プラグボード

プラグボードまたはコントロール パネル(使用される用語はアプリケーション領域によって異なります) は、パッチ コードを挿入して電気回路を完成できるジャックまたはソケット (多くの場合ハブと呼ばれます)の配列です。コントロール パネルは、ユニット レコード機器、暗号機、初期のコンピューターの操作を指示するために使用されることがあります。穴の配列は、機械に挿入して接点の配列に押し付けることができる平らな取り外し可能なパネルに含まれていることがよくあります。これにより、機械をさまざまなアプリケーション間ですばやく切り替えることができます。

マシンの接点は、リレー、カウンター、各カード リーダー列からの入力、カード パンチ列またはプリンター位置への出力など、マシンを構成するさまざまなデバイスに配線されています。プラグボードの配線は、これらのデバイスを接続して、カードの読み取りや列のグループにパンチされた数字の合計など、特定の機能を実行します。現代の比較では、フィールド プログラマブル ゲート アレイ(FPGA) で、プラグボードは FPGA の配線層と同じ役割を果たします。

初期のマシンは特定のアプリケーション用にハードワイヤードでした。電話交換機にヒントを得て、オットー・シェフラーはタビュレーターを簡単に再プログラムできるようにプラグボードを発明しました。^{[3] [4]} アプリケーションは別のコントロールパネルに配線され、必要に応じてタビュレーターに挿入できるようになりました。取り外し可能なコントロールパネルは、マシンをさまざまなアプリケーションに使用するために配線し直す必要のあるすべてのユニットレコードマシンで使用されるようになりました。

IBMの取り外し可能なコントロールパネルのサイズは、6 1/4インチ×10 3/4インチ（IBM 077、IBM 550、IBM 514などのマシンの場合）から、一辺が約1〜2フィート（300〜600 mm）までで、ハブが長方形に並んでいました。^{[5]単導体パッチコードの両端の} プラグをハブに挿入すると、コントロールパネルをマシンに置いたときにマシン上の2つの接点が接続され、送信ハブが受信ハブまたは入力ハブに接続されます。たとえば、カード複製アプリケーションでは、カード列読み取り（送信）ハブがパンチマグネット入力ハブに接続される場合があります。適切な配線により、一部のフィールドを（おそらく別の列に）コピーし、他の列を無視することは比較的簡単でした。タブレーターコントロールパネルでは、アプリケーションによっては数十本のパッチコードが必要になる場合があります。

タビュレーターの機能は、機械部品と電気部品の両方で実装されていました。コントロール パネルにより、さまざまなアプリケーションに合わせて電気接続を変更することが簡単になりましたが、ほとんどのタビュレーターの使用方法を変更するには、依然として機械的な変更が必要でした。IBM 407 は、このような機械的な変更を必要としない最初の IBM タビュレーターでした。407 のすべての機能は電気的に制御され、アプリケーションのコントロール パネルとキャリッジ テープによって完全に指定されていました。

コレーター、インタープリターからIBM 407まで、コントロール パネルを備えたほとんどのマシンについて、IBM のマニュアルでは、コントロール パネルは「指示する」または「自動操作は... によって得られる」と説明されています。IBM 602やIBM 604などの計算機のコントロール パネルは、一連の操作を指定するものであり、プログラムであると説明されていました。

ユニット レコード機器は、通常、取り外し可能なコントロール パネルを使用して特定のタスク用に構成されます。ユニット レコード マシン内のさまざまなコンポーネントの電気接続はパネル上に表示され、それらの間の接続は配線によって決定され、実際の接続はパネルがマシンに挿入され、所定の位置にロックされたときに行われます。おそらく、最も近い現代のアナログは、固定数のロジック コンポーネントが使用可能で、それらの相互接続配線がユーザーによって決定される フィールド プログラマブル ゲート アレイです。

