ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

Под термином «вычислительная техника» понимают совокупность технических систем, т. е. вычислительных машин, и математических средств, методов и приемов, используемых для облегчения и ускорения решения трудоемких задач, связанных с обработкой информации (вычислениями), а также отрасль техники, занимающаяся разработкой и эксплуатацией вычислительных машин.

Основные функциональные элементы современных вычислительных машин, или компьютеров (от английского слова compute вычислять, подсчитывать), выполнены на электронных приборах, поэтому их называют электронными вычислительными машинами, или сокращенно ЭВМ.

По способу представления информации вычислительные машины делят на три группы:  

- аналоговые вычислительные машины (АВМ), в которых информация представляется в виде непрерывно изменяющихся переменных, выраженных какими-либо физическими величинами;

- цифровые вычислительные машины (ЦВМ), в которых информация представляется в виде дискретных значений переменных (чисел), выраженных комбинацией дискретных значений какой-либо физической величины (цифр);

- гибридные вычислительные машины, в которых используются оба способа представления информации.

Каждый из этих способов представления информации имеет свои преимущества и недостатки. ЦВМ распространены более всего потому, что точность их результатов в принципе не зависит от точности, с которой они изготовлены. Этим объясняется и тот факт, что первое аналоговое вычислительное устройство – логарифмическая линейка – появилась только в XVII в., а самыми древними цифровыми средствами для облегчения вычислений были человеческая рука и камешки. Благодаря счету на пальцах возникли пятеричная и десятичная системы счисления.

Более поздними изобретениями для счета были бирки с зарубками и веревки с узелками. Первым устройством, специально предназначенным для вычислений, был простой абак, с которого и началось развитие вычислительной техники. Счет на абаке, известный уже в Древнем Египте и Древней Греции задолго до нашей эры, просуществовал вплоть до XVI- XVII вв., когда его заменили письменные вычисления. Заметим, что абак служил не столько для облегчения собственно вычислений, сколько для запоминания промежуточных результатов. Известно несколько разновидностей абака: греческий (египетский) абак в виде дощечки, на которой проводили линии и в получившиеся колонки клали камешки; римский абак, на котором камешки могли передвигаться по желобкам; китайский суан-пан и японский соробан с шариками, нанизанными на прутики; счетные таблицы, состоявшие из горизонтальных линий, соответствующих единицам, десяткам, сотням и т.д., и вертикальных, предназначенных для отдельных слагаемых и сомножителей; на эти линии выкладывались жетоны (до четырех). Русский абак – счеты появились в XVI-XVII вв., ими пользуются и в наши дни. Русские счеты стоят на особом месте среди разновидностей абака, так как они используют десятичную, а не пятеричную систему счисления, как все остальные абаки. Основная заслуга изобретателей абака состоит в создании позиционной системы представления чисел (см. Система счисления).

НОРБЕРТ ВИНЕР (1894-1964) Жизнь Винера известна в подробностях благодаря его автобиографическим книгам «Бывший вундеркинд» и «Я математик» (последняя имеется в русском переводе). В школу будущий ученый поступил в 9 лет, но уровень его знаний уже тогда соответствовал знаниям выпускных классов. Его отец, профессор славянских языков Гарвардского университета в США, составил для сына специальную, очень сложную программу обучения. Н. Винер окончил колледж в 14 лет, в 18 лет он получил степень доктора философии за диссертацию по математической логике. Винер продолжает образование в Европе, в Кембридже, а затем в Геттингене, где знакомится с Д. Гильбертом. Первые годы после возвращения на родину были для Н. Винера годами поиска собственного пути в математике. За время с 1915 по 1919 г. он сменил множество мест работы, пока не устроился преподавать в Массачусетском технологическом институте, в котором проработал всю свою жизнь. Приложения математики всегда были в поле зрения Винера. По его идее был создан прибор для корректировки электрических цепей, он думает о вычислительных машинах, разрабатывает вопросы кодировки и декодировки сообщений. Во время второй мировой войны Винер занимается задачей об управлении огнем зенитной артиллерии. В предыдущей войне он составлял таблицы для стрельбы по неподвижным целям, а как управлять огнем по маневрирующей мишени? Винер строит теорию прогнозирования, на основе которой создаются реальные приборы. Работая над прикладными задачами, Винер постепенно придаст все большее значение роли обратной связи в самых разнообразных системах. Ученый начинает искать явления обратной связи в физиологии. Винер приходит к мысли, что имеются универсальные законы управления, развития, преобразования информации и в технических и в живых системах. Он начинает говорить о новой науке – кибернетике. В 1948 г. вышла в свет его книга «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине», и ее тираж быстро разошелся. Имя создателя новой науки стало широко известным Винер пишет новые книги и брошюры, которые переводятся на многие языки мира, выступает с лекциями в разных странах, обсуждает и развивает различные аспекты кибернетики. Винер был одним из крупнейших математиков XX в, но его широкая известность связана прежде всего с его репутацией создателя и популяризатора кибернетики.

