IBM 704

IBM 704 ime je za računalo prve generacije koje je razvila tvrtka IBM i jedan je iz serije računala IBM 700. Ovo računalo se proizvodilo od 1954. do 1964. godine.. Povijesna važnost ovog računala jest da je na njemu bio razvijen programski jezik FORTRAN i LISP te SAP asembler.

Povijest razvoja IBM 700 serije

IBM 700 serija bila je prva generacija komercijalnih znanstvenih računala koju je IBM razvio početkom 1950-ih. Serija je započela s modelom IBM 701 (1952.), poznatim kao „Defense Calculator“, koji je bio namijenjen vojnoj i zrakoplovnoj industriji.

• IBM 702 (1953.) bio je poslovno orijentiran sustav, dok je IBM 703 bio eksperimentalni model.
• IBM 704 je postao temelj za razvoj FORTRAN-a (1957.), prvog visokorazinskog programskog jezika.

Pravi tehnološki iskorak dogodio se s modelom IBM 704 (1954.), prvim računalom koje je podržavalo:

• aritmetiku s pomičnim zarezom,
• indeksne registre,
• statusne indikatore,
• magnetsku jezgru kao primarnu memoriju.

Serija se nastavila s modelima IBM 709 (1958.) i IBM 7090 (1959.), koji su bili tranzistorski nasljednici i koristili se u NASA-i, NORAD-u i velikim znanstvenim centrima.

IBM 700 serija ostavila je dubok trag u povijesti računarstva, postavivši standarde arhitekture koji su se zadržali desetljećima.

Arhitektura IBM 704

IBM 704 bio je jedno od prvih komercijalnih računala koje je uvodilo napredne koncepte arhitekture, uključujući rad s pomičnim zarezom, indeksne registre i statusne indikatore. Sustav je bio dizajniran za znanstvene i tehničke izračune, što ga je činilo ključnim alatom u laboratorijima, sveučilištima i ranim zrakoplovnim projektima.

Memorija

IBM 704 koristio je magnetsku jezgru kao primarnu memoriju, što je u to vrijeme predstavljalo veliki tehnološki napredak u odnosu na Williamsove cijevi korištene u IBM-u 701. Magnetska jezgra bila je brža, pouzdanija i omogućavala stabilno zadržavanje podataka bez potrebe za stalnim osvježavanjem.

Memorijske karakteristike IBM 704

Parametar	Vrijednost	Opis
Vrsta memorije	Magnetska jezgra	Stabilna, brza i pouzdana tehnologija za 1950-e.
Kapacitet	4096 riječi × 36 bita	Ukupno 147 456 bitova (18 432 bajta).
Vrijeme pristupa	~12 μs	Vrijeme potrebno za čitanje ili pisanje jedne riječi.
Format riječi	36-bitna riječ	Koristi se za instrukcije, podatke i floating-point brojeve.
Floating-point format	8-bitni eksponent + 27-bitna mantisa	Bez skrivenog bita; excess-128 eksponent.

Periferni uređaji

IBM 704 podržavao je širok spektar perifernih uređaja, što ga je činilo pogodnim za znanstvene, tehničke i administrativne zadatke. Ulazno/izlazni sustav bio je temeljen na magnetskim vrpcama, kartičnim čitačima i pisačima, uz mogućnost prikaza podataka na CRT zaslonima.

Periferni uređaji IBM 704

Uređaj	Model	Opis
Čitač kartica	IBM 711	Učitava programe i podatke s bušenih kartica.
Pisač	IBM 716	Ispisuje tekstualni izlaz; glavni uređaj za ljudsko čitanje rezultata.
Bušilica kartica	IBM 721	Zapisuje podatke na bušene kartice.
Magnetske vrpce	IBM 727	Glavni masovni spremnik; preko 5 milijuna znakova po vrpci.
Kontrolna jedinica vrpci	IBM 753	Upravljanje magnetskim vrpcama.
Magnetski bubanj	IBM 733	Dodatna memorija za brzi pristup.
Magnetska jezgra (RAM)	IBM 737	Primarna memorija sustava (4096 × 36-bitnih riječi).
CRT zaslon	IBM 740	21-inčni vektorski prikaz s dugom fosfornom postojanošću; korišten za vizualizaciju podataka.

