нижнее белье для полных
მედიცინის კვლევები

   Велика Радянська Енциклопедія

Цифрова обчислювальна машина

   
 

Цифрова обчислювальна машина (ЦВМ), обчислювальна машина , перетворююча величини, представлені у вигляді набору цифр (чисел). Найпростіші перетворення чисел, відомі з найдавніших часів, - це арифметичні дії (додавання і віднімання). Але арифметичні операції - лише окремий випадок перетворень величин, заданих в цифровій формі, і в сучасних ЦВМ вони складають лише невелику частину всього набору операцій, які машина виконує над числами.

Першими пристроями для найпростіших обчислень служили абаки і рахунки: з їх допомогою виконували арифметичні операції - додавання і віднімання (див. Обчислювальна техніка ). Ці інструменти позбавляли людину від необхідності пам'ятати таблицю додавання і записувати проміжні результати обчислень, тому що в ті часи папір (або її аналог) і друкарські інструменти були рідкістю. Важливим кроком у розвитку обчислювальних пристроїв стало винахід Б. Паскалем підсумовує машини (1641, по ін даними - 1643). В машинах Паскаля кожній цифрі відповідало певне положення розрядного колеса, розділеного на 10 секторів. Додавання в такій машині здійснювалося поворотом колеса на відповідне число секторів. Ідея використовувати обертання колеса для виконання операції додавання (і віднімання) пропонувалася і до Паскаля (наприклад, професором Тюбінгенського університету В. Шиккардом, 1623), але найважливішим елементом в машинах Паскаля був автоматичний перенесення одиниці в наступний, вищий розряд при повному обороті колеса попереднього розряду (так само, як при звичайному складення десяткових чисел в старший розряд числа переносять десятки, що утворилися в результаті складання одиниць, сотні - від складання десятків і т.д.). Саме це давало можливість складати багатозначні числа без втручання людини в роботу механізму. Цей принцип використовувався протягом майже трьохсот років (середина 17 - початок 20 ст.) при побудові арифмометрів (приводяться в дію від руки) і електричних клавішних обчислювальних машин (з приводом від електродвигуна).

Перші обчислювальні машини виконували наступні елементарні операції: додавання і віднімання, перенесення одиниці в наступний розряд при додаванні (або вилучення одиниці при відніманні), зрушення (переміщення каретки вручну в арифмометрах, автоматично в електричних машинах), множення (ділення) здійснювалося послідовними складання (вирахування). При цьому функції людини і машини в процесі обчислень розподілялися наступним чином: машина виконувала арифметичні операції над числами, людина керував ходом обчислювального процесу, вводив в машину числа, записував результати (остаточні і проміжні), шукав за таблицями значення різних функцій, що входять у розрахунок. При такому розподілі ролей підвищення швидкості виконання машиною арифметичних операцій лише незначно збільшувало швидкість обчислень в цілому, оскільки процедури, що виконуються людиною, становили більшу частину обчислювального процесу. Тому, незважаючи на те, що технічна швидкість електричних обчислювальних машин в принципі допускала виконання до 1000 арифметичних операцій в 1 ч, практично швидкість обчислень становила не більше 1000 операцій протягом 8-годинного робочого дня.

