفق البيانات داخل النظام. ^{[ 11 ]}

عندما علمت لجنة برونت بتصميمات أمريكية جديدة وأسرع بكثير، مثل Univac LARC و IBM STRETCH ، تمكنت من لفت انتباه المؤسسة الوطنية لتطوير الأبحاث (NRDC)، المسؤولة عن نقل التقنيات من مجموعات البحث التي تعود إلى حقبة الحرب إلى السوق. وعلى مدى الأشهر الثمانية عشر التالية، عقدت اللجنة اجتماعات عديدة مع عملاء محتملين، وفرق هندسية في شركتي فيرانتي وإي إم آي ، وفرق تصميم في مانشستر والمؤسسة الملكية للرادار . ^{[ 11 ]}

على الرغم من كل هذه الجهود، لم يتوفر أي تمويل من مجلس أبحاث وتطوير الموارد الطبيعية (NRDC) بحلول صيف عام ١٩٥٨. فقرر كيلبورن تسريع وتيرة العمل ببناء جهاز "ميوز" أصغر حجمًا لتجربة مفاهيم مختلفة. تم تمويل ذلك من صندوق أرباح حاسوب "مارك ١"، الذي جمع الأموال من خلال تأجير وقت استخدام حاسوب "مارك ١" التابع للجامعة. بعد فترة وجيزة من بدء المشروع، في أكتوبر ١٩٥٨، قررت شركة فيرانتي المشاركة. وفي مايو ١٩٥٩، حصلت على منحة قدرها ٣٠٠ ألف جنيه إسترليني من مجلس أبحاث وتطوير الموارد الطبيعية (NRDC) لبناء النظام، على أن تُسترد هذه المنحة من عائدات المبيعات. وفي مرحلة ما من هذه العملية، أُعيد تسمية الجهاز إلى "أطلس". ^{[ ١١ ]}

اكتمل التصميم التفصيلي بنهاية عام ١٩٥٩، وبدأ العمل على بناء المترجمات . مع ذلك، كان نظام التشغيل "المشرف" متأخرًا جدًا. ^{[ ١٢ ]} دفع هذا ديفيد هاوارث، الذي انضم حديثًا إلى شركة فيرانتي، إلى توسيع فريق نظام التشغيل من اثنين إلى ستة مبرمجين. وفي جهدٍ جبار، بقيادة هاوارث الدؤوب والنشيط (الذي نال شهادة الدكتوراه في الفيزياء في سن الثانية والعشرين)، تمكن الفريق في نهاية المطاف من تقديم نظام "مشرف" يتألف من ٣٥٠٠٠ سطر من لغة التجميع ، يدعم البرمجة المتعددة لحل مشكلة معالجة الأجهزة الطرفية. ^{[ ١٣ ]}

تم بناء أول نظام أطلس في الجامعة خلال عام 1962. وقد زاد من ضيق الجدول الزمني الإغلاق المخطط له لجهاز فيرانتي ميركوري في نهاية ديسمبر. وقد حقق أطلس هذا الهدف، وتم تشغيله رسميًا في 7 ديسمبر من قبل جون كوكروفت ، مدير وكالة الطاقة الذرية. ^{[ 13 ]} كان هذا النظام يحتوي على نسخة مبكرة فقط من برنامج Supervisor، وكان المترجم الوحيد مخصصًا للغة Autocode . ولم يتم تثبيت النسخة النهائية من Supervisor، إلى جانب مترجمات للغتي ALGOL 60 و Fortran ، إلا في يناير 1964. ^{[ 14 ]}

بحلول منتصف الستينيات، كان الجهاز الأصلي قيد الاستخدام المتواصل، وفق جدول زمني مدته 20 ساعة يوميًا، حيث كان من الممكن تشغيل ما يصل إلى 1000 برنامج خلال هذه الفترة. كان وقت الاستخدام مُقسّمًا بين الجامعة وشركة فيرانتي، التي كانت تتقاضى 500 جنيه إسترليني في الساعة من عملائها. وكان جزء من هذا المبلغ يُعاد إلى صندوق عائدات الحاسوب بالجامعة. ^{[ 14 ]} في عام 1969، قُدّر أن تكلفة وقت استخدام الحاسوب الذي حصلت عليه الجامعة كانت ستبلغ 720,000 جنيه إسترليني لو تم تأجيره من السوق المفتوحة. أُغلق الجهاز في 30 نوفمبر 1971. ^{[ 15 ]}