Aritmetička jedinica (AC i MQ)

Aritmetička jedinica sastojala se od dva glavna 36-bitna registra:

• AC (Accumulator) – glavni registar za aritmetiku.
• MQ (Multiplier/Quotient) – registar za množenje i dijeljenje.

Ova dva registra zajedno su omogućavala učinkovite operacije nad velikim brojevima i pomičnim zarezom.

Indeksni registri (XR1, XR2, XR4)

IBM 704 je koristio tri indeksna registra:

• XR1
• XR2
• XR4

Indeksni registri omogućavali su modifikaciju adresa, implementaciju petlji i rad s velikim poljima podataka. Ovo je bio preteča modernog adresiranja u procesorima.

Senzorni indikatori (SI)

Sustav je imao 36 senzorskih indikatora koji su služili kao statusne zastavice:

• indikatori grešaka (overflow, divide check)
• indikatori stanja I/O uređaja
• korisnički definirani indikatori

Programi su mogli testirati i postavljati SI bitove, što je omogućavalo primitivne oblike upravljanja tokom programa.

Instrukcijski format

Instrukcije su bile 36-bitne, s poljima:

• opkod
• adresa
• indeksni modifikator
• bitovi za uvjetno grananje

Ovaj format omogućavao je fleksibilno adresiranje i kontrolu toka programa.

Instrukcijski skup IBM 704

Glavne grupe instrukcija IBM 704

Grupa	Primjeri	Opis
Aritmetičke instrukcije	ADD, SUB, MPY, DIV	Operacije nad AC i MQ registrima; podrška za cijele brojeve i pomični zarez.
Logičke instrukcije	CLA, CLM, COM	Čišćenje, komplementiranje i manipulacija bitovima.
Uvjetno grananje	TRA, TMI, TPL, TZE	Skokovi ovisno o sadržaju AC ili MQ.
Rad sa Sense Indicators	TSI, SSI, RSI	Testiranje, postavljanje i resetiranje statusnih bitova.
Indeksno adresiranje	AXT, TXI	Modifikacija adresa pomoću XR1, XR2, XR4.
Ulazno/izlazne instrukcije	RDS, WRS, RWT	Rad s magnetskom vrpcom, kartičnim čitačem i pisačem.
Kontrola toka programa	HLT, NOP	Zaustavljanje programa, prazna instrukcija.

Opkodovi IBM 704

Kompletan popis opkoda IBM 704

Opkod	Mnemonik	Grupa	Opis
000	NOP	Kontrola	Prazna instrukcija; ne radi ništa.
001	HLT	Kontrola	Zaustavlja izvršavanje programa.
002	TRA	Grananje	Bezuvjetni skok na adresu.
003	TRN	Grananje	Skok ako je AC negativan.
004	TMI	Grananje	Skok ako je AC manji od nule.
005	TPL	Grananje	Skok ako je AC veći od nule.
006	TZE	Grananje	Skok ako je AC jednak nuli.
007	TOV	Grananje	Skok ako je overflow zastavica postavljena.
010	ADD	Aritmetika	Zbrajanje sadržaja memorije s AC.
011	SUB	Aritmetika	Oduzimanje sadržaja memorije od AC.
012	MPY	Aritmetika	Množenje; rezultat ide u AC/MQ.
013	DIV	Aritmetika	Dijeljenje; količnik u MQ, ostatak u AC.
014	CLA	Logičke	Učitava vrijednost u AC.
015	CLM	Logičke	Učitava vrijednost u MQ.
016	COM	Logičke	Komplementira AC.
020	SHL	Logičke	Pomak ulijevo.
021	SHR	Logičke	Pomak udesno.
030	AXT	Indeksiranje	Učitava vrijednost u XR1, XR2 ili XR4.
031	TXI	Indeksiranje	Dodaje vrijednost indeksnom registru.
040	RDS	I/O	Čitanje s magnetske vrpce.
041	WRS	I/O	Pisanje na magnetsku vrpcu.
042	RWT	I/O	Čekanje na I/O operaciju.
050	TSI	Sense Indicators	Testira Sense Indicator n.
051	SSI	Sense Indicators	Postavlja Sense Indicator n.
052	RSI	Sense Indicators	Resetira Sense Indicator n.

