книги из ГПНТБ / Нечаев А.Н. Устройство и работа электронных цифровых машин
.pdf
Книга знакомит читателя с возможными областями применения электронной цифровой вычислительной тех ники, элементами и устройствами электронных цифро вых машин, порядком их работы и эксплуатации.
Книга рассчитана на инженерно-технических работ ников различных областей промышленности, интересую щихся вопросами использования, электронной вычисли тельной техники для выполнения трудоемких вычисле ний, управления технологическими процессами и произ водством.
Отзывы о книге и пожелания просим присылать по адресу: Москва, проезд Владимирова, 6, издательство' «Московский рабочий».
Количество электронных цифровых машин (ЭЦМ) в нашей, стране непрерывно увеличивается. Отечественная промышленность большими сериями выпускает элек тронные цифровые машины различных типов, универ сального и специализированного назначения, и они уже получили признание широких кругов научных сотрудник ков, инженеров и экономистов.
Однако большие возможности электронных цифровых машин еще недостаточно широко применяются для мас совых технических расчетов, планирования и управления работой предприятий, обработки информации.в народ ном хозяйстве. Объясняется это тем, что умение исполь зовать эти машины находится пока на более низком уров не и-развивается гораздо медленнее, чем их конструиро вание, изготовление и возможности. Отсутствие доста точного, количества специалистов, умеющих ставить за-^ дачи для решения с-уце^ш технических возможностей вычислительных машй'Ш^ффа из существенных при чин, тормозящих широкбе внедрение вычислительной тех ники в народное хозяйство.
Фронт применения вычислительных, управляющих и информационно-логических машиндолжен бытьзначит- ■тельно-расширен путем дальнейшего • изысканиянов'ых областей, в которых-можно. эффективно использовать' ЭЦМ. Сделать-*это:-можнст'только при активном участии
-руководящих, работников, инженеров, техников и- эконо мистов промышленности, обладающихдостаточным опы том работы-и знакомых со спецификой производствен ных процессов. Для правильной,оценки-возможностей ис-. пользования ;ЭЦМ они, кроме того, должйы иметь яснее
представление об устройстве, основных параметрах и особенностях эксплуатации современных вычислитель ных машин.
Исторический XXII съезд КПСС выдвинул задачу комплексной механизации и автоматизации народного хозяйства, которые служат материальной основой для постепенного перерастания социалистического труда в труд коммунистический. «Первостепенное значение для технического перевооружения всего народного хозяйст ва,— сказано в Программе КПСС,— имеет развитие ма шиностроения, всемерное форсирование производства автоматических линий и машин, средств автоматики, те лемеханики и электроники, точных приборов. Быстрое развитие получат такие конструкции машин, которые, обеспечивая высокие технические свойства, приведут к сокращению расходов сырья и энергии, повышению про изводительности труда».
Многие проблемы механизации и автоматизации во всех отраслях народного хозяйства нельзя решить без использования современной вычислительной техники. Ог ромные возможности электронных вычислительных ма шин позволили механизировать выполнение вычислений при решении многих сложных научно-технических про блем, конструировании машин, аппаратов и станков, при разработке технологических процессов в различных об ластях промышленности.
Разработка единой системы планирования, учета и оперативного управления народным хозяйством должна производиться на основе применения математических ме тодов и вычислительной техники. Эта проблемавклю чает такие задачи, как разработка научных основ и ма тематических методов оптимального планирования и прог ектирования, разработка методологии оптимального уче та и статистического анализа, экономико-математических моделей различных. процессов в народном хозяйстве и критериев их оптимизации, построение системы планово
4
го ценообразования и расчетов экономической эффек тивности.
Такое планирование связано с передачей и обработ кой колоссального количества информации, отображаю щей текущее состояние всех отраслей народного хозяй ства. Выполнить эту работу удовлетворительно без ис пользования большого количества высокопроизводитель ных электронных вычислительных и информационно-ло- гических машин невозможно.