ユニットレコード制御パネルの配線には、マシンのコンポーネントとそのタイミング制約に関する知識が必要でした。ほとんどのユニットレコードマシンのコンポーネントは、回転シャフトに同期していました。1 回転が 1 回のマシン サイクルを表し、その間にパンチ カードが1 つのステーションから次のステーションに進み、行が印刷され、合計が印刷されるなどします。サイクルは、パンチ カードの行が読み取りステーションまたはパンチ ステーションの下にいつ表示されるかに応じてポイントに分割されました。ほとんどの^[6]マシンでは、カードは 9 エッジ (下端) から順に、下向きに給紙されます。したがって、カード サイクルの最初のポイントは 9 時間、2 番目は 8 時間、というように 0 時間まで続きます。9 から 0 までの時間は数字と呼ばれていました。これに続いて 11 時間、12 時間、つまりゾーンが続きます。

読み取りステーションでは、80 本のスプリング ワイヤブラシのセットが、各列に 1 本ずつカードに押し付けられていました (ブラシなしで構築された 407 読み取りステーションは、カードを固定してカードを複数回読み取ることができ、そのたびに 80 本のスプリング ワイヤ ステーションによって生成されるのと同じインパルスが生成されます)。穴がブラシの下を通過すると、ブラシは電源に接続されたカードの下の導電性表面に接触し、電気パルス ( IBM 用語ではインパルス) が生成されます。各ブラシはコントロール パネル上の個別のハブに接続されており、必要に応じてそこから別のハブに配線できます。ワイヤ上のインパルスによって引き起こされる動作は、サイクルのどの時点で発生したかによって決まります。これは、単純な形式の時分割多重化です。したがって、列 26 のパンチ マグネットに接続されたワイヤで 7 のタイミングで発生するインパルスは、列 26 の行 7 に穴を開けます。同じワイヤで 4 のタイミングで発生するインパルスは、列 26 に 4 をパンチします。このようにタイミングが調整されるインパルスは、カードがブラシの下を通過するときにカードに開けられた穴を検出する読み取りブラシから発生することがよくありますが、このようなパルスは、カウンター出力などの他の回路からも出力されます。ゾーン インパルスと数字インパルスは、どちらも英数字印刷に必要です。これらは両方とも 1 本のワイヤで送信でき、サイクル内の時間に基づいて リレー回路によって分離されます。

各マシン タイプのコントロール パネルには、論理的な配置で出口 (出力) ハブと入口 (入力) ハブが表示されていました。多くの場所で、2 つ以上の隣接する共通ハブが接続され、その出口または入口に複数のワイヤを接続できるようになりました。ハブのいくつかのグループは一緒に配線されていましたが、内部回路には接続されていませんでした。これらのバス ハブは、必要に応じて複数のワイヤを接続するために使用できます。コントロール パネルの上で、3 本または 4 本のワイヤを結合するための、ワイヤ スプリットと呼ばれる小さなコネクタ ブロックも使用できました。IBM 402 パネルの写真には、いくつかが写っています。

ユニットレコードマシンのコンポーネントの機能と洗練度は20世紀前半に進化し、特定のマシンタイプのニーズに特化することが多かった。以下のハブグループは、後のIBMマシンの典型的なものであった。^[7]