Кроком вперед у розвитку техніки ЦВМ було створення лічильно-перфораційних машин . У цих машинах все "людські" функції, окрім пошуку по таблицях, покладалися, по суті, на машину. Правда, для введення вихідних даних їх необхідно було попередньо нанести на перфораційні карти . Ця операція виконувалася людиною окремо на спеціальному пристрої. У машину вводилася колода підготовлених перфокарт, і далі вже без втручання людини машина зчитувала які у них дані і виконувала всі необхідні обчислювальні операції. Проміжні результати обчислень записувалися в запам'ятовуючі регістри , остаточні друкувалися на папері (або виводилися на перфокарти, а потім спеціальне пристрій передруковувало їх з перфокарт на папір). Що стосується управління обчислювальним процесом, то порядок дій лічильно-перфорационной машини задавався відповідної комутацією електричних зв'язків на комутаційної дошці. Т. о., в рахунково-перфораційних машинах в зародковому вигляді вже містилися всі найважливіші елементи автоматичної ЦВМ, що працює без участі людини, після того як необхідна підготовка для виконання нею обчислювального процесу була закінчена. Лічильно-перфораційні машини мали арифметичний пристрій , пам'ять (у вигляді колоди перфокарт і регістрів для запам'ятовування проміжних результатів), пристрій введення (з перфокарт) і виведення даних. У цих машинах арифметичні операції виконувалися так само, як і в арифмометрах, за допомогою механічних переміщень, що вельми обмежувало їх швидкодію. Але найбільш "вузьким місцем" цих машин було управління обчислювальним процесом. Оскільки управління (завдання послідовності елементарних операцій) здійснювалося шляхом відповідних з'єднань різних клем комутаційної дошки за допомогою проводів, то лише нескладні послідовності обчислювальних операцій могли бути "закоммутіровать". Ці операції могли повторюватися багато разів, тому лічильно-перфораційні машини особливо широко застосовувалися в тих випадках, коли рішення задачі зводилося до повторення простих наборів операцій, наприклад при вирішенні завдань бухгалтерського обліку, простих завдань статистичного аналізу; найскладнішими для вирішення на лічильно-перфораційних машинах були звичайні лінійні диференціальні рівняння другого порядку.

До 70-их рр.. 20 в. лічильно-перфораційні машини практично повсюдно вийшли з ужитку у зв'язку із заміною їх більш досконалими і універсальними електронними ЦВМ. Але в історичному плані значення лічильно-перфораційних машин полягало в тому, що їх застосування дозволило накопичити досвід машинної обробки інформації і зрозуміти, що ж необхідно для створення автоматичних ЦВМ. Автоматично діюча ЦВМ незалежно від фізичного пристрою, повинна мати такими функціональними можливостями: виконувати операції (у т. ч. арифметичні) над величинами ("словами"), заданими в цифровій формі; запам'ятовувати вихідну інформацію (вихідні дані та опис обчислювального алгоритму - програму) і результати обчислень; керувати обчислювальним процесом, тобто автоматично настроювати машину на виконання чергової операції відповідно до програми; "спілкуватися з людиною", тобто сприймати від нього вихідну інформацію і видавати потрібні йому результати обчислень. Зазвичай ці функції виконуються відповідними пристроями ( рис. 1 ). Однак можливо також і часткове поєднання функцій в одному пристрої, але в кожному разі виконання всіх цих функцій - обов'язкова умова для автоматичної ЦВМ. Кожна ЦВМ повинна мати "цифрові елементи", що володіють кінцевим числом стійких станів; число таких станів має дорівнювати числу цифр тієї системи числення, яка прийнята в даній ЦВМ. Так, в настільних механічних ЦВМ (наприклад, арифмометрах) такими елементами служать т. н. цифрові колеса, приймаючі десять певних положень (відповідно до десяткового системою числення). Електронні цифрові елементи найбільш просто реалізуються з двома стійкими станами. Тому в електронних ЦВМ краща двійкова система числення, в якій є лише дві цифри: "0" і "1". Перехід на цю систему числення не тільки полегшив уявлення чисел, але й істотно спростив виконання операції над ними. Наприклад, цифровий елемент суматора в цьому випадку повинен мати такі властивості: змінювати стан на протилежне кожен раз при надходженні одиничного сигналу (відповідного додатку 1) і, якщо цифровий елемент був уже в стані "1", одночасно зі зміною свого стану посилати одиничний сигнал в цифровий елемент наступного, старшого розряду суматора. Дія множення зводиться до багаторазових додаткам множимо і зрушень (поділ - до віднімання та зрушенням). Істотно спрощуються в двійковій системі числення і логічні операції . Скільки-небудь складний обчислювальний алгоритм містить звичайно розгалуження обчислювального процесу, повторення обчислювальних процедур, різні умови, що накладаються на точність обчислень, і багато ін вказівки. Машина повинна "розуміти" ці вказівки і сама "приймати рішення" про своєчасне їх виконання; такі дії машини не є арифметичними, вони призначені для логічного аналізу ситуацій. Одна із самих звичайних процедур машини: якщо має місце така-то ситуація, то слід виконати такий-то крок обчислювального алгоритму (команду програми), інакше потрібно перейти до реалізації деякої ін команди. Включення до складу операцій обчислювальної машини крім арифметичних ще і логічних призвело до того, що можливості електронних ЦВМ вийшли далеко за межі їх прямого призначення (арифметичних обчислень) і ЦВМ стали універсальними перетворювачами дискретної інформації. А тому безперервна інформація практично завжди може бути аппроксимирована дискретної, то можна сказати, що сучасні електронні ЦВМ є універсальними перетворювачами інформації будь-якого виду.

