Вычислительная машина

Вычислительная машина

Вычислительная машина – устройство либо совокупность устройств, которые предназначены для автоматизации и механизации процесса обработки информации (вычислений).

В соответствии с применяемой формой представления информации машины можно разделить на два класса: дискретного действия – цифровые и непрерывного действия – аналоговые.

Из-за универсальности цифровой формы представления информации электронные вычислительные машины являются самым лучшим типом устройства обработки данных.

Необыкновенные свойства ЭВМ – автоматизация вычислительного процесса, основанного на программном управлении, огромная скорость выполнения логических и арифметических операций, возможность хранения значительного объема различной информации, способность решения обширного круга задач обработки данных и математических задач – делают подобные машины мощным средством научнотехнического прогресса.

Главное значение ЭВМ состоит в том, что в первый раз с их возникновением человек получил устройство для автоматизации процессов обработки информации. В большинстве случаев ЭВМ позволяют значительно повысить эффективность умственного труда. Внедрение ЭВМ сильно повлияло на многие области техники и науки, вызвало процесс их компьютеризации и математизации.

ЭВМ содержит следующие основные устройства: арифметическо-логическое устройство, устройство управления, пульт ручного управления, устройства ввода данных в машину и вывода из нее результатов расчета и память.

Арифметическо-логическое устройство (АЛУ) осуществляет логические и арифметические преобразования над вносимыми в него машинными словами, т. е. кодами конкретной длины, являющимися числами или другим видом информации.

Память хранит информацию, которая передается из других устройств, в том числе подающуюся в машину извне через устройство ввода, и выдает обратно во все другие устройства уже переработанную информацию, необходимую для осуществления вычислительного процесса. Память машины в большинстве случаев состоит из двух частей: быстродействующей основной или оперативной (внутренней) памяти (ОП) и относительно медленно действующей, однако способной хранить гораздо больший объем информации внешней памяти (ВП).

Оперативная память имеет в своем составе некоторое число ячеек, каждая из которых предназначена для хранения машинного слова. Ячейки нумеруются, номер является ее адресом.

В запоминающих устройствах, выполняющие в ЭВМ функцию памяти, производятся операции считывания хранимой информации для передачи в иные устройства и записи информации, которая поступает из других устройств. При считывании машинного слова из ячейки ее содержимое не меняется, и если возникает такая потребность, слово может быть снова считано из той же ячейки. При записи хранившееся в ячейке слово удаляется и его место занимает новое.

Управляющее устройство (УУ) автоматически руководит вычислительным процессом.

Автоматическое управление процессом решения задачи достигается на базе принципа программного обеспечения, которое является главной особенностью ЭВМ.

Устройство вывода предназначено для выдачи из машины результатов расчета.

С помощью пульта управления оператор запускает и останавливает машину, а при возникновении такой потребности может регулировать процесс решения задачи.

ЭВМ обладают универсальностью, т. е. они могут использоваться для решения различных задач. Любая нужная точность вычислений может быть достигнута с помощью увеличения числа разрядов в представлении чисел в ЭВМ и соответствующего увеличения количества оборудования без повышения требований к точности работы данных электронных схем.

Каждая ЭВМ обладает конкретными свойствами, такими, например, как возможность обрабатывать информацию той или иной формы (цифровую, алфавитно-цифровую, которая представлена словами переменной или постоянной длины и т. п.), производить определенные логические и арифметические преобразования, операции, которые связаны с организацией совокупной работы устройств машины, и др.

Для придания ЭВМ конкретных свойств применяют средства двух видов: программные и аппаратурные.

Часть свойств ЭВМ приобретает из-за наличия в ее составе электромеханического или электронного оборудования, которое специально предназначено для реализации данных свойств.

Ряд других свойств приобретается программным путем без специальных аппаратурных средств, при этом используются имеющиеся в наличии аппаратурные средства машины, которые работают в предписанном порядке в соответствии с программой, позволяющей обеспечить выполнение машиной данной функции.