• 読み取りブラシ、 80 個の出口ハブ、各カード列に 1 つ。集計機には 2 つまたは 3 つの読み取りステーションがあり、それぞれに 80 個のハブのセットがあります。複製パンチには、パンチ ステーションの後に検証用の追加の読み取りステーションがある場合があります。
• パンチ マグネット複製パンチなどのカードに穴を開ける機械には、カードの各列にハブ エントリがあります。これらのエントリの 1 つにインパルスが加わると、電磁石が作動して、その列の位置に穴を開けます。
• 印刷エントリ、各印刷位置に 1 つのハブ。これらのエントリへのインパルスは、印刷バーまたはホイールの動きを制御し、印刷ハンマーの下に正しいタイプ要素を配置します。407 には、各印刷ホイールからの出口もあり、そこからカウンターに加算または減算を送出できます。これにより、合計が常に印刷されたものと一致することが保証されます。
• カウンターエントリ。IBMの 402 または 407 シリーズなどのタビュレーティング マシンには、異なるサイズのカウンターがいくつか用意されています (たとえば、IBM 402/403 には、2、4、6、8 桁のカウンターがそれぞれ 4 セットあり、2A、2B、2C、2D、4A、4B などのラベルが付けられています)。各カウンターには、加算 (プラス) または減算 (マイナス) を指定するためのカウンター制御エントリーが 2 つあります。どちらもパルスが送られないと、演算は実行されません。加算が命令されると、列からカウンター エントリ ハブに配線された数字インパルスによってカウンター ホイールが回転し始めます。0 時に自動的に停止します。したがって、8 時にパルスが送られると、ホイールが 8 ステップ進み、そのカウンター位置に値 8 が追加されます。グループ内の桁上げは自動的に実行されます。桁上げハブと桁上げハブによってカウンターを結合し、より長い数値を累算できます。減算はより複雑で、9 の補数演算を使用します。
• カウンターの合計出力。カウンターの合計入力ハブにより、カウンターは合計パルスを出力し、これを印刷位置に配線できます。合計が印刷されると、カウンターはリセットされます。特別な回路により、負の値は 9 の補数ではなく正しく印刷され、負の数値の横に適切な記号 ( 「cr」または「-」) を印刷するための特別な出力が提供されます。
• 比較。単純な比較回路には、2 つのエントリと 1 つの出口があり、異なる時間にパルスがエントリに到着するたびにパルスを発します。一部のマシン (コレーターなど) は、数値が等しくない場合にどちらの数値が大きいかを検出できます。集計マシンは、連続するカードのアカウント番号を比較し、新しいアカウント番号が出現すると合計を印刷します。比較機能については、IBM は反対の電磁石を使用して、現在XOR ゲートと呼ばれるものを実装しました。どちらの磁石も通電されないか、両方の磁石が同時に通電されると、リレー アーマチュアは動きません。1 つの磁石だけが通電されると、アーマチュアが動いて、両側にある 2 つの接点の 1 つに触れます。2 つの接点は内部で一緒に配線され、比較が等しくないことを示す出口ハブに接続されていました。
• ディストリビュータを使用すると、入力間に逆回路を作成することなく、出力パルスを複数の入力に配線できます。
• エミッターは、カードサイクルの指定された時間ごとに自動的にパルスを生成する 12 個の出口ハブのセットです。12 個の出口ハブは、カードサイクルとともに回転するロータリースイッチの接点に配線されています。したがって、エミッターからパンチマグネットエントリに 6 出口を配線すると、その位置に 6 がパンチされます。エミッターは、日付などの数値定数を各カードに入力するために使用できます。英数字定数データは、数字とゾーンパルスを慎重に組み合わせることで作成できます。407 などの後のマシンには、1 本のワイヤのみを使用する英数字エミッターの完全なセットもありました。
• セレクタは、リレー磁石が通電されているかどうかに応じて、共通エントリからのパルスを 2 つの出力のいずれかに送ります。「ピックアップ」リレーの通電方法が異なる多くのタイプのセレクタが採用されました。最も単純なケースである即時(I) エントリでは、パルスを受信すると磁石が通電され、サイクルの残りの間保持されます。パイロット セレクタと呼ばれるより複雑なセレクタには、セレクタ磁石が次のマシン サイクルでピックアップする D エントリ ハブと、遅延するが 11 または 12 パルスによってのみトリガーされる X エントリ ハブがあります。ほとんどの場合、パルスが検出されたときにはそのサイクルで確実にアクションを実行するには遅すぎるため、1 サイクルの遅延が必要でした。コ セレクタには即時入力しかありませんが、5 セットの接点があり、通常はパイロット セレクタのカップリング出口によってトリガーされるため、この名前が付けられています。
• 数字セレクタはエミッターに似ており、サイクル ポイントごとに 1 つの出口ハブがありますが、サイクルが進むにつれて次の出口ハブに切り替わるエントリ ハブもあります。数字セレクタは、エントリ ハブを一定のサイクル パルス ソースに配線することで、数字エミッターに変換できます。ただし、他の信号を供給して、特定の数字を検出するために使用することもできます。最初の読み取りブラシを数字セレクタのエントリに配線し、たとえばその 4 の出口をパイロット セレクタの D エントリに接続すると、最初の読み取りブラシの列に 4 がパンチされた場合、そのセレクタは次の読み取りサイクルに転送されます。
• 列分割は、11 番目と 12 番目の時間のみ通電されるリレーであり、これにより、桁パルスをゾーン パルスから分離できます。
• ストレージ。407や 602 などの後期のマシンは、エミッターに似た機械装置によって、後で使用するために複数の値を保存できます。ただし、この機械装置には、インパルスをどの時点で送信するかを決定するスライド接点が含まれています。値が保存されると、接点スライダーは電気機械的に配置され、ストレージがクリアされるまでその位置に留まります。

