книги из ГПНТБ / Королев, Л. Н. Структуры ЭВМ и их математическое обеспечение учебное пособие

618 l К 68

УДК 519.95

Структуры ЭВМ и их математическое обеспе­ чение. Д. Н. К о р о л е в . Главная редакция фи­ зико-математической литературы изд-ва «Наука»,

М., 1974.

Книга содержит обзор отечественных и зару­ бежных универсальных вычислительных машин. В ней рассказывается о структурных особенностях некоторых наиболее интересных ЭВМ, об их математическом обеспечении, о том отражении, которое получили идеи программирования в струк­

турах ЭВМ.

Книга рассчитана на студентов II— III курсов, специализирующихся в области системного про­ граммирования и математического обеспечения ЭВМ. Она может быть полезна слушателям факуль­ тетов повышения квалификации. Книгу следует рассматривать как введение в изучение структур

©Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», 1974.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Основу книги составляет содержание курса лек­ ций по структурам ЭВМ, в течение нескольких лет чи­ тавшихся на факультете вычислительной математики и кибернетики МГУ для студентов II и III курсов и для слушателей факультета повышения квалификации при этом факультете.

Идея создания такого курса принадлежит акаде­ мику А. Н. Тихонову, который в свое время предло­ жил автору приблизительный план курса и наметил тот объем сведений, который этот курс должен вклю­ чить. Этот курс лекций назывался «Структура совре­ менных ЭВМ».

При работе над книгой автор старался включить в ее состав сведения о наиболее характерных современ­ ных отечественных и зарубежных вычислительных ма­ шинах, хотя развитие вычислительной техники проис­ ходит столь быстро, что многие машины, которые 4— 5 лет назад считались современными по структуре и техническому воплощению, на сегодняшний день счи­ таться таковыми уже не могут.

В книге содержатся также сведения о структурах машин, в настоящее время уже снятых с производ­ ства. Этот материал также полезен, так как дает пред­ ставление об эволюции в структурной организации ЭВМ, о преемственности идей в области вычислитель­ ной техники, о влиянии математического обеспечения на развитие структур машин. В меньшей степени в книге уделено внимание вопросам математического обеспечения, так как, несмотря на их глубокую связь

6

ВВЕДЕНИЕ

Современные вычислительные машины в начале 50-х годов, в момент их появления, называли вычислитель­ ными машинами с гибким программным управлением.

Этот термин отражал возможность изменять алго­ ритм вычислений в ходе вычислений. Возможность «ис­ числять» программу, формировать ее в ходе вычислений, прямо связана с возможностью хранить в памяти про­ грамму вместе с данными.

Гибкое программное управление — это, пожалуй, главное, что отличает современные электронные машины, или компьютеры, от счетно-перфорационной техники, явившейся предшественницей этих машин.

Счетно-перфорационные машины — сортировки, та­ буляторы, электронные вычислители — продолжают су­ ществовать и сейчас. Эти машины могут выполнять достаточно сложные вычисления и достаточно сложные процессы обработки данных. Однако отсутствие в этих машинах возможности быстро и гибко менять программу вычислений в ходе самого процесса вычислений заста­ вило их уступить свои позиции современным электрон­ ным машинам.

В то же время принцип гибкого программного управ­ ления превратил современные ЭВМ в мощный инстру­ мент, увеличивающий во много раз интеллектуальную мощь Человека, и новая техническая революция, которая происходит на наших глазах, во многом обязана появ­ лению электронных вычислительных машин.

Прежде всего, ЭВМ оказали огромную услугу разви­ тию фундаментальных научных исследований в атомной физике, космической механике и в ряде других важных научных областей.

7

Появление ЭВМ оказало большое влияние и на раз­ витие математики, главным образом на развитие таких ее областей, как численный анализ, математическая логика, математическая лингвистика, теория операций, линейное и нелинейное программирование. С появлением ЭВМ связано появление кибернетики — научного направ­ ления, исследующего общие законы управления слож­ ными биологическими и автоматическими системами. Пожалуй, в настоящее время кибернетику как науку нельзя причислить к областям знаний, имеющим какимлибо образом очерченную сферу исследований, и сейчас все меньше и меньше говорят о кибернетике как о некой теоретической дисциплине. Это слово все более и более связывают с применением дискретных автоматов и, в частности, ЭВМ для исследования и моделирования процессов, которые происходят в больших системах. Тем не менее главный лозунг кибернетики — математи­ зация исследований в самых разнообразных сферах — является плодотворным и, несомненно, играет свою по­ ложительную роль в грандиозном расширении сферы применения ЭВМ.

В настоящее время центр тяжести использования ЭВМ переместился из области научных исследований в область экономики, планирования, управления производством и распределением, т. е. в сферы, непосредственно затра­ гивающие интересы большинства людей.

Не без основания многие предполагают, что приме­ нение ЭВМ именно в этих сферах окажет наибольшее влияние на дальнейшее развитие общества, на развитие его производительных сил и производственных отно­ шений.

Вычислительные машины являются важнейшим фак­ тором, ускоряющим темпы развития науки и произ­ водства, и, следовательно, очень важно уметь правильно использовать их мощь.

§ 1. Историческая справка

Когда говорят о зарождении вычислительной тех­ ники, обычно упоминают три имени: Чарльза Беббиджа, Джорджа Буля, Германа Холлериза (Холлерита).

Чарльзу Беббпджу принадлежит честь формули­ ровки принципа программного управления. Беббндж --

8

машина могла выполнять вычисления значений функций, заданных полиномом п-й степени. Метод основывался на том, что у полиномиальной функции п-я разность по­ стоянна и если заданы начальные значения функции и

то несложными вычислениями можно построить таблицу функций на любом интервале.

В самом деле, зная п—1-ю разность Ап~ху и п—1-ю разность Л"-1г/0, простым сложением этих величин мы получаем п—1-ю разность в точке Xi=*x0-rh. Действуя аналогичным образом, можно вычислить значение самой функции в точке x„+h. Используя тот факт, что А,‘~1у1 постоянна, мы можем восстановить значения функции в любой последовательности точек с заданным, фиксиро­ ванным шагом к. Этот алгоритм очень прост, и программа также очень проста. Для того чтобы машина могла вы­ полнить такого рода алгоритм, она должна иметь воз­ можность запоминать на каких-то регистрах результаты промежуточных вычислений и циклически выполнять не­ которую программу, реализующую алгоритм.

Беббидж построил такую машину, позволявшую табу­ лировать функции — полиномы второго порядка,— и разработал проект машины для табулирования полино­ мов шестого порядка, которая реально не была пост­ роена.

Но важно другое: Беббиджем были сформулированы принципы программного управления и принцип «запоми­ наемой» программы, которые осуществлены в современ­ ных, машинах.

Труды Беббиджа' были опубликованы уже после его смерти в 1888 г., и на-некоторое время его имя было за­ быто.

В 1854 г. английский математик Джордж Буль (Georg Boole) опубликовал книгу «Законы мышления»

(«the Laws of Thought»), в которой им была развита алгебра высказываний, получившая затем название булевой алгебры. Булева алгебра явилась основой, на которой в начале нашего столетия начала развиваться

9