| 8695912 9216 5224 943 1лектрич. машинах), умножение (деление) осуществлялось последоват. сложениями (вычитаниями). При этом функции человека и машины в процессе вычислений распределялись след, обр.: машина выполняла арифметич. операции над числами, человек управлял ходом вычислит, процесса, вводил в машину числа, записывал результаты (окончательные и промежуточные), искал по таблицам значения различных функций, входящих в расчёт. При таком распределении ролей повышение скорости выполнения машиной арифметич. операций лишь незначительно увеличивало скорость вычислений в целом, поскольку процедуры, выполняемые человеком, составляли большую часть вычислит, процесса. Поэтому, несмотря на то, что технич. скорость электрич. вычислит, машин в принципе допускала выполнение до 1000 арифметич. операций в 1 ч, практически скорость вычислений составляла не более 1000 операций в течение 8-часового рабочего дня.
Шагом вперёд в развитии техники ЦВМ было создание счётно-перфорационных машин. В этих машинах все "человеческие" функции, кроме поиска по таблицам, возлагались, по существу, на машину. Правда, для ввода исходных данных их необходимо было предварительно нанести на перфорационные карты. Эта операция выполнялась человеком отдельно на специальном устройстве. В машину вводилась колода подготовленных перфокарт, и далее уже без вмешательства человека машина считывала содержащиеся в них данные и выполняла все необходимые вычислит, операции. Промежуточные результаты вычислений записывались в запоминающие регистры, окончательные печатались на бумаге (или выводились на перфокарты, а котом специальное устройство перепечатывало их с перфокарт на бумагу). Что касается управления вычислит, процессом, то порядок действий счётно-пер-форац. машины задавался соответствующей коммутацией электрич. связей на коммутационной доске. Т. о., в счётно-перфорац. машинах в зачаточном виде уже содержались все важнейшие элементы автоматич. ЦВМ, работающей без участия человека, после того как необходимая подготовка для выполнения ею вычислит, процесса была закончена. Счётно-перфорац. машины имели арифметическое устройство, память (в виде колоды перфокарт и регистров для запоминания промежуточных результатов), устройство ввода (с перфокарт) и вывода данных. В этих машинах арифметич.
операции выполнялись так же, как и в арифмометрах, посредством механич. перемещений, что весьма ограничивало их быстродействие. Но наиболее "узким местом" этих машин было управление вычислит, процессом. Поскольку управление (задание последовательности элементарных операций) осуществл ялось путём соответствующих соединений различных клемм коммутационной доски с помощью проводов, то лишь несложные последовательности вычислит, операций могли быть "закоммутированы". Эти операции могли повторяться многократно, поэтому счётно-перфорационные машины особенно широко применялись в тех случаях, когда решение задачи сводилось к повторению простых наборов операций, напр. при решении задач бухгалтерского учёта, простых задач статистич. анализа; самыми сложными для решения на счётно-перфорац. машинах были обыкновенные линейные дифференциальные уравнения второго порядка.
К 70-м гг. 20 в. счётно-перфорац. машины практически повсеместно вышли из потребления в связи с заменой их более совершенными и универсальными электронными ЦВМ. Но в историч. плане значение счётно-перфорац. машин состояло в том, что их применение позволило накопить опыт машинной обработки информации и понять, что же необходимо для создания автоматич. ЦВМ. Автоматически действующая ЦВМ независима от физ. устройства, должна обладать следующими функциональными возмо к-ностями: выполнять операции (в т. ч. арифметические) над величинами ("словами"), заданными в цифровой форме; запоминать исходную информацию (исходные данные и описание вычислит. алгоритма - программу) и результаты вычислений; управлять вычислит, процессом, т. е. автоматически настраивать машину на выполнение очередной операции в соответствии с программой; "общаться с человеком", т. е. воспринимать от него исходную информацию и выдавать нужные ему результаты вычислений. Обычно эти функции выполняются соответствующими устройствами (рис. 1). Однако возможно также и частичное совмещение функций в одном устройстве, но в любом случае выполнение всех этих функций - обязательное условие для автоматич. ЦВМ. Каждая ЦВМ должна иметь "цифровые элементы", обладающие конечным числом устойчивых состояний; число таких состояний должно быть равно числу цифр той системы счисления, к-рая принята в данной ЦВМ. Так, в настольных механич. ЦВМ (напр., арифмометрах) такими