В последнее время все больше внимания уделяется использованию электронных вычислительных машин в ав томатическом управлении, т. е. в таких комплексах ма шин, устройств и аппаратов, которые позволяют без не посредственного участия человека осуществлять различ ные функции управления производственными и другими процессами. Человек в таких комплексах осуществляет лишь общий контроль за работой системы. Применение автоматизированных комплексов имеет большие преиму щества по сравнению с использованием обычного обору дования и приносит существенные экономические выго ды. Они позволяют значительно сократить обслуживаю щий персонал, дают экономию материалов, электроэнер гии и топлива, повышают производительность труда и качество продукции. Кроме того, такие системы дают возможность, в случае необходимости, быстро осваивать выпуск новых видов продукции путем простой замены программы работы управляющей машины автоматизи рованного комплекса.
«В течение двадцатилетия, — сказано в Программе КПСС,—■осуществится в массовом масштабе комплекс ная автоматизация производства со все большим пере-
-ходом к цехам и предприятиям-автоматам, обеспечиваю щим высокую технико-экономическую эффективность. Ускорится внедрение высокосовершенных систем авто матического управления. Получат широкое применение кибернетика, электронные счетно-решающие и управляю
щие устройства в производственных процессах промыш ленности, строительной индустрии и транспорта, в науч ных исследованиях, в плановых и проектно-конструктор ских расчетах, в сфере учета и управления».
Основным критерием целесообразности применения вычислительных машин должен служить получаемый эко номический эффект. Внедрение электронной вычислитель ной техники во все отрасли народного хозяйства СССР
будет способствовать лучшему использованию резервов, быстрому росту производительности труда, оптимально му планированию развития производства. Прогресс в об ласти создания и использования вычислительных машин, реализация их колоссальных возможностей ускорят соз дание материально-технической базы коммунизма.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОННЫХ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИНАХ
Аналоговые и цифровые вычислительные устройства и машины
Вычислительная техника представляет собой совокуп ность средств (машин, устройств, приборов, таблиц и т. д.), предназначенных для снижения трудоемкости, ускорения или автоматизации решения математических задач. Устройства и приспособления, облегчающие вы числения, появились в глубокой древности и прошли длинный путь развития от простейших счетов и логариф мической линейки до современных электронных цифро вых машин с программным управлением и мощных ана логовых машин.
Вычислительные машины и приборы бывают двух классов: аналоговые устройства (непрерывного дейст вия) и цифровые устройства (дискретного действия). В аналоговых устройствах числа, над которыми произво дятся действия, изображаются какими-либо физическими величинами, например отрезками длины, углами поворо та, величиной электрического напряжения или тока и т. п. При этом аналоговые величины изменяются так же, как исходные. Это позволяет заменить переменные в' исходной задаче соответствующими аналоговыми значе ниями. В цифровых устройствах числа представлены не которой последовательностью цифр. Особенности пред ставления чисел в этих двух классах устройств определя ют их возможности и области применения.
Точность представления чисел в аналоговых устрой-- ствах определяется точностью изготовления отдельных
7
узлов и точностью измерения величин. Например, для то го чтобы считать показания со шкалы с точностью до третьего знака, ее необходимо весьма тщательно изгото вить. Предельная точность механических аналоговых устройств составляет 0,1%. Наиболее точные электрон ные устройства обеспечивают получение результатов с погрешностью всего 1—2%, а типовые промышленные установки — около 5—10%. Точность промышленных установок вполне достаточна для прикидочных инженер но-технических расчетов и применения устройств для уп равления процессами, не требующими высокой точности. Надо иметь в виду, что при повышении требований к точ ности аналогового устройства затраты на его изготов ление резко возрастают и быстро переходят все разум ные пределы. Например, повышение точности аналогово го устройства на один порядок может увеличить его стои мость в 10 раз.
Иначе обстоит дело с цифровыми вычислительными устройствами. В отличие от аналоговых, оперирующих с непрерывно изменяющимися физическими величинами, цифровые устройства имеют дело только с числами, раз ряды которых воспроизводятся с помощью простейших элементов (например, счетных колес в арифмометре и клавишной машине). Увеличивая количество этих эле ментов, можно получить любую требуемую точность пред ставления числа и вычислений. В большинстве современ ных электронных цифровых вычислительных машин точ ность представления чисел составляет 10—12 десятичных разрядов при диапазоне их изменения от 10-19 до 10+19. В некоторых машинах точность и диапазон еще выше.