Следующим важным шагом в развитии вычислительной техники было создание суммирующих машин и арифмометров. Такие машины были сконструированы независимо друг от друга разными изобретателями.

В рукописях итальянского ученого Леонардо да Винчи (1452-1519) имеется эскиз 13-разрядного суммирующего устройства. Проект другой, 6-разрядной, машины был разработан немецким ученым В. Шиккардом (1592-1636), а сама машина была построена предположительно в 1623 г. Однако эти изобретения оставались неизвестными вплоть до середины XX в. и поэтому никакого влияния на развитие вычислительной техники не оказали.

Более 300 лет считалось, что первую суммирующую (8-разрядную) машину сконструировал в 1641 г. и построил в 1645 г. Б. Паскаль, который к тому же наладил «серийное производство» своих машин. Несколько экземпляров машин сохранилось до наших дней. Эти механические машины позволяли выполнять сложение и вычитание, а также умножение (деление) путем многократного сложения (вычитания).

Конструкторы суммирующих машин впервые осуществили идею представления чисел углом поворота счетных колес: каждому числу от 0 до 9 соответствовал свой угол. При реализации другой идеи – идеи автоматического переноса десятков – Паскаль столкнулся с определенной трудностью: изобретенный им механизм переноса десятков работал при вращении счетных колес только в одном направлении, а это не позволяло производить вычитание вращением колес в противоположную сторону. Простой и остроумный выход из этого положения, найденный Паскалем, был настолько удачен, что используется в современных ЭВМ. Паскаль заменил вычитание сложением с дополнением вычитаемого. Для 8-разрядной машины Паскаля, работавшей в десятичной системе, дополнением числа  будет число , поэтому операция вычитания  может быть заменена сложением:

.

Получившееся число будет больше искомой разности на 100000000, но так как машина – 8-разрядная, то единица в девятом разряде просто пропадает при переносе десятков из восьмого.

Первый экземпляр первого в мире арифмометра, выполнявшего все четыре действия арифметики, был создан в 1673 г. Г. В. Лейбницем после почти сорокалетней работы над «арифметическим инструментом».

В XVII 1-ХIX вв. продолжалось совершенствование механических арифмометров, а затем и арифмометров с электрическим приводом. Эти усовершенствования носили чисто механический характер и с переходом на электронику утратили свое значение.

Исключение составляют лишь машины английского ученого Ч. Беббиджа (1791-1871): разностная (1822) и аналитическая (1830, проект).

Разностная машина предназначалась для табулирования многочленов и с современной точки зрения являлась специализированной вычислительной машиной с фиксированной (жесткой) программой. Машина имела «память»: несколько регистров для хранения чисел; счетчик числа операций со звонком – при выполнении заданного числа шагов вычислений раздавался звонок; печатающее устройство – результаты выводились на печать, причем по времени эта операция совмещалась с вычислениями на следующем шаге.