Registri

Registri u računalu IBM 704

Podatkovni registri S Q P 01 02 03 ... 17 18 19 20 21 ... 35 (mjesto bit-a) Akumulator AC S   Množitelj/Količnik MQ 00 01 02 03 ... 17 18 19 20 21 ... 35 (mjesto bit-a)   Senzorni indikatori SI Indeksni registri 03 ... 17 (mjesto bit-a)   Indeksni Registar 1   XR1 (XRA)   Indeksni Registar 2   XR2 (XRB)   Indeksni Registar 4   XR4 (XRC) Brojač naredbi 03 ... 17 (mjesto bit-a)   Brojač Naredbi   IC

Senzorni indikatori

Senzorni indikatori - su posebni statusni bitovi u IBM 704 koj su se u praksi rabili za provjeru grešaka, grananje ovisno o stanju sustava, upravljanje perifernim jedinicama, te za signalizaciju posebnih događaja. Kroz njih programeri su mogli održavati stanje sustava, signalizirati određene uvjete tokom izvršavanje naredbi, čitanje i postavljanje naredbi i tako su služili za jednostane oblike upravljanja tokom programa.

Sense Indicators (IBM 704)

SI broj	Naziv / funkcija	Opis
0	Overflow flag	Postavlja se pri prekoračenju rezultata u akumulatoru (AC) ili količniku (MQ).
1	Divide check	Signalizira pogrešku pri dijeljenju, uključujući dijeljenje nulom.
2	I/O ready	Uređaj spreman za prijenos podataka.
3	I/O complete	Završetak operacije ulaza/izlaza.
4	Tape mark	Očitana oznaka kraja bloka na magnetskoj vrpci.
5	Printer ready	Pisač spreman za rad.
6	Card reader ready	Čitač kartica spreman.
7	Card punch ready	Bušilica kartica spremna.
8–15	Peripheral flags	Razni signali perifernih uređaja (disk, vrpca, pisač).
16–35	User-defined flags	Zastavice koje programer može slobodno koristiti za logiku grananja.

Korištenje u IBM 704 assembleru

IBM 704 je imao posebne instrukcije za rad sa Sense Indicators:

TSI n

Testira Sense Indicator n. Ako je postavljen, izvršavanje se nastavlja normalno; ako nije, preskače se sljedeća instrukcija.

TSI 3      / provjeri je li I/O complete
TRA DONE   / ako je postavljen, skoči na DONE

SSI n

Postavlja Sense Indicator n.

RSI n

Resetira Sense Indicator n.

TSI 1      / provjeri divide check
TRA ERROR  / ako je SI1 = 1, idi na ERROR

SSI 20     / postavi korisnički indikator 20
RSI 3      / resetiraj I/O complete indikator

Usporedba s modernim statusnim registrima

IBM 704 Sense Indicators	Moderni statusni registri (x86, ARM, RISC-V)
36 jednobitnih zastavica	8–32 bitni statusni registri
Ručno postavljanje i brisanje	Automatsko postavljanje od strane ALU
Koriste se za I/O signalizaciju	I/O signalizacija preko interrupt kontrolera
Jednostavne logičke zastavice	Zastavice za aritmetiku, usporedbe, prekide
Programer koristi dio SI kao "user flags"	Moderni jezici koriste varijable, strukture, objekte
Grananje preko TSI instrukcije	Grananje preko CMP/JMP, BEQ/BNE, BLT/BGT

