Становление и эволюция ЭВМ

Основным звеном современной информационной системы является одна или несколько электронных вычислительных машин.

Электронная вычислительная машина(ЭВМ), компьютер — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса: аналоговые, цифровые и гибридные (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Классификация вычислительных машин по принципу действия

Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма представления информации, с которой они работают (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Две формы представления информации в машинах

Ÿ ЦВМ — цифровые вычислительные машины или вычислительные машины дискретного действия — работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее в цифровой форме.

Ÿ АВМ — аналоговые вычислительные машины или вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой либо физической величины (чаще всего электрического напряжения).

ПРИМЕЧАНИЕ

АВМ весьма просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения их на этих машинах, как правило, не трудоемкое. Скорость решения задач изменяется по желанию оператора и может быть сделана сколь угодно большой (больше чем у ЦВМ), но точность решения задач очень низкая (относительная погрешность до 2–5%). На АВМ эффективно решаются математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики.

Первая электромеханическая аналоговая вычислительная машина была создана в Массачусетском технологическом институте 1930 году под руководством профессора Ванневара Буша. В конце 30 годов появились уже и электронные АВМ (на 10 лет раньше, чем электронные ЦВМ).

Ÿ ГВМ — гибридные вычислительные машиныили вычислительные машины комбинированного действия — работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

В экономике (да и в науке и в технике) получили подавляющее применение ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации — электронные цифровые вычислительные машины, обычно называемые просто электронными вычислительными машинами(ЭВМ), без упоминания об их цифровом характере.

В вычислительных системах используются практически только ЭВМ (исключение составляют некоторые специальные системы научного и оборонного назначения, где аналоговые вычислительные машины используются достаточно активно, в частности для моделирования сложных систем и процессов).

В связи с вышесказанным далее мы будем рассматривать только ЭВМ.

Становление ЭВМ

Первая электронная вычислительная машина на основе электронных вакуумных ламп была создана по заказу артиллеристов в Пенсильванском университете в 1946 году — машина ENIAC (Electronic Numeral Integrator and Computer). Это была машина с программным управлением, но программа вводилась путем шнуровой коммутации, как в табуляторах.

ЭВМ ENIAC весила более 30 тонн; имела быстродействие несколько сотен операций в секунду; оперативную память емкостью 20 чисел; занимала огромный зал, площадью около 150 м².

В середине 40-х годов появились теоретические разработки, указывающие, что более эффективными могут быть машины с хранимой программой. По этому направлению следует отметить в первую очередь работы Н. Винера и Дж. фон Неймана. Основные рекомендации по созданию эффективных электронных вычислительных машин были изложены Винером в его книге «Кибернетика». Винер писал: «В настоящее время существует два типа вычислительных машин:

Ÿ машины, подобные дифференциальному анализатору Буша, именуемые аналоговыми машинами. В них данные изображаются величинами, измеряемыми по какой-либо непрерывной шкале, так что точность машины определяется точностью построения этой шкалы.

Ÿ машины, подобные обычному арифмометру, которые называются цифровыми машинами; в них данные изображаются серией выборов из нескольких возможностей, а точность определяется четкостью различения отдельных возможностей при каждом выборе и числом сделанных выборов.

Мы видим, что для точных вычислений цифровые машины, во всяком случае, лучше, а из них лучше всего машины с двоичной системой, у которой при каждом выборе представляется лишь две возможности. Употребление нами машин с десятичной шкалой обусловлено просто той исторической случайностью, что десятичная система, основанная на числе пальцев, уже была в употреблении, когда индусы сделали свое великое открытие, выявив значение нуля и преимущество позиционной системы счисления» [18,с.148]. И чуть дальше: «В случае идеальной вычислительной машины все данные должны быть введены в машину в начале работы, и затем она должна по возможности быть свободна от человеческого вмешательства до конца работы. Это означает, что в машину должны быть введены вначале не только все цифровые данные, но и все правила их сочетания в виде инструкций, учитывающих любую ситуацию, которая может возникнуть в ходе вычислений. Поэтому вычислительная машина должна быть не только арифметической, но также и логической машиной, и должна комбинировать возможности согласно систематическому алгоритму. Существует много алгоритмов, которые можно использовать для комбинирования возможностей; но простейший из них известен как алгебра логики, или булева алгебра» [18, с.149].

Широко известная концепция построения ЭВМ, предложенная профессором Принстонского института Дж. фон Нейманом, во многом перекликается с концепцией Винера.

Основные принципы организации ЭВМ Дж. фон Неймана:

1. Принцип двоичного кодирования. Электронные машины должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления.

2. Принцип программного управления. Машина выполняет вычисления по программе. Программа состоит из набора команд, которые исполняются автоматически друг за другом в определенной последовательности.

3. Принцип хранимой программы. В процессе решения задачи, программа ее исполнения должна размещаться в запоминающем устройстве машины, обладающем высокой скоростью выборки и записи.

4. Принцип однотипности представления чисел и команд. Программа, так же как и числа, с которыми оперирует машина, записываются в двоичном коде. Таким образом, по форме представления команды и числа однотипны, а это дает возможность машине исполнять операции над командами программы.

5. Принцип иерархичности памяти. Трудности реализации единого емкого быстродействующего запоминающего устройства требует иерархического построения памяти. По меньшей мере, должно быть два уровня иерархии: основная память и внешняя память.

