1.Основные термины и понятия.
Аббревиатура ЭВМ -Электронная Вычислительная Машина.
Как и всякая другая машина ЭВМ обеспечивает преобразование сырья, поступающего на вход машины, в конечный продукт. Особенность ЭВМ в том, что в качестве сырья на вход машины поступает информация (исходные данные), а на выход выдаются результаты решения задачи.
Термин вычислительная означает, что обработка информации осуществляется путем выполнения сравнительно простых математических (арифметических, логических и т.п.) операций, т.е. путем вычислений.
Термин электронная означает, что машина построена на основе электронных элементов, электронной элементной базы.
В прошлые века, , наиболее доступной, а следовательно, и удобной была механическая форма представления информации в вычислительных устройствах.
В арифмометрах операции над числами выполнялись с помощью колес, которые при добавлении единицы поворачивались на 36° и с помощью штифта приводили в движение следующее по старшинству колесо всякий раз, когда цифра 9 переходила к цифре 0 (накапливался десяток).
Однако механические устройства громоздки, дороги и слишком инерционны (с их помощью нельзя построить универсальные и быстродействующие вычислительные машины).
В настоящее время во всех вычислительных машинах в качестве основной формы представления информации используются электрические сигналы (чаще всего - уровни напряжения постоянного тока).
Для передачи электрических сигналов нужны лишь провода, эти сигналы легко преобразовывать с помощью различных полупроводниковых схем.
При использовании в качестве носителя информации напряжений постоянного тока возможны две формы представления численного значения какой-либо переменной, например, X:
В виде одного сигнала - значения напряжения постоянного тока, которое сравнимо с величиной X (аналогично ей).
Например, при Х=1845 единиц на вход вычислительного устройства можно подать напряжение 1,845 В (масштаб представления 0,001 В/ед.) или 9,225 В (масштаб представления 0,005 В/ед.);
В виде нескольких сигналов - нескольких значений напряжения постоянного тока, которые, например, сравнимы с числом единиц в X, числом десятков в X, числом сотен в X и т. д.
Первая форма представления информации называется аналоговой или непрерывной (с помощью сходной величины - аналога). Величины, представленные в такой форме, могут принимать принципиально любые значения в каком-то диапазоне.
Они могут быть сколь угодно близки друг к другу, малоразличимы, но все-таки, хотя бы в принципе, различимы.
Количество значений, которые может принимать такая величина, бесконечно велико. Их бесконечно много даже в случае, когда величина изменяется в ограниченном диапазоне, например 0-2000 или 0-0,0001.
Отсюда названия - непрерывная величина и непрерывная информация.
Слово непрерывность отчетливо выделяет основное свойство таких величин - отсутствие разрывов, промежутков между значениями, которые может принимать данная аналоговая величина.
Вторая форма представления информации называется цифровой или дискретной (с помощью набора напряжений, каждое из которых соответствует одной из цифр представляемой величины).
Такие величины, принимающие не все возможные, а лишь вполне определенные значения, называются дискретными (прерывистыми).
В отличие от непрерывной величины количество значений дискретной величины всегда будет конечным.
При этом использовании непрерывной формы создателю вычислительной машины потребуется меньшее число устройств (каждая величина представляется одним, а не несколькими сигналами), но эти устройства будут сложнее (они должны различать значительно большее число состояний сигнала).
Кроме того, устройства для обработки непрерывных сигналов обладают более высоким «интеллектом» (они могут интегрировать сигнал, выполнять любое его функциональное преобразование и т. п.) и за счет этого, а также ряда других особенностей имеют высокое быстродействие. (Некоторые виды задач решаются во много раз быстрее, чем с помощью устройств с дискретным представлением информации.)
Выводы:
Исходные данные, результаты и другая информация, перерабатываемая вычислительными машинами, представляется в них в виде каких-либо физических величин - чаще всего электрических сигналов (напряжений постоянного тока).
Существуют две формы представления информации (физических величин) в вычислительных машинах:
аналоговая (непрерывная), величина представляется в виде одного сигнала, пропорционального этой величине
цифровая (дискретная), величина представляется в виде нескольких сигналов, каждый из которых соответствует одной из цифр заданной величины.
Непрерывная форма используется в электронных аналоговых вычислительных машинах, а дискретная - в цифровых электронных вычислительных машинах.
Те задачи, при решении которых НЕ требуется хранить и обрабатывать большие объемы информации, и которые описываются системами дифференциальных уравнений и должны решаться за минимальное время, целесообразнее решать с помощью АВМ.
Создают также и гибридные вычислительные системы (ГВС), которые соединяют в себе достоинства как аналоговых, так и цифровых вычислительных машин.
Таким образом все множество вычислительных машин (ВМ) делится на 3 класса:
аналоговые (АВМ)
и цифровые (ЦВМ)
гибридные (ГВМ).
Аналоговые вычислительные машины (АВМ) .
АВМ работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения).
АВМ обеспечивают решение различных задач по принципу аналогии протекающих в них (в АВМ) процессов с процессами в объектах, для которых поставлена и решается задача.
Существует много различных по своей природе объектов, процессы в которых описываются одинаковыми математическими моделями (формулами, зависимостями), например, дифференциальными уравнениями или системой уравнений.
Чаще всего АВМ используются для решения:
задач, описываемых системами дифференциальных уравнений:
исследования поведения подвижных объектов (машин, роботов, судов, летательных аппаратов и т. п.);
моделирования ядерных реакторов, гидротехнических сооружений, газовых сетей, электромагнитных полей и биологических систем;
задач параметрической оптимизации и оптимального управления;
управления процессами переработки нефти и выплавки стали.
В АВМ для решения такого рода уравнений обычно используются электрические процессы, которые описываются (моделируются) такого же рода математическими зависимостями.
В них решение задач сводится к измерению электрических параметров процессов, протекающих в АВМ через определенные промежутки времени.
Аналоговые вычислительные машины весьма просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения на них, как правило, нетрудоемкое; 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 2-5 %).
На АВМ наиболее эффективно решать математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики.
Но АВМ НЕ могут решать задачи, связанные с хранением и обработкой больших объемов информации, которые легко решаются при использовании цифровой (дискретной) формы представления информации, реализуемой цифровыми электронными вычислительными машинами (ЭВМ).
Цифровые вычислительные машины (ЦВМ) обеспечивают решение различных задач путем выполнения элементарных математических (арифметических и логических) операций над информацией, представленной исключительно в дискретной форме, - над числами, символами текста, точками графических изображений и т.п.
Гибридные вычислительные машины (ГВМ) – 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. При этом ЦВМ реализует логические функции, выступая в роли управляющего устройства для АВМ.
Области применения самые разнообразные. В настоящее время ЭВМ применяются практически во всех областях человеческой деятельности.