Глава VIII

ПРИМЕНЕНИЕ ЭВМ В НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

8.1. Типы эвм и возможности вычислительных систем

Электронно-вычислительная машина (ЭВМ) ²¹ является устройством, предназначенным для выполнения вычисли­тельных и логических операций в соответствии с про­граммой, управляющей ее работой. , ЭВМ подразделяются на универсальные и специали­зированные. Универсальные ЭВМ используются для решения любых задач, если они имеют алгоритм. Специализированные ЭВМ предназначены для

задач определенного назначения (управляющие, инфор­мационные и др.).

Цифровые ЭВМ обрабатывают вводимую в них ин­формацию (данные) в дискретной форме в виде последо­вательных операций (арифметических и логических) в со­ответствии с заранее подготовленной программой. После введения в память машины программа управляет рабо­той ЭВМ с учетом полученной информации (данных). Программа и данные вводятся в машину при помощи устройства ввода (рис. 8.1). Результат решения задачи

Рис. 8.1. Структурная схема ЭВМ

выдается пользователю в той или иной форме при пом о щи устройства вывода. Последовательность операций, определенная программой, выдерживается при помощи устройства управления (УУ). Выбрав очередную коман­

ду из устройства памяти ЭВМ, управляющее устройство готовит арифметически-логическое устройство (AJ1 У) для выполнения соответствующей операции, указывает адреса ячеек памяти, из которых в АЛУ должны посту­пить необходимые данные (операнды). Результат выпол­нения операции вводится в память. После выполнения всей программы по заказу пользователя результаты ви­даются в виде распечатки (таблицы) или выводятся на экран дисплея. Устройства памяти ЭВМ подразделяются на основную (оперативную) (ОП) или основное запоми­нающее устройство (ОЗУ) и внешнее запоминающее устройство (ВЗУ). В этих устройствах хранятся програм­ма, исходные, промежуточные и окончательные резуль­таты. Основной характеристикой ОЗУ является ем­кость²².

. Устройство управления, АЛУ и память составляют центральный процессор (ЦП) ЭВМ, обеспечивающий управление последовательностью команд программы, вы­полнение арифметических и логических (И, ИЛИ) опе­раций, вывод данных и ввод результатов в память.

Вычислительная машина кроме основных блоков, про­цессора, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), устройства управления содержит разнообразные по сво­им функциям и принципам работы периферийные устрой­ства. Сюда входят устройства, предназначенные для хра­нения объемов информации (см. рис. 8J), устройства ввода в ЭВМ и вывода из нее информации для реги­страции на носителях в виде печати, перфорации и т.д. или путем индикации на экран (устройства ввода-вы- вода).

Известные в настоящее время устройства ввода ин­формации можно разделить на две группы: ручные и автоматические (рис. 8.2).

В группу устройств ручного ввода входят пульты уп­равления ЭВМ, электрифицированные пишущие машин­ки, дисплеи и др. Эти устройства, располагая клавиату­рой, позволяют вводить информацию непосредственно, без предварительной .подготовки.

Г

Ручные

Чрезвычайно широкое распространение среди поль­зователей получили дисплейные устройства, удобные для непосредственного общения человека с ЭВМ. Дисп­лей состоит из клавиатуры, подобной клавиатуре пишу­щей машинки, и экрана, по размеру и форме аналогич­ного экрану телевизора. В режиме ввода информация или программа набирается с помощью клавиатуры на эк-

Зстройс/пёа информации

ZL

Автоматически

еС машинным

носителем

амрвршциц

С непосред - апйенным SSoHzm

Пульт управления ЭВМ, специ­ализирован­ные яцдьты Ша

Электричес­кие пишущие мтинни, дисплеи с клидиатурои и свстешм трет

Устройства считывания с аергрекарт

Устрейст8а считывания с перфолент

Читающие о8юом!?ты

Устройства опознавания реч

иУстройства 88сса грари- четай янфср- мации

Устройства SScaa с маг­нитной ленты

Аналоге-циф- рр$ые прео- iptnoSa me/iu сигналов

Рис. 8.2. Классификация устройств ввода информации

ране дисплея и после визуальной проверки нажатием специальной клавиши переносится в память ЭВМ. Это позволяет существенно сократить количество ошибок при вводе информации. К недостаткам можно отнести невы­сокую скорость ввода (около 10...12 символов/с).