باعت شركة فيرانتي جهازين آخرين من أجهزة أطلس، أحدهما إلى اتحاد مشترك بين جامعة لندن وشركة بي بي عام 1963، والآخر إلى مؤسسة أبحاث الطاقة الذرية (هارويل) في ديسمبر 1964. نُقل جهاز مؤسسة أبحاث الطاقة الذرية لاحقًا إلى مختبر حاسوب أطلس في تشيلتون، على بُعد أمتار قليلة خارج حدود هارويل، مما جعله يقع على أراضٍ مدنية، وبالتالي سهّل الوصول إليه. نما هذا الجهاز ليصبح أكبر أجهزة أطلس، إذ احتوى على 48 كيلو كلمة من ذاكرة أساسية  48 بت و32 محرك أشرطة. أُتيح استخدامه لجميع الجامعات البريطانية. أُغلق الجهاز في مارس 1974. ^{[ 16 ]}

في فبراير 1962، تبرعت شركة فيرانتي ببعض أجزاء جهاز أطلس لجامعة كامبريدج ، على أن تستخدمها الجامعة في المقابل لتطوير نسخة أرخص من النظام. وكانت النتيجة جهاز تيتان، الذي دخل حيز التشغيل في صيف عام 1963. باعت فيرانتي جهازين آخرين من هذا التصميم تحت اسم أطلس 2، أحدهما إلى مؤسسة أبحاث الأسلحة الذرية (ألديرماستون) عام 1963، والآخر إلى مركز التصميم بمساعدة الحاسوب المدعوم من الحكومة عام 1966. ^{[ 17 ]}

صُمم نظام أطلس استجابةً لبرنامجي LARC وSTRETCH الأمريكيين. وقد سبقه كلا البرنامجين في الاستخدام الرسمي، حيث دخل LARC حيز الاستخدام الرسمي عام 1961، بينما دخل STRETCH حيز الاستخدام الرسمي قبل أطلس ببضعة أشهر. كان أطلس أسرع بكثير من LARC، بنحو أربعة أضعاف، وأبطأ قليلاً من STRETCH؛ إذ كان أطلس يجمع عددين عشريين في حوالي 1.59 ميكروثانية، ^{[ 14 ]} بينما كان STRETCH يقوم بالعملية نفسها في 1.38 إلى 1.5 ميكروثانية. ومع ذلك، صرّح هيو ديفونالد، رئيس قسم البرمجيات في شركة فيرانتي، عام 1962: "يُزعم أن أطلس هو أقوى نظام حاسوبي في العالم. ويعني هذا الزعم أنه إذا عُرضت على أطلس وأي من منافسيه مجموعات كبيرة مماثلة من مهام الحوسبة التمثيلية في الوقت نفسه، فإن أطلس سيُنهي مجموعته قبل جميع أجهزة الحاسوب الأخرى". ^{[ 18 ]} لم تتم محاولة بيع المزيد من أجهزة LARC، ^{[ 17 ]} وليس من الواضح عدد أجهزة STRETCH التي تم إنتاجها في النهاية.

لم يتفوق جهاز CDC 6600 على جهاز أطلس بشكل ملحوظ إلا مع وصوله عام 1964. وقد صرّحت شركة CDC لاحقًا بأن وصفًا لجهاز ميوز عام 1959 هو ما ألهمها أفكارًا ساهمت بشكل كبير في تسريع تطوير جهاز 6600، مما سمح بتسليمه قبل الموعد المُقدّر أصلاً. ^{[ 17 ]} وقد أدى ذلك إلى فوزها بعقد مع منظمة الكومنولث للبحوث العلمية والصناعية (CSIRO) في أستراليا، والتي كانت في الأصل بصدد التفاوض لشراء جهاز أطلس. ^{[ 17 ]}

كانت شركة فيرانتي تعاني من صعوبات مالية خطيرة في أوائل الستينيات، وقررت بيع قسم الكمبيوتر إلى شركة الكمبيوترات والجدولة الدولية (ICT) في عام 1963. وقررت شركة ICT التركيز على سوق النطاق المتوسط ​​من خلال سلسلة ICT 1900 الخاصة بها ، ^{[ 19 ]} وهي مجموعة مرنة من الآلات تعتمد على جهاز Ferranti-Packard 6000 الكندي .

حظي جهاز أطلس بتقدير كبير من قبل العديد من العاملين في صناعة الحواسيب. وكان من بين معجبيه سي. جوردون بيل من شركة ديجيتال إكويبمنت ، الذي أشاد به لاحقاً.

