Большая Советская Энциклопедия (ЦИ) - Большая Советская Энциклопедия "БСЭ" - Страница 54

  К 70-м гг. 20 в. счётно-перфорационные машины практически повсеместно вышли из употребления в связи с заменой их более совершенными и универсальными электронными ЦВМ. Но в историческом плане значение счётно-перфорационных машин состояло в том, что их применение позволило накопить опыт машинной обработки информации и понять, что же необходимо для создания автоматических ЦВМ. Автоматически действующая ЦВМ независимо от физического устройства, должна обладать следующими функциональными возможностями: выполнять операции (в т. ч. арифметические) над величинами («словами»), заданными в цифровой форме; запоминать исходную информацию (исходные данные и описание вычислительного алгоритма — программу) и результаты вычислений; управлять вычислительным 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 автоматической ЦВМ. Каждая ЦВМ должна иметь «цифровые элементы», обладающие конечным числом устойчивых состояний; число таких состояний должно быть равно числу цифр той системы счисления, которая принята в данной ЦВМ. Так, в настольных механических ЦВМ (например, 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 которой имеются лишь две цифры: «0» и «1». Переход на эту систему счисления не только облегчил представление чисел, но и существенно упростил выполнение операции над ними. Например, 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 вычислительный алгоритм содержит обычно разветвления вычислительного процесса, повторения вычислительных процедур, различные условия, налагаемые на точность вычислений, и многие др. указания. Машина должна «понимать» эти указания и сама «принимать решения» о своевременном их выполнении; такие действия машины не являются арифметическими, они предназначены для логического анализа ситуаций. Одна из самых обычных процедур машины: если имеет место такая-то ситуация, то следует выполнить такой-то шаг вычислительного алгоритма (команду программы), иначе нужно перейти к реализации некоторой др. команды. Включение в состав операций вычислительной машины помимо арифметических ещё и логических привело к тому, что возможности электронных ЦВМ вышли далеко за пределы их прямого назначения (арифметических вычислений) и ЦВМ стали универсальными преобразователями дискретной информации. А т.к. непрерывная информация практически всегда может быть аппроксимирована дискретной, то можно сказать, что современные электронные ЦВМ являются универсальными преобразователями информации любого вида.

  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 автоматического 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 вычислительной техники определяется прежде всего тем, что она показала — задача создания автоматической ЦВМ, работающей по заранее заданной программе, в принципе осуществима, для чего необходима лишь её технологическая доработка. С этого момента во многих странах начались энергичные поиски, направленные на создание надёжных электронных цифровых элементов и разработку рациональных структур ЦВМ.

  Поисковый этап в развитии ЦВМ закончился к началу 50-х гг. созданием типичной ЦВМ 1-го поколения, в которой цифровым элементом оперативной памяти служит кольцевой ферритовый сердечник с прямоугольной петлёй гистерезиса, обладающий двумя устойчивыми состояниями остаточной намагниченности, а основным элементом устройства управления и арифметического устройства был триггер на электронных лампах. Надёжность ЦВМ 1-го поколения была значительно выше, чем у первых ЦВМ; кроме замены триггеров в памяти ЦВМ ферритовыми сердечниками, повышение надёжности ЦВМ — результат целого ряда технологического усовершенствовании. Т. к. по чисто технологическим 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 которых ограничивается, вообще говоря, лишь размерами занимаемой ими площади. Непрерывно растущая сложность задач, решаемых с помощью ЦВМ, требовала усложнения структуры вычислительных машин, увеличения числа электронных элементов, что сопровождалось увеличением габаритов ламповых машин и потребляемой ими мощности. Несмотря на технологические усовершенствования, электронная лампа оставалась самым ненадёжным элементом ЦВМ 1-го поколения; использование ламп стало тормозить дальнейшее развитие техники ЦВМ.

  В середине 50-х гг. в ЦВМ на смену электронным лампам пришли полупроводниковые приборы — диоды и транзисторы . Т. к. срок службы полупроводниковых приборов значительно выше, чем у электронных ламп, то с переходом на новую элементную базу существенно повысилась надёжность ЦВМ, заметно уменьшились и габариты машин. С внедрением цифровых элементов на полупроводниковых приборах началось создание ЦВМ 2-го поколения.

  Усовершенствование вычислительных машин было направлено на повышение их быстродействия ; у машин 1-го поколения быстродействие выросло от нескольких сотен операций в 1 сек до нескольких десятков тыс. операций в 1 сек; первые транзисторные машины имели быстродействие порядка 5 тыс. операций в 1 сек и в процессе развития достигли уровня 10—15 млн. операций в 1 сек (ЦВМ CDC-7600, США).

  Однако при той организации вычислительного процесса, которая использовалась в ЦВМ 1-го поколения, дальнейшее увеличение быстродействия уже практически не повышало производительности машин. В ЦВМ вводили программу решения некоторой задачи и до окончания решения и вывода результатов вычислений нельзя было вводить новую задачу. Но во всяком вычислительном процессе, помимо быстрых операций (например, арифметических или некоторых логических операций), имеются и медленные операции, выполняемые механическими устройствами: считывание исходной информации, вывод на печать результатов вычислений, пересылки информации из внешней памяти в оперативную и др. По мере повышения быстродействия медленные операции занимали всё большую часть общего времени работы машины, тогда как «быстрые» устройства машины (например, арифметическое устройство) простаивали и, т. о., усовершенствования, касавшиеся только электронных элементов, не давали сколько-нибудь заметного роста производительности ЦВМ. Поэтому в 60-х гг. произошло существенное изменение структуры ЦВМ, в результате которого различные устройства получили возможность работать независимо друг от друга по разным программам. Это позволило одновременно решать на машине несколько задач (см. Мультипрограммирование ). Например, в то время как в ходе решения одной из задач осуществляется медленная операция (иногда она длится несколько сек ), арифметическое устройство успевает решить не одну, а несколько задач. Наиболее производительные из современных ЦВМ одновременно могут обрабатывать несколько десятков задач. Работой ЦВМ и формированием потока задач управляет особая программа — операционная система. Мультипрограммный режим не ускоряет решение одной определённой задачи, но весьма существенно повышает общую производительность ЦВМ.