В группу автоматических устройств входят устройст­ва для считывания информации с промежуточного носи­теля и устройства непосредственного ввода.

Устройства ббоон дан­ных с линий сбязц

К устройствам ввода с промежуточного носителя

информации относятся устройства считывания информа­ции с перфокарт, перфолент и магнитных лент.

Перфокарта представляет собой картонный прямоугольник со срезанным верхним левым углом. По ширине перфокарта разбивается на 80 колонок. По вы­соте перфокарты может располагаться до 12 строк, ко­торым присвоены номера сверху вниз. Прямоугольные отверстия перфорируются на пересечениях колонок и строк.

Перфолента — это плотная бумажная или целлю­лозная лента, которая может быть различной ширины. Перфолента обладает большей емкостью, чем перфо­карта. На рулоне в 300 м размещается до 120 тыс. знаков. Наиболее распространены 5-, 7- и 8-дорожечные ленты. Достоинством перфоленты является получение ее одно­временно с выполнением другой основной операции по выписке документа, регистрации операций или расчета. К недостаткам следует отнести трудность группировки ииформации, нанесенной на перфоленте.

Магнитная лента применяется в основном в ка­честве ВЗУ. Как и перфолента, она бывает различной ширины и имеет различное количество дорожек записи. Плотность записи на магнитной ленте значительно вы­ше, чем на перфоленте. Достоинством магнитной ленты является возможность ее многократного использования и изменения части записи.

К автоматическим устройствам непосредственного вво­да информации относятся устройства, считывающие ин­формацию со специальных бланков, с печатного текста и с графиков. Ведутся интенсивные разработки устрой­ства ввода информации с голоса.

К автоматическим устройствам непосредственного ввода относятся также устройства приема информации с линий связи.

Устройства вывода информации (рис. 8.3) подразде­ляются на устройства вывода: цифровой информации на промежуточный носитель; на разного рода экраны (гра­фопостроители, печатающие устройства); на внешнюю среду (устройства выдачи данных в линии связи и др.).

К первой группе относятся устройства вывода инфор­мации на перфокарты, перфоленты и магнитные ленты. Такой способ вывода удобен при выводе отлаженных про­грамм и выверенной информации для последующего ис­пользования. Выводные устройства второй группы либо печатают поступающую из ЭВМ алфавитно-цифровую информацию на бумаге (печатающие устройства), либо отображают ее на экранах в виде текста, изображений и графиков (дисплеи), либо рисуют графики и чертежи на бумаге (графопостроители и чертежные машины). Выводные устройства третьей группы предназначены для

Рис. 8.3. Классификация устройств вывода информации

передачи информации удаленным пользователем. Эти устройства в совокупности со средствами коммуникации позволяют широко использовать сетевые свойства со­временных вычислительных средств и создавать систе­му коллективного пользования с большим количеством удаленных от ЭВМ абонентов.

Создание автоматизированных систем обработки дак- ных, переработка информация многих абонентов часто предполагают использование многомашинных вычисли­тельных систем. При этом отдельные ЭВМ должны быть приспособлены к работе с другими машинами на соот­ветствующих уровнях организации вычислительной си­стемы.

Реализация перечисленных требований осуществля­ется по мере совершенствования ЭВМ, которые в своем развитии прошли четыре поколения, характеризующиеся различной элементной базой, математическим обеспече­нием и структурой.

В первом поколении ЭВМ в качестве элемент­ной базы использовались электронные лампы. ЭВМ об­ладали малой емкостью оперативного запоминающего устройства и низкой производительностью (около 20 тыс. операций в секунду). Такие ЭВМ были рассчитаны на обработку только цифровых данных.