Аналоговые вычислительные устройства состоят из от дельных блоков, выполняющих простые математические операции. Такими блоками могут быть суммирующие, множительные, интегрирующие и дифференцирующие, блоки выработки нелинейных функций, постоянных коэф фициентов и т. д. Перед решением задачи эти блоки соединяются между собой в соответствии с решаемыми уравнениями. Результаты решения получаются путем не посредственного измерения непрерывно изменяющихся величин в определенных точках схемы.
Таким образом, каждой задаче соответствуют впол не определенная комбинация функциональных блоков и установка начальных данных. Для решения, например,
8
такого простого уравнения, как — - — у sin у + бу 1, тре
буется шесть блоков: один суммирующий, два множи тельных, один интегрирующий, один функциональный, реализующий функцию sin у, и один блок постоянных коэффициентов. Схема соединения этих блоков для ре шения уравнения приведена на рис. 1. Очевидно, что для решения сложных систем уравнений потребуется исполь-
Рис. 1. Схема соединения функциональных блоков для
решения уравнения —-= у sin у + 5у2. at
Н — нелинейный |
блок |
sin у; М — множительный блок; ПК — |
блок умножения |
на |
постоянный коэффициент; С — суммирую* |
щнй |
блок; И — интегрирующий блок. |
|
зовать большое количество различных блоков, имеющих сложное соединение между собой.
Решение уравнения у ( t ) можно наблюдать на эк ране электронно-лучевой -трубки, если частота решения задачи будет достаточно высокой. График решения зада чи можно получить фотографированием кривой с экрана электронно-лучевой трубки. Использование самописца позволяет достичь более высокой точности воспроизведе ния графика, так как точность работы самописца срав нима с точностью самих вычислительных устройств.
Универсальность цифровых вычислительных устройств заключается в том, что с помощью одного устройства без изменения его конструкции и состава можно решать математические задачи различных типов. Универ сальность объясняется использованием численных мето дов, требующих для решения любой задачи только вы полнения в определенной последовательности некоторого количества арифметических операций (сложения,, вычи
9
тания, умножения и деления). Для перехода к задаче, другого типа необходимо лишь изменить порядок выпол нения действий.
Вначале были предложены идеи и конструкции ана логовых и цифровых машин, построенных на м е х а н и ч е с к и х принципах. Позднее, с появлением электриче ского привода, получили развитие машины, в основу ко торых был положен э л е к т р о м е х а н и ч е с к и й прин цип. Известны аналоговые вычислительные устройства, построенные на г и д р а в л и ' к е . и на принципе примене ния э л е к т р и ч е с к и х с хе м-е е т о к.
После второй мировой войны появились э л е к т р о н ные аналоговые и цифровые машины, вызванные к жиз ни бурным развитием науки и техники в первой половине XX века и значительно изменившие технику выполнения вычислений. Замечательные достижения ядерной физи ки, химии, механики, гидродинамики, радиотехники и других наук в значительной степени обязаны успехам вычислительной техники. Создание самолетов со сверх звуковыми скоростями, строительство атомных электро станций и кораблей и, наконец, освоение космического пространства не могло' бы быть столь успешным без ши рокого применения электронных вычислительных машин, которые по быстродействию во много раз превосходят все ранее существовавшие вычислительные устройства и приборы.
"Электронные аналоговые вычислительные машины мо гут.работать в различных масштабах времени, в том чи сле и натуральном, т. е. в том же темпе, как исследуемоеявление или управляемый процесс. Это позволило соеди нять электронные вычислительные машины с быстродей ствующей реальной аппаратурой в общую систему управ ления. Применение высокоскоростных электронных эле ментов (ламп, транзисторов, полупроводниковых диодов, ферритов и т. п.) для построения цифровых машин по зволило им выполнять десятки и даже сотни тысяч опе раций -в одну секунду.
В настоящее время электронные вычислительные ма шины, в основу которых положен аналоговый принцип, представляют собой сложные установки, содержащие сотни электронных ламп и полупроводниковых приборов. Их вычислительные возможности удовлетворяют требова ниям большинства научно-технических задач.
10