6. Принцип адресности основной памяти. Основная память должна состоять из пронумерованных ячеек, каждая из которых доступна программе в любой момент времени по ее двоичному адресу или по присвоенному ей имени (имя ячейке присваивается в программе, и соответствующий этому имени адрес должен храниться в основной памяти на протяжении всего времени выполнения программы).

Структура ЭВМ, предложенная Дж. фон Нейманом должна содержать следующие устройства: управляющее устройство, арифметическое устройство, основную (оперативную) и внешнюю память, устройство ввода программ и данных, устройство вывода результатов расчетов, пульт ручного управления.

Структура фон Неймановской ЭВМ показана на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Структура фон-Неймановской ЭВМ

Концепции Винера и фон Неймана быстро нашли свое воплощение в новых ЭВМ, созданных уже в конце сороковых — начале пятидесятых годов. В первую очередь следует отметить американские ЭВМ: ЭДСАК, СЕАК, ЭДВАК и первые, поступившие в открытую продажу серийные машины с хранимой программой, УНИВАК (1949 г.) и IBM 701.

Какие же основные характеристики имел первоначально изготовленный по заказу бюро переписи населения США компьютер УНИВАК (UNIVAC — UNIVersal Automatic Computer)?

Ÿ Ввод данных осуществлялся с магнитной ленты, емкостью 1,4 Мб и с перфокарт.

Ÿ Машинное слово — 78 бит, емкость ОЗУ — 1000 слов, для хранения которых использовалось 100 ртутных линий задержки (ЛЗ) с обратной связью (импульсы с выхода ЛЗ подаются обратно на ее вход, и таким образом машинное слово непрерывно циркулирует по линии задержки).

Ÿ Производительность: сложение за 500 мкс, умножение за 2,5 мс. Имелся контроль достоверности преобразований информации, основанный на сравнении результатов работы наиболее важных задублированных схем и на контроле четности.

В начале 50-х к американским машинам присоединились и советские: по заказу атомщиков в 1951 голу в Киеве под руководством академика С. А. Лебедева была создана первая отечественная машина МЭСМ (Малая Электронная Счетная Машина); в 1952 году машина БЭСМ (Быстродействующая ЭСМ, имевшая позже продолжения: БЭСМ 2, БЭСМ 4, БЭСМ 6 — рис. 3.4).

Популярная машина БЭСМ 2 имела следующие характеристики.

Ÿ Разрядность машины 39 бит. Числа с плавающей запятой имеют разрядность: мантисса — 32 бита, порядок — 5 бит, по 1 биту знаки мантиссы и порядка. Диапазон представления чисел — от 10^-9 до 10⁹. В формате с фиксированной запятой представляются только дробные числа меньше 1.

Ÿ Возможность двоично-кодированного представления десятичных чисел.

Ÿ Быстродействие — до 10000 операций в секунду.

Ÿ В машине используются одно-, двух-, трехадресные и безадресные команды. Разрядность адресов — 11 бит, код операции — 6 бит. Всего 32 команды: 9 арифметических операций, 6 логических операций, 8 — передачи кодов, 9 операций управления.

Ÿ Запоминающие устройства: ОЗУ на ферритовых сердечниках емкостью 2048 39-разрядных чисел со временем обращения 10 мкс. ОЗУ на магнитных барабанах: 2 барабана по 5000 чисел со средним временем доступа 40 мс и скоростью считывания 800 чисел/с. ВЗУ на магнитных лентах: 4 шт. по 30000 чисел со скоростью считывания 400 чисел/с.

Ÿ Ввод с перфоленты со скоростью 20 кодов/с. Печать — 20 чисел/с.

Рис. 3.6. Блок-схема БЭСМ

Машина содержит 4000 электронных ламп, 5000 полупроводниковых диодов, 200000 ферритовых сердечников. Потребляемая мощность — 35 Квт (без мощности вентиляторов).

В пятидесятые — шестидесятые годы 20 века были разработаны еще более десятка советских ЭВМ: «Стрела», «Урал», «Минск», М-20, М-220 и другие.

ПРИМЕЧАНИЕ

В составе большинства указанных ЭВМ можно назвать и различные их модификации. Так, модельный рад машин «Минск» — одних из лучших отечественных ЭВМ того времени — включал: «Минск 1», «Минск 2», «Минск 22», «Минск 23», «Минск 32». Следует также отметить одну из немногих машин, полностью основанных на отечественной разработке, интересную ЭВМ «Рута-110», не получившую широкого распространения из-за специфического программного обеспечения.

У истоков создания советской вычислительной техники стояли такие крупные отечественные ученые, как: С. А.Лебедев, Б. И. Рамеев, Ю. А. Базилевский, И. С. Брук, А. А. Ляпунов, А. И. Китов, Н. А. Кринитский, М. Р. Шура-Бура, М. А. Гаврилов, А. И. Берг, А.Н.Колмогоров, В. М. Глушков, Б. Н. Наумов и другие.

Эволюция ЭВМ

Начиная с 1950 г. каждые 7–10 лет кардинально обновлялись конструктивно-технологические и программно-алгоритмические принципы построения и использования ЭВМ. В связи с этим правомерно говорить о поколениях вычислительных машин. Условно каждому поколению можно отвести 10 лет.