Второе поколение ЭВМ создавались на полу­проводниках, имели расширенный объем оперативной памяти, скорость обработки информации достигала со­тен тысяч операций в секунду. Расширился набор пе­риферийных устройств. Появилась возможность диффе­ренцировать ЭВМ по применению: для решения научно- технических и экономических задач, для управления производственными процессами и т. д.

Третье поколение — это ЭВМ на интегральных схемах и вычислительные системы, представляющие со­бой ряды программно и информационно совместимых машин. Эти ЭВМ обладают широкими возможностями по быстродействию (от нескольких десятков тысяч до нескольких миллионов операций в еекунду), объему оперативной и внешней памяти, набору периферийных устройств, что обеспечивает самые различные запросы пользователей. ЭВМ третьего поколения позволяют ши­роко использовать многопрограммную обработку инфор­мации. Появилась возможность создания многомашин? ных комплексов и сетей терминальных устройств сбора и выдачи информации. Развитие аппаратных и прог­раммных средств системы прерываний программ способ­ствовало освоению режима разделения времени. Этот режим обеспечивает работу в реальном времени всем пользователям за терминальными устройствами.

Четвертое поколение ЭВМ представляет со­бой многопроцессорные системы на больших интеграль­ных схемах, использующих общую память и внешние ус­тройства. Они позволяют объединить вычислительные мощности в единую вычислительную сеть, имеющую большое количество абонентов. Характерным для ЭВМ четвертого поколения является ориентация отдельных процессоров на выполнение определенных операций или решение конкретных классов задач.

В настоящее время ведутся работы по созданию ЭВМ пятого поколения. ЭВМ и вычислительные систе­мы пятого поколения помимо более высокой производи­тельности должны будут обладать рядом новых свойств: возможностью взаимодействия с ЭВМ при помощи есте­ственного языка, человеческой речи и графических изо­бражений; способностью системы обучаться, делать ло­гическое суждение, вести «разумную» беседу с челове­ком в форме вопросов и ответов; способностью системы «понимать» содержание базы данных, которая при этом превращается в «базу знания», и использовать эти «зна­ния» при решении задач. Предполагается, что в ЭВМ пятого поколения быстродействие возрастет до 2 млн. on/с, а объем оперативной памяти — до 0.5...5 Мбайт для персональных компьютеров. Для сверхпроизводи­тельных ЭВМ эти показатели составят: 1... 100 млрд. оп/с и 8...160 Мбайт.

Для решения широкого круга научно-технических, экономических, информационно-логических задач как в автономном режиме работы, так и в вычислительных системах, объединяющих несколько ЭВМ и абонентов, наиболее часто используются ЕС ЭВМ (ЭВМ Единой системы, табл. 8.1), Характерной особенностью ЕС ЭВМ является их блочная структура с переменным составом оборудования, которые определяются составом выпол­няемых функций. При таком подходе отдельные функ­циональные устройства выполняются в виде блоков (мо­дулей), которые в нужных номенклатуре и количестве объединяются в ЭВМ. Например, необходимый объем оперативной памяти набирается из отдельных модулей, имеющих фиксированное число ячеек. В такой структу­ре ЭВМ важное значение имеют устройства сопряже­ния (интерфейсы), обеспечивающие обмен информацией между блоками и допускающие подключение необходи­мого состава периферийных устройств. Решение различ­ных по сложности и количеству обрабатываемой инфор­мации задач предъявляет определенные требования к периферийному оборудованию, объему оперативной па­мяти и к самим устройствам обработки информации —