При работе над разностной машиной Беббидж пришел к идее создания цифровой вычислительной машины для выполнения разнообразных научных и технических расчетов, которая, работая автоматически, выполняла бы заданную программу. Проект этой машины, названной автором аналитической, поражает прежде всего тем, что в нем предугаданы все основные устройства современных ЭВМ, а также задачи, которые могут быть решены с ее помощью.

Аналитическая машина Беббиджа должна была включать в себя следующие устройства: «склад» - устройство для хранения цифровой информации (теперь его называют запоминающим или памятью);

«фабрика» - устройство, выполняющее операции над числами, взятыми на «складе» (ныне это – арифметическое устройство);

устройство, для которого Беббидж не придумал названия и которое управляло последовательностью действий машины (сейчас это – устройство управления);

устройство ввода и вывода информации.

В ожидании результатов вычислений.

В качестве носителей информации при вводе и выводе Беббидж предполагал использовать перфорированные карточки (перфокарты) типа тех, что применял французский ткач и механик Ж.М. Жаккар (1752-1834) для управления работой ткацкого станка. Беббидж предусмотрел ввод в машину таблиц значений функций с контролем при вводе значений аргумента.

Выходная информация могла печататься, а также пробиваться на перфокартах, что давало возможность при необходимости снова вводить ее в машину.

Беббидж предложил также идею управления вычислительным процессом программным путем и соответствующую команду – аналог современной команды условного перехода: вопрос о выборе одного из двух возможных продолжений программы решался машиной в зависимости от знака некоторой вычисляемой величины.

Беббидж предусмотрел также специальный счетчик количества операций, который имеется у всех современных ЭВМ.

Таким образом, аналитическая машина Беббиджа была первой в мире программно- управляемой вычислительной машиной. Для этой машины были составлены и первые в мире программы, а первым программистом была Августа Ада Лавлейс (1815-1852) – дочь английского поэта Дж. Байрона. В ее честь один из современных языков программирования называется «Ада».

Современные ЭВМ по своей структуре очень близки к аналитической машине Беббиджа, но, в отличие от нее (и всех механических арифмометров), используют совершенно другой принцип реализации вычислений, основанный на двоичной системе счисления.

Двоичный принцип реализуется при помощи электромагнитного реле – элемента, который может находиться в одном из двух возможных состояний и переходить из одного состояния в другое при воздействии внешнего электрического сигнала.

Если в электромеханических арифмометрах использовались только энергетические свойства электричества, то в машинах, построенных на реле, электричество становится важнейшим и непосредственным участником вычислительного процесса.

Первая счетная машина, использующая электрические реле, была сконструирована в 1888 г. американцем немецкого происхождения Г. Холлеритом (1860-1929) и уже в 1890 г. применялась при переписи населения США. Эта машина, названная табулятором, имела в своем составе реле, счетчики, сортировочный ящик. Данные наносились на перфокарты, почти не отличающиеся от современных, в виде пробивок. При прохождении перфокарты через машину в позициях, где имелись отверстия, происходило замыкание электрической цепи, на соответствующих счетчиках прибавлялось по единице, после чего перфокарта попадала в определенное отделение сортировочного ящика.

В наши дни ЭВМ все шире применяются для управления сложным производством.

Развитие табуляторов и другой счетно-перфорационной техники позволило к концу 30-х – началу 40-х гг. нашего столетия построить такие универсальные вычислительные машины с программным управлением, у которых основными «считающими» элементами (по современной терминологии – элементная база) были электромеханические реле.

Релейные машины довольно долго находились в эксплуатации, несмотря на появление электронных. В частности, машина РВМ-1 конструкции советского инженера Н. И. Бессонова работала вплоть до 1965 г., однако релейные машины не могли долго конкурировать с электронными вычислительными машинами, так как росли требования к надежности и быстродействию.