في مجال الهندسة المعمارية، كان حاسوب مانشستر أطلس مثالاً يحتذى به، ليس لأنه كان جهازًا ضخمًا نبنيه، بل لأنه جسّد عددًا من مبادئ التصميم الجيدة. فقد كان أطلس متعدد البرامج بواجهة محددة جيدًا بين المستخدم ونظام التشغيل، وكان يتمتع بمساحة عناوين كبيرة جدًا، كما أنه قدّم مفهوم الرموز الإضافية لتوسيع وظائف مجموعة تعليماته. ^{[ 20 ]}

في يونيو 2022، تم تخصيص إنجاز هام من قبل معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) لـ "حاسوب أطلس واختراع الذاكرة الافتراضية 1957-1962". ^{[ 21 ]}

احتوت الآلة على العديد من الميزات المبتكرة، ولكن كانت معايير التشغيل الرئيسية كما يلي (حجم المتجر يتعلق بتركيب مانشستر؛ أما البقية فكانت أكبر):

• حجم الكلمة 48 بت . يمكن للكلمة أن تحتوي على رقم فاصلة عائمة واحد، أو تعليمة واحدة، أو عنوانين 24 بت أو عددين صحيحين موقعين، أو ثمانية أحرف 6 بت.
• جامع سريع يستخدم دوائر مبتكرة لتقليل وقت انتشار الحمل.
• مساحة عناوين 24 بت (  مليونان كلمة، 16 مليون حرف) تشمل مخزن المشرف ("المقدس")، ومخزن V، والمخزن الثابت، ومخزن المستخدم
• 16 ألف كلمة من الذاكرة الأساسية (ما يعادل 96 كيلوبايت )، وتتميز بتداخل العناوين الفردية/الزوجية
• ذاكرة للقراءة فقط بسعة 8 كيلوبايت (يشار إليها باسم المخزن الثابت). احتوت هذه الذاكرة على روتينات المشرف وروتينات التعليمات البرمجية الإضافية.
• 96 ألف كلمة من مخزن الأسطوانات (ما يعادل 576 كيلوبايت)، موزعة على أربع أسطوانات ولكنها مدمجة مع مخزن النواة باستخدام الذاكرة الافتراضية . كان حجم الصفحة 512 كلمة، ^{[ 22 ]} أي 3072 بايت. ^{[ 23 ] [ 24 ]}
• يحتوي النظام على 128 سجل فهرسة عالي السرعة (خطوط B) يمكن استخدامها لتعديل العناوين في معظم التعليمات المعدلة مرتين. كما تتضمن مساحة عناوين السجلات سجلات خاصة مثل عنوان معامل التعليمات الإضافية وأس مُجمِّع الفاصلة العائمة . ثلاثة من هذه السجلات الـ 128 هي سجلات عدادات البرنامج : السجل 125 للتحكم في المشرف (المقاطعة)، والسجل 126 للتحكم في التعليمات الإضافية، والسجل 127 للتحكم من قِبل المستخدم. ويحتفظ السجل 0 دائمًا بالقيمة 0.
• إمكانية إضافة ملحقات جديدة متطورة (في ذلك الوقت) مثل الشريط المغناطيسي ، بما في ذلك مرافق الوصول المباشر إلى الذاكرة (DMA).
• التحكم في الأجهزة الطرفية من خلال عناوين V-store ( الإدخال/الإخراج المعين في الذاكرة )، والمقاطعات ، وروتينات التعليمات البرمجية الإضافية، عن طريق قراءة وكتابة عناوين التخزين السلكية الخاصة.
• ذاكرة ترابطية ( ذاكرة قابلة للعنونة بالمحتوى ) لسجلات عناوين الصفحات لتحديد ما إذا كان موقع الذاكرة الافتراضية المطلوب موجودًا في الذاكرة الأساسية
• معالجة التعليمات المتسلسلة

لم يستخدم معالج أطلس آلية توقيت متزامنة - بل كان معالجًا غير متزامن - لذا لم تكن قياسات الأداء سهلة، ولكن على سبيل المثال:

• جمع سجل النقطة الثابتة  – 1.59 ميكروثانية
• جمع الأعداد العشرية ، بدون تعديل  – 1.61 ميكروثانية
• عملية جمع الأعداد العشرية، وتعديلها مرتين  – 2.61 ميكروثانية
• عملية ضرب الأعداد العشرية، وتعديلها مرتين  – 4.97 ميكروثانية

إحدى ميزات جهاز أطلس كانت تقنية "الرمز الإضافي"، وهي تقنية تسمح بتنفيذ التعليمات المعقدة في البرمجيات. وقد ساهمت الأجهزة المخصصة في تسريع عملية الدخول إلى روتين الرمز الإضافي والعودة منه، بالإضافة إلى الوصول إلى المعاملات؛ كما تم تخزين رمز روتينات الرمز الإضافي في ذاكرة القراءة فقط (ROM)، والتي يمكن الوصول إليها بشكل أسرع من ذاكرة النظام الأساسية.