Перша електронна ЦВМ - ЕНІАК була побудована в 1945 і вступила в дію в 1946 в США. При створенні перших електронних ЦВМ не було необхідності винаходити нові елементи спеціально для них: такі елементи вже використовувалися в системах автоматичного управління і особливо в радіолокаційних установках. Треба було лише пристосувати їх для використання в ЦВМ. Цифровим елементом перших електронних машин був тригер , зібраний на електронних лампах (двох тріодах ). Вибір такого цифрового елемента призвів до того, що перша електронна ЦВМ містила велику кількість електронних ламп і була вельми ненадійною в роботі. Все ж саме з ЕНІАК почалася історія електронних ЦВМ. Значення ЕНІАК у розвитку обчислювальної техніки визначається насамперед тим, що вона показала - завдання створення автоматичної ЦВМ, що працює за заздалегідь заданою програмою, в принципі здійсненна, для чого необхідна лише її технологічна доробка. З цього моменту в багатьох країнах почалися енергійні пошуки, спрямовані на створення надійних електронних цифрових елементів і розробку раціональних структур ЦВМ.

Пошуковий етап у розвитку ЦВМ закінчився до початку 50-х рр.. створенням типовою ЦВМ 1-го покоління, в якій цифровим елементом оперативної пам'яті служить кільцевої феритовий сердечник з прямокутною петлею гістерезису, що володіє двома стійкими станами залишкової намагніченості, а основним елементом пристрої керування й арифметичного пристрою був тригер на електронних лампах. Надійність ЦВМ 1-го покоління була значно вище, ніж у перших ЦВМ; окрім заміни тригерів в пам'яті ЦВМ феритовими сердечниками, підвищення надійності ЦВМ - результат цілого ряду технологічного удосконалення. Т. до. по чисто технологічних причин створення швидкодіючого ферритового запам'ятовує великого обсягу в той період було нездійсненне, то в ЦВМ, поряд з пристроями, що запам'ятовують на феритових сердечниках, використовувалися ( і використовуються досі) відносно повільні периферійні або зовнішні пристрої, що запам'ятовують на магнітних стрічках , магнітних дисках , магнітних барабанах , ємність яких обмежується, взагалі кажучи, лише розмірами займаної ними площі. Безперервно зростаюча складність завдань, що вирішуються за допомогою ЦВМ, вимагала ускладнення структури обчислювальних машин, збільшення числа електронних елементів, що супроводжувалося збільшенням габаритів лампових машин і споживаної ними потужності. Незважаючи на технологічні вдосконалення, електронна лампа залишалася самим ненадійним елементом ЦВМ 1-го покоління; використання ламп стало гальмувати подальший розвиток техніки ЦВМ.

У середині 50-х рр.. в ЦВМ на зміну електронним лампам прийшли напівпровідникові прилади - діоди і транзистори . Т. к. термін служби напівпровідникових приладів значно вище, ніж в електронних ламп, то з переходом на нову елементну базу істотно підвищилася надійність ЦВМ, помітно зменшилися і габарити машин. З впровадженням цифрових елементів на напівпровідникових приладах почалося створення ЦВМ 2-го покоління.

Удосконалення обчислювальних машин було направлено на підвищення їх швидкодії ; у машин 1-го покоління швидкодія зросла від кількох сотень операцій в 1 сік до декількох десятків тис. операцій в 1 сек; перші транзисторні машини мали швидкодію близько 5 тис. операцій в 1 сек і в процесі розвитку досягли рівня 10-15 млн. операцій в 1 сек (ЦВМ CDC-7600, США).