Как правило, для придания ЭВМ того или иного свойства применяют комбинацию программных и аппаратурных средств, что позволяет при довольно небольших аппаратурных затратах получить высокую эффективность и быстродействие при реализации соответствующей функции.

С точки зрения пользователя не так важно, выполняется та или иная функция программными или аппаратурными средствами. Поэтому можно говорить о виртуальной ЭВМ, которая обладает некоторыми свойствами, реализуемыми с помощью совокупности программных и аппаратурных средств.

Система программного обеспечения ЭВМ является комплексом программных средств, который можно разделить на операционную систему, пакеты прикладных программ и комплект программ технического обслуживания.

Операционные системы представляют собой важнейшую и центральную часть программного обеспечения ЭВМ, которая предназначена для эффективного управления вычислительным процессом, распределения ресурсов ЭВМ и планирования работы, организации выполнения программ при различных режимах работы машины и автоматизации процесса их подготовки, облегчения общения оператора с машиной.

Операторы и пользователи не имеют прямого доступа к устройствам ЭВМ. Их связь с ЭВМ осуществляется при помощи операционной системы, которая обеспечивает определенный уровень общения человека с машиной.

Он в основном определяется языком, на котором оно осуществляется. Аппаратурные средства ЭВМ и система ее программного обеспечения в совокупности являются вычислительной системой. При создании новой ЭВМ разработка программного обеспечения и разработка аппаратуры должны осуществляться взаимосвязано и одновременно.

Круг вопросов, которые подлежат решению при разработке архитектуры ЭВМ, можно символично разделить на вопросы общей структуры, организации общения пользователя с машиной и вычислительного процесса, вопросы логической организации хранения, представления и преобразования информации и вопросы логической организации совместной работы разнообразных устройств, а также программных и аппаратурных средств машины.

В середине XIX в. развитие атомной физики, космической и ракетной техники потребовало решения вычислительных задач такого огромного объема, что с ними было невозможно справиться с помощью имевшихся в то время перфорационных или клавишных счетных машин. Данная потребность привела к изобретению на рубеже 1940—1950-х гг. цифровых электронных вычислительных машин. Идея применения программного управления для построения устройства, которое автоматически выполняет арифметические действия, была впервые предложена английским математиком Ч. Бэббиджем уже в 1833 г. Но его попытки не увенчались успехом.

Фактически подобная идея была реализована, когда К. Цюзе в 1942 г. в Германии и Г. Айкен в 1944 г. в США сконструировали на базе электромагнитных реле вычислительные машины с управлением от перфоленты.

Идея программного управления вычислительным процессом была значительно развита американским математиком Джоном фон Нейманом, который в 1945 г. описал принцип хранимой в памяти программы.

Первые ЭВМ с хранимой в памяти программой и с программным управлением появились почти одновременно в СССР, США и Англии.

Значительный вклад в развитие отечественной вычислительной техники внес академик С. А. Лебедев. Под его руководством в 1949—1951 гг. была сконструирована первая в нашей стране ЭВМ – Малая Электронная Счетная Машина (МЭСМ), а уже в 1952—1954 гг. – Быстродействующая Электронная Счетная Машина (БЭСМ), которая выполняла 8000 операций/с и являлась в то время одной из наиболее быстродействующих ЭВМ в мире.

Одну из первых в стране ЭВМ И. С. Брук и его сотрудники Н. Я. Матюхин и М. А. Карцев построили в начале 1950-х гг. в Энергетическом институте АН СССР в Москве. Первая производившаяся промышленностью ЭВМ «Стрела» была сконструирована научным коллективом под руководством Ю. Я. Базилевского.

Советские ученые, главным образом академики С. А. Лебедев, В. С. Семенихин, М. В. Келдыш, В. М. Глушков и их научные школы, внесли серьезный вклад в развитие ЭВМ и их программного обеспечения.