Первые проекты электронных вычислительных машин появились лишь незначительно позднее проектов релейных машин, потому что необходимые для их создания изобретения были сделаны к концу 20-х гг. нашего столетия: в 1904 г. появилась двухэлектродная электронная лампа-диод; в 1906 г. – трехэлектродная электронная лампа-триод; в 1918 г. – электронное реле (ламповый триггер).

Первой электронной вычислительной машиной принято считать машину ЭНИАК (электронный числовой интегратор и вычислитель), разработанную в Пенсильванском университете в США. ЭНИАК была построена в 1945 г., она имела автоматическое программное управление, но внутреннее запоминающее устройство для хранения команд у нее отсутствовало.

Первой ЭВМ, обладающей всеми компонентами современных машин, была английская машина ЭДСАК, построенная в Кембриджском университете в 1949 г. На ней впервые был реализован принцип «хранимой программы», сформулированный в 1945-1946 гг. американским математиком Дж. Нейманом (1903-1957).

Этот принцип заключается в следующем:

команды и числа однотипны по форме представления в машине (записаны в двоичном коде);

числа размещаются в том же запоминающем устройстве, что и программа;

благодаря числовой форме записи команд программы машина может производить операции над командами.

Первой отечественной ЭВМ была малая электронная счетная машина (МЭСМ), разработанная в 1947-1951 гг. под руководством советского ученого, академика С. А. Лебедева (1902-1974), с именем которого связано дальнейшее развитие советской вычислительной техники.

МЭСМ выполняла всего 12 команд, номинальное быстродействие – 50 операций в секунду. Оперативная память МЭСМ, выполненная на триггерах, могла хранить 31 семнадцатиразрядное двоичное число и 64 двадцатиразрядные команды. Кроме этого, имелись внешние запоминающие устройства.

Интересно, что раздельное хранение в оперативной памяти МЭСМ чисел и команд противоречит неймановскому принципу хранимой программы, на котором в течение многих лет были основаны конструкции ЭВМ. У современных ЭВМ также наблюдается отход от этого принципа, в частности отпадает необходимость проведения операций над величинами, которыми закодированы команды программы.

В истории развития электронных вычислительных машин, начинающейся с ЭНИАК, ЭДСАК, МЭСМ и продолжающейся по настоящее время, обычно выделяют четыре периода, соответствующих четырем так называемым поколениям ЭВМ. Эти периоды могут быть выделены по разным признакам, из-за чего часто бывает трудно отнести конкретную машину к определенному поколению. Некоторые средние характеристики поколений приведены в таблице.

Пример отечественной машины БЭСМ-6 (главный конструктор – С. А. Лебедев) показывает, как иногда бывает трудно однозначно определить поколение машины. Разработка БЭСМ-6 была закончена в 1966 г.; элементная база – полупроводниковые транзисторы; производительность -  операций в секунду, емкость оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) –  бит. По этим признакам она относится ко второму поколению, по остальным – к третьему. Иногда ЭВМ разделяют по классам: мини-ЭВМ, малые, средние, большие и супер-ЭВМ.