Однак при тій організації обчислювального процесу, яка використовувалася в ЦВМ 1 - го покоління, подальше збільшення швидкодії вже практично не підвищувало продуктивності машин. У ЦВМ вводили програму вирішення деякої задачі і до закінчення рішення і виведення результатів обчислень не можна було вводити нову задачу. Але в усякому обчислювальному процесі, крім швидких операцій (наприклад, арифметичних або деяких логічних операцій), є і повільні операції, що їх механічними пристроями: зчитування вихідної інформації, вивід на друк результатів обчислень, пересилання інформації із зовнішнього пам'яті в оперативну та ін У міру підвищення швидкодії повільні операції займали все більшу частину загального часу роботи машини, тоді як " швидкі "пристрою машини (наприклад, арифметичний пристрій) простоювали і, т. о., удосконалення, що стосувалися тільки електронних елементів, не давали скільки-небудь помітного зростання продуктивності ЦВМ. Тому в 60-х рр.. відбулася істотна зміна структури ЦВМ, в результаті якого різні пристрої отримали можливість працювати незалежно один від одного за різними програмами. Це дозволило одночасно вирішувати на машині кілька завдань (див. Мультипрограмування ). Наприклад, у той час як в ході рішення одним із завдань здійснюється повільна операція (іноді вона триває кілька сек ), арифметичний пристрій встигає вирішити не одну, а кілька завдань. Найбільш продуктивні із сучасних ЦВМ одночасно можуть обробляти кілька десятків завдань. Роботою ЦВМ і формуванням потоку завдань управляє особлива програма - операційна система. мультипрограмному режим не прискорює вирішення однієї певної задачі, але вельми істотно підвищує загальну продуктивність ЦВМ.

Наступний етап у розвитку мультипрограмних режимів роботи - перехід до ЦВМ колективного користування (див. Мережа обчислювальних центрів). Введення завдань в машину не обов'язково повинен проводитися з одного пристрою введення, таких пристроїв може бути декілька, і розташовуватися вони можуть не в машинному залі, а безпосередньо у споживачів "машинних послуг", часто віддалених від ЦВМ на значну відстань. За допомогою таких пристроїв (терміналів) По лініях зв'язку (зазвичай телефонним) завдання вводять в машину, яка сама визначає їх черговість, час їх вирішення. Результати рішення також по лініях зв'язку направляються на термінали, які повинні мати вивідні пристрої, друкувальний пристрій або дисплей (див. Відображення інформації пристрій).

Створення мультипрограмних машин призвело до розвитку систем ЦВМ колективного користування, що поєднують у єдине ціле кілька машин з різною продуктивністю і обслуговуючих одночасно десятки і сотні споживачів, розташованих не лише в різних містах, але нерідко в різних країнах. Таке використання ЦВМ вимагало розширення їх функціональних можливостей і, отже, ускладнення їх структури; напівпровідникова техніка вже не відповідала вимогам розвитку ЦВМ як щодо габаритів і споживання енергії, так і щодо їх технологічності і надійності.

На зміну ЦВМ 2-го покоління в 60-х рр.. прийшли машини 3-го покоління, побудовані на інтегральних мікросхемах (див. Інтегральна схема). У ЦВМ 2-го покоління елементарний блок збирався з окремих деталей (діодів, транзисторів, конденсаторів, резисторів і т.п.), що з'єднуються за допомогою пайки. Такі блоки, хоча і значно менших габаритів, ніж лампові панелі машин 1-го покоління, все ж мали помітні розміри (до декількох десятків, іноді сотень см3), а місця пайки були джерелом частих відмов. Застосування в ЦВМ інтегральних мікросхем дозволило підвищити насиченість блоків ЦВМ без збільшення їх фізичних розмірів. Якщо перші інтегральні мікросхеми (ІС) замінювали один блок ЦВМ 2-го покоління, то великі інтегральні мікросхеми (ВІС) - кілька десятків таких блоків, і ступінь їх насичення (інтеграції) безперервно зростає. До електронних ЦВМ 4-го покоління часто відносять машини, побудовані на БІС. Однак така класифікація навряд чи обгрунтована, тому що немає чіткої межі між "звичайними" інтегральними мікросхемами і "середніми", між "середніми" і "великими", між "великими" і "надвеликими". Значно важливіший чинник в розвитку електронних ЦВМ - зміна основних елементів оперативної пам'яті. Якщо ЦВМ 1-го, 2-го і 3-го поколінь мають у своєму складі запам'ятовують пристрої на феритових сердечниках, то в ЦВМ 4-го покоління в якості елементів пам'яті знаходять застосування напівпровідникові прилади, що виготовляються за технологією, аналогічною технологією виготовлення інтегральних мікросхем. Зразки такої пам'яті невеликого обсягу створювалися і використовувалися (начло 70-х рр..) Як "надшвидкодіюча пам'ять"; в середині 70-х рр.. намітилася тенденція створення оперативної пам'яті на напівпровідниках і використання феритових запам'ятовуючих пристроїв у якості додаткової "повільною" пам'яті.