Primjeri IBM 704 assembler koda

Zbrajanje dvaju brojeva

CLA A        / učitaj A u AC
ADD B        / dodaj B
STO C        / spremi rezultat u C

Provjera negativnog broja

CLA X        / učitaj X
TMI NEG      / ako je X < 0, idi na NEG
TRA DONE     / inače nastavi
NEG STO Y    / spremi negativnu vrijednost
DONE HLT

Množenje i dijeljenje

CLA A
MPY B        / AC*B → AC/MQ
DIV C        / (AC/MQ) / C → MQ (količnik), AC (ostatak)
STO Q        / spremi količnik
STO R        / spremi ostatak

Korištenje Sense Indicators

TSI 3        / provjeri I/O complete
TRA IO_OK    / ako je SI3 = 1, idi na IO_OK
SSI 20       / postavi korisnički indikator 20
IO_OK HLT

Performanse IBM 704

IBM 704 bio je jedno od najbržih znanstvenih računala svoje generacije. Njegova arhitektura s pomičnim zarezom, magnetskom jezgrom i specijaliziranim aritmetičkim registrima omogućavala je znatno bolje performanse u odnosu na prethodne modele IBM 701 i IBM 702. Sustav je bio optimiziran za matematičke operacije, simulacije, statističke izračune i obradu velikih numeričkih skupova podataka.

Performanse računala IBM 704

Parametar	Vrijednost	Opis
Brzina zbrajanja	~12 μs	Vrijeme potrebno za izvršavanje jedne ADD instrukcije.
Brzina množenja	~20 μs	Vrijeme za MPY instrukciju; rezultat ide u AC/MQ.
Brzina dijeljenja	~38 μs	Vrijeme za DIV instrukciju; količnik u MQ, ostatak u AC.
Memorija	4096 riječi × 36 bita	Magnetska jezgra; pristup ~12 μs.
Ciklus instrukcije	~12 μs	Prosječno vrijeme za dohvat i izvršavanje jednostavne instrukcije.
Brzina I/O operacija	7200 kartica/min (čitač)	Kartični čitač i bušilica bili su glavni ulazno/izlazni sustavi.
Magnetske vrpce	12 500 znakovnih blokova/s	Ovisno o uređaju; korišteno za masovno spremanje podataka.
Preciznost pomičnog zareza	27-bitni eksponent + 8-bitna mantisa	Omogućavalo znanstvene izračune velike preciznosti.

Pouzdanost

Iako je IBM 704 bio znatno pouzdaniji od svog prethodnika IBM 701, i dalje je bio stroj temeljen na vakuumskim cijevima, što je značilo relativno česte kvarove prema današnjim standardima. Prosječno vrijeme između kvarova iznosilo je oko 8 sati, što je ograničavalo veličinu programa koje je bilo moguće kompajlirati ili izvršavati bez prekida.

Prvi FORTRAN kompajleri morali su biti iznimno učinkoviti jer bi preduga kompilacija mogla biti prekinuta kvarom sustava. Unatoč tome, IBM 704 je bio dovoljno pouzdan da postane temelj za razvoj FORTRAN-a, LISP-a, ranih neuralnih mreža i brojnih znanstvenih projekata.

Pouzdanost IBM 704

Parametar	Vrijednost	Opis
MTBF (mean time between failure)	~8 sati	Prosječno vrijeme rada prije kvara.
Usporedba s IBM 701	~30 minuta	IBM 704 bio je znatno pouzdaniji od svog prethodnika.
Utjecaj na softver	Ograničena veličina programa	Kompilacije su morale biti kratke zbog mogućih kvarova.
Tehnologija	Vakuumske cijevi	Glavni uzrok kvarova i zagrijavanja sustava.