كانت البتات العشر العليا من تعليمات آلة أطلس ذات 48 بت تمثل رمز العملية . إذا كانت البتة الأكثر أهمية مضبوطة على الصفر، فهذه تعليمات آلة عادية تُنفذ مباشرةً بواسطة العتاد. أما إذا كانت البتة العليا مضبوطة على واحد، فهذا رمز إضافي (Extracode) يُنفذ كنوع خاص من قفزات الروتينات الفرعية إلى موقع في الذاكرة الثابتة ( ROM )، ويُحدد عنوانه بواسطة البتات التسع الأخرى. تم تنفيذ حوالي 250  رمزًا إضافيًا من أصل 512 رمزًا ممكنًا.

كانت الرموز الإضافية تُعرف اليوم باسم مقاطعات أو مصائد البرامج . استُخدمت هذه الرموز لاستدعاء العمليات الحسابية التي كان تنفيذها في الأجهزة غير فعال، مثل الجيب واللوغاريتم والجذر التربيعي . ولكن حوالي نصف هذه الرموز صُممت كوظائف للمشرف، والتي بدورها استدعت إجراءات نظام التشغيل . ومن الأمثلة الشائعة على ذلك: "اطبع الحرف المحدد على الدفق المحدد" أو "اقرأ كتلة من 512 كلمة من الشريط المنطقي N". كانت الرموز الإضافية الوسيلة الوحيدة التي يمكن للبرنامج من خلالها التواصل مع المشرف. كما امتلكت أجهزة بريطانية أخرى في تلك الحقبة، مثل فيرانتي أوريون ، آليات مماثلة لاستدعاء خدمات أنظمة تشغيلها.

ابتكرت شركة أطلس العديد من مفاهيم البرمجيات التي لا تزال شائعة الاستخدام حتى اليوم، بما في ذلك برنامج أطلس سوبرفايزر ، "الذي يعتبره الكثيرون أول نظام تشغيل حديث يمكن التعرف عليه". ^{[ 25 ]}

كانت لغة "أطلس أوتوكود" من أوائل لغات البرمجة عالية المستوى المتاحة على جهاز أطلس ، وقد ظهرت بالتزامن مع لغة "ألغول 60" وصُممت خصيصًا لمعالجة ما اعتبره توني بروكر بعض العيوب في "ألغول 60". مع ذلك، دعم جهاز أطلس لغة "ألغول 60" ، بالإضافة إلى لغات "فورتران" و "كوبول" ، ولغة "أبل" (لغة أطلس الأساسية، وهي لغة إدخال رمزية قريبة من لغة الآلة). وباعتباره جهازًا جامعيًا، فقد كان يحظى بشعبية واسعة بين الطلاب، الذين أتيحت لهم إمكانية الوصول إلى بيئة تطوير محمية لشفرة الآلة .  

تمت كتابة العديد من المترجمات باستخدام مترجم بروكر موريس (BMCC) ، والذي يعتبر الأول من نوعه.

كما احتوى على لغة برمجة تُسمى SPG (مولد برامج النظام). أثناء التشغيل، كان بإمكان برنامج SPG تجميع المزيد من البرامج لنفسه. وكان بإمكانه تعريف واستخدام وحدات الماكرو . وكانت متغيراته محصورة بين قوسين زاويين، وكان يحتوي على محلل نصوص، مما جعل نص برنامج SPG يُشبه صيغة باكوس-ناور .

منذ البداية، صُمم حاسوب أطلس العملاق ليكون نظام تشغيل متكاملاً. احتوت مكوناته المادية على خصائص محددة سهّلت عمل نظام التشغيل. فعلى سبيل المثال، كان لكل من إجراءات التعليمات البرمجية الإضافية وإجراءات المقاطعة مساحة تخزين وسجلات وعدادات برامج مخصصة؛ ولذلك كان التبديل بين وضع المستخدم ووضع التعليمات البرمجية الإضافية أو الوضع التنفيذي، أو العكس، سريعًا للغاية.