Для 70-х рр.. дуже характерно явище "поляризації" в техніці ЦВМ: з одного боку, застосування обчислювальних систем колективного користування призводить до створення надпотужних машин з швидкодією порядку декількох десятків млн. операцій в секунду і з дуже великими обсягами оперативної пам'яті; з ін боку, для індивідуального використання, а також для керування технологічними процесами та обробки експериментальних даних у дослідних лабораторіях створюються малі ЦВМ (або міні-ЦВМ, мінікомп'ютери) - малогабаритні машини (включаючи настільні) з середнім швидкодією. Міні-ЦВМ, з'єднані лініями зв'язку з потужними обчислювальними системами колективного користування, можуть застосовуватися як термінали. Приставка "міні" відноситься головним чином до розмірів машин, т. к., наприклад, по продуктивності малі ЦВМ нерідко перевершують найпотужніші машини 1-го покоління. Намітилася також тенденція до скорочення випуску машин середньої потужності, оскільки міні-ЦВМ можуть забезпечити вирішення більшої частини завдань індивідуального споживача, а для вирішення складних завдань вигідніше звернутися до обчислювальних систем колективного користування. У кінці 60 - початку 70-х рр.. надпотужні ЦВМ стають мультіпроцесорними, тобто в одній такій машині зосереджується кілька процесорів, що функціонують одночасно (паралельно). Перевага мультипроцесорних систем для одночасного вирішення багатьох завдань очевидно, але наявність в одній обчислювальній системі декількох процесорів в принципі дозволяє розчленувати також і процес розв'язання однієї задачі, оскільки кожен реальний обчислювальний алгоритм містить ряд гілок, виконання яких може проводитися незалежно один від одного, що дає вельми велике скорочення часу рішення задачі. Мультипроцесорні ЦВМ, технологічною основою яких є БІС, слід, мабуть, віднести до машин 4-го покоління.

ЦВМ знаходять все більше застосування в різних сферах людської діяльності. Найважливіші області їх використання (кінець 70-х рр..): Науково-технічні розрахунки, в основі яких лежать математичні методи; автоматизація проектування технічних об'єктів; економічні розрахунки (економіко-статистичний аналіз, демографічна статистика, планування, дослідження операцій, бухгалтерський і матеріальний облік ); інформаційно-довідкова служба (науково-технічна інформація, бібліотечна, диспетчерська служба та ін); математичне моделювання в "описових" науках - біології, медицині, геології, соціології та ін; автоматичне керування технологічними процесами, транспортними засобами, а також складними експериментальними установками.

Літ.: Китів А. І., Криницький Н. А., Електронні цифрові машини та програмування, 2 вид., М., 1961; Мультипроцесорні обчислювальні системи, під ред. Я. А. Хетагурова, М., 1971; Каган Б. М., Канівський М. М., Цифрові обчислювальні машини і системи, 2 вид., М., 1973; Бардіж В. В., Магнітні елементи цифрових обчислювальних машин, 2 вид., М., 1974; Апокін І. А., Майстрів Л. Є., Розвиток обчислювальних машин, М., 1974; Преснухин Л. Н., Нестеров П. В., Цифрові обчислювальні машини, М., 1974 ; Корольов Л. Н., Структури ЕОМ та їх математичне забезпечення, М., 1974.

© А. А. Дородніцин.





Виберіть першу букву в назві статті:

а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я

Повний політерний каталог статей


 

Алфавітний каталог статей

  а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я
 


 
енциклопедія  біляші  морс  шашлик  качка