プラグボードは有名なエニグマ暗号機で使用されていましたが、取り外しはできませんでした。この場合、プラグボードはローター暗号機の動作において「第 4 ローター」として機能しました。プラグボードの配線は、どのローターをどのスロットに挿入するか、どのプラグボード接続を行うかを指定する「日付設定」の一部でした。実際には、プラグボードによって生成される暗号のセキュリティは向上しましたが、ローターとは異なり、キーを押すたびに変化することはないため、その影響は限られていました。「エニグマの暗号解読」を参照してください 。

ENIACコンピュータの最初のバージョンは、ケーブル、スイッチ、およびプラグボードを介してプログラムされていました。ENIAC のケーブルは、後に既存の機能テーブル データ ROM メモリをプログラム ROM メモリとして使用するように再構成されました (再構成された ENIAC でも、スイッチとプラグボードは引き続き使用されました)。

IBM 305 RAMACは、すべてのプログラム比較操作とすべての分岐操作にプラグボードを使用していました。他のプラグボードは、カードの読み取りとパンチ、プリンター、コンソールタイプライターを制御しました。^[8] IBM 700/7000シリーズやIBM 650を含む第1世代および第2世代のIBMコンピューター用の多くの周辺機器、たとえばIBM 711や716は、ユニットレコードマシンに基づいており、プラグボードが含まれていました。

プラグボードは、読み取り専用メモリ(ROM) として機能しながらも、現場で手動で再プログラムできるため、特殊用途のコンピュータでしばらく使用されていました。一例として、ブリストル ブラッドハウンドミサイルで使用されたFerranti Argusコンピュータがあります。このコンピュータは、小さなフェライト棒をスロットに挿入してプログラムするプラグボードを備えており、実質的に手動で 読み取り専用のコア メモリを作成します。

• エニグママシン
• パワーズ・サマスは、プラグボードの代わりに機械的な連結部を備えた取り外し可能な「接続ボックス」を使用したユニット記録機器のイギリスのメーカーです。
• 電話交換機
• ブレッドボード、電子機器の試作に使用されるはんだ付け不要のプラグボードの用語

• IBM (1956). IBM パンチカードデータ処理装置: 機能配線原理(PDF) . 22-6275-0. 2010-08-09 にオリジナル(PDF)からアーカイブ。2007-11-06に取得。
• Brooks Jr., Frederick P.; Iverson, Kenneth E. (1963) Automatic Data Processing、Wiley、494 ページ。IBM と Remington Rand のユニット レコード マシンとコントロール パネルの配線についてわかりやすく説明されています。

ウィキメディア・コモンズには、プラグボードに関連するメディアがあります。

• コロンビア大学コンピューティングの歴史: IBM コントロール パネル
• IBM アーカイブ: IBM 407 コントロール パネルの写真
• ライス、レックス (1954)。「プラグボードを試してみませんか?」。1954 年 12 月 8 ～ 10 日、東部共同コンピュータ会議の議事録: AIEE-IRE '54 (東部) での小型デジタル コンピュータの設計と応用。ACMプレス。pp. 4 ～ 11。doi : 10.1145 / 1455270.1455272。ISBN 978-1-4503-7855-0. S2CID  17341809。