На протяжении нескольких десятилетий электронная вычислительная техника быстро развивается. Появилось несколько поколений ЭВМ. Возникновение новых поколений ЭВМ произошло в результате расширения областей и развития способов их применения, которые требовали более производительных, дешевых и надежных машин.

Поколение ЭВМ определяется совокупностью взаимосвязанных особенностей и характеристик применяемой при построении машин конструктивно-технологической (особенно элементной) базы и действующей в машине архитектуры (логической организации).

Первое поколение составили ламповые ЭВМ, изготовление которых началось в начале 1950-х гг. В качестве компонентов логических элементов применялись электронные лампы. К ЭВМ этого поколения относятся изобретенные советскими инженерами и учеными ламповые вычислительные машины БЭСМ-2, «Стрела», М-2, М-3, М-20, «Минск-1», «Урал-1», «Урал-2», которые были ориентированы на решение научно-технических задач. Ламповые ЭВМ потребляли огромную мощность, имели большие габариты и малую емкость оперативной памяти, а также невысокую надежность, в первую очередь из-за частого выхода из строя электронных ламп.

В вычислительных машинах второго поколения, возникших в конце 1950-х гг., электронные лампы заменили транзисторами, что значительно повысило надежность, уменьшило размеры ЭВМ, снизило потребление мощности. Это позволило создать ЭВМ, наделенные более высокой производительностью и большими логическими возможностями. Наряду с машинами, предназначенными для научных расчетов, возникли ЭВМ для решения задач обработки данных и управления производственными процессами.

В нашей стране были созданы ЭВМ различного назначения: малые ЭВМ серий «Мир» и «Наири», средние ЭВМ со скоростью работы 5—30 тыс. операций/с – «Минск-2», «Минск-22», «Минск-32», «Раздан-2», «Раздан-3», «Урал-14», БЭСМ-4, М-220 и управляющие вычислительные машины ВНИИЭМ-3, «Днепр» и др.

Второе поколение ЭВМ позволило значительно расширить сферу применения вычислительной техники, приступить к созданию АСУ технологическими процессами, предприятиями и отраслями.

Стремление к повышению быстродействия, надежности, снижению стоимости аппаратуры привело к возникновению новой элементной базы вычислительной техники – интегральных микросхем, на базе которых были созданы ЭВМ третьего поколения.

Они возникли во второй половине 1960-х гг. в США и появились в СССР в начале 1970-х гг. в качестве машин Единой Системы ЭВМ и Системы Малых ЭВМ – машин на интегральных микросхемах.

В машинах третьего поколения особое внимание уделено уменьшению трудоемкости в подготовке программ, предназначенных для решения задач на ЭВМ, повышению эффективности применения дорогостоящего оборудования машин, облегчению связи оператора и машины, упрощению эксплуатационного обслуживания ЭВМ, что достигается с помощью специальных операционных систем.

Сравнительно недавно появились ЭВМ, которые следует отнести к четвертому поколению.

Конструктивно-технологической базой этих ЭВМ являются большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные микросхемы, которые содержат десятки тысяч транзисторов на одном кристалле. Главным образом на БИС строят памяти ЭВМ.

К ним относятся такие новые средства вычислительной техники, как микропроцессоры и создаваемые на их базе микро-ЭВМ. Микро-ЭВМ и микропроцессоры нашли широкое применение в системах и устройствах автоматизации измерений, управления технологическими процессами и обработки данных, при построении различных специальных цифровых машин и устройств.

Вычислительные возможности микроЭВМ оказались достаточными для создания на их основе персональных ЭВМ, получивших в настоящее время широкое распространение.

Характерным для крупных ЭВМ этого поколения становится наличие нескольких процессоров, которые ориентированы на выполнение определенных операций, на решение некоторых классов задач или процедур. В рамках этого поколения изобретаются многопроцессорные вычислительные системы с быстродействием в несколько сотен миллионов операций в секунду.

Примером крупных вычислительных систем четвертого поколения, является многопроцессорный комплекс «Эльбрус-2» с суммарным быстродействием до 100 млн операций/с, с системой команд, которая приближена к языкам высокого уровня, и стековой организацией обращений к памяти.