элементами служат т. н. цифровые колёса, принимающие десять определённых положений (в соответствии с десятичной системой счисления). Электронные цифровые элементы наиболее просто реализуются с двумя устойчивыми состояниями. Поэтому в электронных ЦВМ предпочтительна двоичная система счисления, в к-рой имеются лишь две цифры: "О" и "1". Переход на эту систему счисления не только облегчил представление чисел, но и существенно упростил выполнение операции над ними. Напр., цифровой элемент сумматора в этом случае должен обладать такими свойствами: изменять состояние на противоположное каждый раз при поступлении единичного сигнала (соответствующего прибавлению 1) и, если цифровой элемент был уже в состоянии "1", одновременно с изменением своего состояния посылать единичный сигнал в цифровой элемент следующего, старшего разряда сумматора. Действие умножения сводится к многократным прибавлениям множимого и сдвигам (деление - к вычитанию и сдвигам). Существенно упрощаются в двоичной системе счисления и логические операции. Сколь-нибудь сложный вычислит, алгоритм содержит обычно разветвления вычислит, процесса, повторения вычислит, процедур, различные условия, налагаемые на точность вычислений, и мн. др. указания. Машина должна "понимать" эти указания и сама "принимать решения" о своевременном их выполнении; такие действия машины не являются арифметическими, они предназначены для логич. анализа ситуаций. Одна из самых обычных процедур машины: если имеет место такая-то ситуация, то следует выполнить такой-то шаг вычислит, алгоритма (команду программы), иначе нужно перейти к реализации нек-рой др. команды. Включение в состав операций вычислит, машины помимо арифметических ещё и логических привело к тому, что возможности электронных ЦВМ вышли далеко за пределы их прямого назначения (арифметич. вычислений) и ЦВМ стали универсальными преобразователями дискретной информации. А т. к. непрерывная информация практически всегда может быть аппроксимирована дискретной, то можно сказать, что совр. электронные ЦВМ являются универсальными преобразователями информации любого вида.
Типовая блок-схема цифровой вычислительной машины.
Первая электронная ЦВМ - ЭНИАК была построена в 1945 и вступила в строй в 1946 в США. При создании первых электронных ЦВМ не было необходимости изобретать новые элементы специально для них: такие элементы уже использовались в системах автоматич. управления и особенно в радиолокационных установках. Требовалось лишь приспособить их для использования в ЦВМ. Цифровым элементом первых электронных машин был триггер, собранный на электронных лампах (двух триодах). Выбор такого цифрового элемента привёл к тому, что первая электронная ЦВМ содержала большое число электронных ламп и была весьма ненадёжной в работе. Всё же именно с ЭНИАК началась история электронных ЦВМ. Значение ЭНИАК в развитии вычислит, техники определяется прежде всего тем, что она показала - задача создания автоматич. ЦВМ, работающей по заранее заданной программе, в принципе осуществима, для чего необходима лишь её технологич. доработка. С этого момента во мн. странах начались энергичные поиски, направленные на создание надёжных электронных цифровых элементов и разработку рациональных структур ЦВМ.
Поисковый этап в развитии ЦВМ закончился к нач. 50-х гг. созданием типичной ЦВМ 1-го поколения, в к-рой цифровым элементом оперативной памяти служит кольцевой ферритовый сердечник с прямоугольной петлёй гистерезиса, обладающий двумя устойчивыми состояниями остаточной намагниченности, а основным элементом устройства управления и арифметич. устройства был триггер на электронных лампах. Надёжность ЦВМ 1-го поколения была значительно выше, чем у первых ЦВМ; кроме замены триггеров в памяти ЦВМ ферри-товыми сердечниками, повышение надёжности ЦВМ - результат целого ряда технологич. усовершенствований. Т. к. по чисто технологич. причинам создание быстродействующего ферритового запоминающего устройства большого объёма в тот период было неосуществимо, то в ЦВМ, наряду с запоминающими устройствами на ферритовых сердечниках, использовались (и используются до сих пор) относительно медленные периферийные или внешние запоминающие устройства на магнитных лентах, магнитных дисках, магнитных барабанах, ёмкость к-рых ограничивается, вообще говоря, лишь размерами занимаемой ими площади. Непрерывно растущая сложность задач, решаемых с помощью ЦВМ, требовала усложнения структуры вычислит. машин, увеличения числа электронных элементов, что сопровождалось увеличением габаритов ламповых машин и потребляемой ими мощности. Несмотря на технологич. усовершенствования, электрон |