Таблица 8.1 Характеристики ЭВМ Единой системы Модель ЕС ЭВМ	Производитель­ность, тыс. оп/о	Максимальная емкость ОП, Кбайт	Площадь машинного зала, м*
ЕС-1010	3	64	20
ЕС- [012	6	128	Зависит от ком­
			плекта
ЕС-1015	18...22	160	35
ЕС-1020	10...20	256	100
ЕС-1021	20	64	50
ЕС-1022	30...90	512	108
ЕС-1025	60	256	" 75
ЕС-1030	50	1024	150
ЕС-1032	200	1024	Зависит от ком­
			плекта
ЕС-1033	200	512	120
ЕС-1035	140	512	120
ЕС-1036	400	4000	120
ЕС-1040	400	1024	—
ЕС-1045	800	4066	120
ЕС-1046	1300	8192	120
ЕС-1050	500	1024	250
ЕС-1055	500	2048	250
ЕС-1060	1300	8192	200
ЕС-1061	2000	8192	200
ЕС-1065	4500	16 324	350
ЕС-1066	5000	16 324

процессорам (длине машинного слова, скорости обра­ботки информации и т.д.) Одним из важнейших требо­ваний к таким системам является возможность исполь­зования на старших моделях ЭВМ программ, разработанных для младших моделей. Поэтому естест­венным развитием вычислительных систем явилось со­здание ЭВМ, совместимых по программному, информа­ционному и техническому обеспечению.

Информационная совместимость ЭВМ предполагает единые способы кодирования информации и форматы данных и одинаковые или кратные длины машинных слов в различных моделях. Программная совместимость означает, что программы, составленные для одной мо­дели, могут выполняться на других моделях.

Техническая (аппаратурная) совместимость заклю­чается в возможности подключения к любой модели ЭВМ любых периферийных устройств, общих для всей системы ЕС ЭВМ.

Кроме вычислительных систем общего назначения (ЕС ЭВМ) страны социалистического содружества со­здали систему мини- и микроЭВМ. Малые (СМ) и мик- роЭВМ этой системы в первую очередь предназначены для автономного и системного применения при автома­тизации производственных процессов; автоматизации обработки результатов научного эксперимента, лабора­торных и производственных измерений: для создания различных управляющих систем, работающих в реаль­ном времени. Некоторые характеристики мини-ЭВМ, входящих в состав СМ ЭВМ, приведены в табл. 8.2.

Некоторые характеристики моделей СМ ЭВМ Таблица 8.2 Модель	Ей? 11S Г.з -н = Ч в Е ^ я СчОС	Производитель­ность, тыс. оп/с	с 3 |0 ш	Емкость ЗЗУ на магнитных дис­ках, Мбайт	Число НМЛ'	«* U £ а X
СМ-1М	16	250	128		1	1
СМ-2М	16/32	450	256	4.8.	1	1
СМ-3	16/32	250	28	4,8	—	1
СМ-4	16/32	800	124	9,6	2	2
СМ-1300	16/32	500	28	4,8	—	—
СМ-1420	16/32,64	1000	124/1920	29	3	1
СМ-1600	8/16	400	256	—	2	3
СМ-1800	8	150...500	■ 64	0,256	—	2
СМ-1210	16/32	300... юоо	4000	29	2	2
ПС-3000	32/64	300.. лооо	8000	29	2	2

¹ НМЛ — накопитель на магнитных лентчх. ¹ НГМД — накопитель на гибких магнитных лисках.

Таблица 8.3 Некоторые характеристики микроЭВМ	s о те	1 и	С г	S.I Га
Модель	л о 5	* . з и 3S Л г	Максим ал ы< объем ОЗУ, Кбайт	Ч и	Языки програм­мирования
	1	е> • 8 -Я С Ь U х		Is23
Электроннка-60	16	250	64	_	Бэйсик
Электроннка-85	16	600	256	НГМД нжмд» (Винчестер)	Макроассем* блер, Фортран, Паскаль, Бэйсик
Электроника	16	500	56	—	Бэйсик,
МС1501
(Электроника					Фортран
ДВК-1)
Электроника	16	500	56	НГМД	Бэйсик,
МС1501-02					Фортран-IV,
(ДВК-2М)					Паскаль,
					Макроас­семблер, Модула-2
ЕС-1840	16	1000	1000	НГМД нжмд	Бэйсик, Фортран-IV, Паскаль и др.