Характеристика поколений электронных вычислительных машин

Поколение ЭВМ	І	ІІ	ІІІ	IV
Хронологические границы периодов	Начало 50-х-середина 50-х гг.	Конец 50-х-середина 60-х гг.	Конец 60-х - начало 70-х гг.	Середина 70-х гг.
Элементная база: процессоров	Вакуумные лампы	Полупроводниковые транзисторы	Интегральные схемы	Большие интегральные схемы
оперативных запоминающих устройств (ОЗУ)	Ртутные линии задержки, электронно-лучевые трубки	Ферритовые сердечники	Ферритовые сердечники	(БИС)
Производительность (количество операций в секунду)
Емкость ОЗУ (двоичных разрядов – бит)
Емкость сверхоперативного ЗУ (бит)
Программное обеспечение, языки программирования	Машинный язык, библиотеки стандартных программ	Добавляются: языки высокого уровня, трансляторы с этих языков	Добавляются: языки управления заданиями, операционные системы, пакеты прикладных программ	Добавляются: непроцедурные языки, генераторы программ, операционные системы реального времени
Параллелизм при выполнении программ	Чисто последовательное выполнение команд	Выполнение команд с перекрытием: последующая команда начинает выполняться до окончания предыдущей	Выполнение команд с перекрытием, совмещенное с вводом – выводом	Параллельное: одновременно выполняются несколько команд над несколькими наборами операндов
Режим пользования	Монопольный (на единственном процессоре решается одна задача), прохождением задачи управляет пользователь	Монопольный, прохождением задачи управляет человек-оператор	Пакетный, коллективный (одновременно в решении находятся несколько задач), прохождением задач управляет операционная система	На многих процессорах может решаться одна задача (параллельно), прохождением задач управляет специальная машина - «толкач»
Производство	Индивидуальное	Серийное	Системы совместимых машин	Вычислительные комплексы
Область применения	Научные расчеты	Добавляются: технические расчеты	Добавляются: экономические расчеты	Добавляются: управление большими системами в реальном времени
Типичный представитель: отечественная ЭВМ зарубежная ЭВМ	БЭСМ ИБМ-701	БЭСМ-4 ИБМ-7090	ЕС-1060 ИБМ-370/75	«Эльбрус» КРЕЙ-1

Примером мини-ЭВМ может служить «Электроника ДЗ-28» с ОЗУ емкостью около  бит и быстродействием около  операций в секунду.

Пример супер-ЭВМ – многопроцессорный вычислительный комплекс (МВК) «Эльбрус» с ОЗУ емкостью  бит и быстродействием до  операций в секунду.

Большинство современных существующих и разрабатываемых ЭВМ образуют так называемые системы (семейства) машин с широким диапазоном вычислительной мощности. Например, для ЭВМ Единой Системы (ЕС ЭВМ) производительность меняется от  операций в секунду для младших машин до  операций в секунду для старших, а емкость ОЗУ – от  бит до  бит.

Машины, принадлежащие к одной системе, имеют программную и в значительной мере аппаратную совместимость снизу вверх. Программная совместимость снизу вверх означает, что любая программа, выполнявшаяся на младшей машине, должна без всяких переделок выполняться на старшей, при этом, разумеется, результаты расчета должны быть одними и теми же.

Широкое распространение получили также семейства малых ЭВМ (СМ ЭВМ) с быстродействием до  операций в 1 с и емкостью ОЗУ до  бит. ЕС ЭВМ – универсального назначения; основные области применения СМ ЭВМ – автоматизация технологических объектов и процессов, научных экспериментов и испытательных установок, проектно-конструкторских работ.

ЕС ЭВМ и СМ ЭВМ производятся в СССР и в других странах социалистического содружества.

В последнее время все более распространенным стал термин персональная ЭВМ (ПЭВМ), или персональный компьютер. ПЭВМ – это небольшая по размерам машина, которой пользуются и в быту, и в научной, инженерной, управленческой, редакционно-издательской и других областях деятельности. ПЭВМ относятся, как правило, к микро-ЭВМ, гак как создаются на базе микропроцессора, т.е. на основе одной или нескольких больших интегральных схем.

При необходимости ПЭВМ могут быть соединены между собой или подсоединены к более мощным машинам, образуя так называемую вычислительную сеть. Например, типовое оборудование школьного кабинета информатики состоит из рабочего места преподавателя и 8-15 рабочих мест учащихся. На каждом из них установлены видеомонитор и ПЭВМ. Обычно она размещается в одном блоке с клавиатурой. Кроме этого на рабочем месте преподавателя установлены: печатающее устройство, память на магнитных дисках, графопостроитель, другие устройства. Линии связи обеспечивают передачу данных между рабочими местами преподавателя и ученика.

Современные ПЭВМ имеют быстродействие порядка  операций в секунду и ОЗУ емкостью  бит. Типичными примерами отечественных ПЭВМ могут служить машины: «Агат», «Корвет», ДВК-3 и ДВК-4, ЕС-1840 и ЕС-1841.