В последнее время определились контуры нового, пятого поколения ЭВМ. Согласно этому проекту вычислительные системы этого поколения, помимо более высокой надежности и производительности при более низкой стоимости, обладают качественно новыми свойствами: возможностью взаимодействия с ЭВМ с помощью естественного языка, графических изображений и человеческой речи; способностью системы обучаться, делать логические суждения, производить ассоциативную обработку информации, вести «разумную» беседу с человеком; способностью системы «понимать» содержание базы данных и использовать эти «знания» при решении задач.

В ЭВМ пятого поколения емкость основной памяти и быстродействие машин составляют соответственно 0,5—5 Мбайт и 2 млн операций/с для персональных компьютеров и 8—160 Мбайт и 1—100 млрд операций/с для сверхпроизводительных ЭВМ.

В них применяются сверхбольшие интегральные микросхемы, имеющие до 1—10 млн транзисторов на кристалл.

Малые ЭВМ – имеется большое число «малых» применений вычислительных машин, таких как обработка данных при экспериментах, автоматизация производственного контроля изделий, управление технологическими процессами, обработка и прием данных с линий связи, управление станками и разнообразными цифровыми терминалами, малые расчетные инженерные задачи и т. д. Для этих областей использования ЭВМ общего назначения слишком дороги и велики.

Возникла необходимость в надежных, простых, небольших и, главное, дешевых ЭВМ, в которых совмещаются наглядность системы программного обеспечения и простота программирования, в отличие от сложных современных операционных систем ЭВМ общего назначения, и простота эксплуатационного обслуживания.

Развитие технологии интегральных электронных схем дало возможность создать машины, которые удовлетворяют указанным выше требованиям. Уменьшение стоимости машин и объема аппаратуры достигнуто в первую очередь за счет уменьшения длины машинного слова (12—16 разрядов вместо 32—64 в машинах общего назначения), уменьшения количества типов обрабатываемых данных по сравнению с ЭВМ общего назначения (в некоторых моделях содержатся только целые числа без знака), определенного набора команд, небольшого набора периферийных устройств и объема оперативной памяти. Подобные машины из-за своих компактных размеров получили название малых или мини-ЭВМ.

Для преодоления трудностей, которые возникают из-за короткого машинного слова, при конструировании малых ЭВМ предложен ряд решений по представлению данных, составу и структуре команд, адресации, организации обмена информацией между устройствами ЭВМ, логической структуре процессора.

У первых моделей малых ЭВМ длина слова составляла 12 разрядов. Впоследствии достижения интегральной микроэлектроники дали возможность перейти в малых машинах к шестнадцатиразрядной длине слова, что не только повысило точность вычислений и позволило построение более гибкой системы команд, но и гарантировало согласованность форматов данных с ЭВМ общего назначения.

ЭВМ отличается и более простой, чем у машин общего назначения, довольно гибкой структурой, которая получила название магистрально-модулъной, ее основой является общая магистраль (общая шина), к которой крепятся в нужных количествах и номенклатурах все устройства машины, изготавливаемых в виде конструктивно законченных модулей. Через общую магистраль (общую шину) устройства машины обмениваются информацией.

Такая структура является эффективной, а система обмена данными через общую шину – довольно динамичной только при сравнительно небольшом количестве периферийных устройств.

Универсальность использования при ограниченном наборе команд может быть осуществлена только при сравнительно высоком быстродействии машины – около 200—800 тыс. операций/с, что значительно превышает скорость работы многих ЭВМ общего назначения.

Высокое быстродействие должно дать возможность малым ЭВМ обслуживать технологические процессы в реальном времени, а также компенсировать задержку обработки данных, связанную с тем, что многие процедуры обработки при локальном объеме аппаратуры, небольшом наборе команд и отсутствии специализации машины необходимо реализовать не аппаратурными средствами, а соответствующими подпрограммами.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.