книги из ГПНТБ / Нечаев А.Н. Устройство и работа электронных цифровых машин

Отечественная машина МН-8, например, являющаяся одной из крупнейших нелинейных электронных ана­ логовых вычислительных машин, может решать диффе­ ренциальные уравнения 16-го и более высокого порядка. Длительность исследуемых с ее помощью процессов в натуральном масштабе времени может быть как малой величиной, равной нескольким секундам, так и очень зна­ чительной — до 10 тыс. секунд. В машине имеется 400 операционных усилителей, выполненных в виде съемных блоков. Машина осуществляет до 48 операций суммиро­ вания 264 слагаемых, 48 умножений на постоянный коэф­ фициент (с тремя десятичными разрядами), 36 умноже­ ний на переменный коэффициент и много других опера­ ций. Для соединения с.реальной аппаратурой машина имеет специальные выходы.

Малогабаритная аналоговая вычислительная машина МН-10 построена полностью на полупроводниковых эле­ ментах. Она может быть установлена на столе (0,3 кв. м), потребляет всего 130 ва электроэнергии и весит 35 кг. МН-10 предназначена для исследования различных си­ стем методом математического моделирования. На ней можно решать дифференциальные уравнения до 6-го по­ рядка с учетом нелинейных зависимостей. Для решения более сложных задач в параллельную работу включают­ ся две и более машин. Набор задачи производится на специальной коммутационной плате. Результат решения наблюдается на электронно-лучевом индикаторе. При., необходимости машина может работать совместно с реальной аппаратурой автоматического управления и ре­ гулирования.

Отечественная аналоговая вычислительная машина МН-14 является одной из совершеннейших машин по­ добного типа. Она представляет собой сложное устрой­ ство, состоящее из 372 сменных блоков, 3100 электрон^ • ных ламп и более 8 тыс. полупроводниковых диодов и триодов.

Аналоговые машины для решения несложных задач обходятся дешевле цифровых. Кроме того, они обладают большой простотой и удобством постановки задач, на­ глядностью решения, индикации и регистрации резуль­ татов. Возможность изменения и широких пределах ис­ ходных данных задачи (коэффициентов и начальных ус­ ловий) позволяет легко найти наилучшее решение. Бла­

11

годаря этим свойствам аналоговые машины нашли Шк-, рокое применение для инженерно-технических расчетов, научных исследований и управления различными процес­ сами и объектами. Однако с появлением и развитием электронных цифровых машин с программным управле­ нием область применения аналоговых машин несколько

машины. Программы решения больших задач громоздки и логически сложны. Конструктивно ЭЦМ значительно сложнее аналоговых машин. Использование ЭЦМ для уп­ равления затруднено необходимостью применять спе­ циальные устройства для преобразования непрерывных величин, характеризующих состояние управляемого про­ цесса или объекта, в цифровые величины и обратного пре­ образования. Тем не менее благодаря универсальности, быстродействию и главным образом высокой точности вы­

«сложность задачи» включает в себя количество опера­ ций, которые необходимо выполнить, продолжительность решения задачи, требуемую точность решения. Крите­ рием целесообразности в данном случае служит стои­

12

мость машины. Из кривых, приведенных на рис. 2, вид­ но, что на аналоговых машинах выгоднее решать менее сложные задачи. С возрастанием сложности задач стои­ мость аналоговой машины резко возрастает и становится больше стоимости цифровых 'вычислительных машин, способных решать подобные задачи. Стоимость цифро­ вых машин при значительном усложнении задачи увели­ чивается немного за счет введения дополнительных раз­ рядов; расширения емкости запоминающих устройств

ит. п. Решение же задач малой сложности на электрон­ ной цифровой машине зачастую бывает невыгодным, так как даже для простых задач цифровая машина с про­ граммным управлением должна иметь сравнительно большой объем оборудования. Из этого следует, что к выбору вида машины следует подходить с тщательным анализом характера задачи и возможностей аналоговых

ицифровых машин.

Впоследние годы конструкторы приступили к разра-. ботке.и изготовлению комбинированных аналого-цифро­ вых вычислительных и управляющих машин, которые

оказываются наиболее эффективными для решения мно­ гих задач. Такая машина состоит из аналоговой и циф­ ровой частей, в которых математические операции вы­ полняются над величинами, представленными как в не­ прерывном (аналоговом), так и в дискретном (цифро­ вом) виде. Комбинированные машины сочетают, в себе положительные качества обоих видов вычислительных машин, однако могут быть использованы для решения определенного класса задач.

Краткий 'исторический обзор развития электронных цифровых машин

Появление электронных цифровых машин стало воз­ можным благодаря значительным достижениям в таких областях науки и техники, как математика, радиоэлек­ троника, автоматика, точное приборостроение.

Идея создания автоматических цифровых вычисли1тельных машин с программным управлением впервые была высказана в 1833 г. в работах английского профес­ сора Бэббиджа, который разработал проект механиче­ ской «аналитической машины». Этот проект содержал

13

основные узлы современных вычислительных машин — арифметическое устройство и устройство управления с* вводом программы на перфокартах. Бэббидж предусмат­ ривал возможность автоматического выбора машиной дальнейшего хода вычислений чв зависимости от получае­ мых результатов. Однако проект Бэббиджа не был реа­ лизован в то время из-за низкого уровня техники.

Приблизительно в то же время возникло новое на­ правление в логике — «математическая логика». Истори­ чески первым разделом ее была «алгебра логики», или булева алгебра, названная так по имени ее создателя английского математика и логика Дж. Буля. Примене­ ние математической логики позволило записывать логи­ ческие соотношения между понятиями и суждениями с помощью символических формул, подобно тому как в ма­ тематике записываются соотношения между числами и величинами. Алгебра логики получила широкое приме­ нение для анализа и синтеза релейно-контактных схем и для описания логических схем электронных цифровых машин и процессов обработки информации. Большой вклад в развитие современной алгебры логики внесли американский математик и инженер К. Э. Шеннон и со­ ветские ученые В. И. Шестаков и М. А. Гаврилов.

«Марк-1», построенная в США в 1944 г., содержала де­ сятки тысяч реле. Быстродействие машины было неве­ лико.

Т е х н и ч е с к а я о с н о в а для создания электрон­ ных цифровых машин была заложена в процессе разра­ ботки аппаратуры, используемой при исследованиях в области ядерной физики. Счетчики, применяемые для подсчета импульсов от частиц, выделяемых радиоактив­ ными элементами, в качестве основного элемента име­ ли э л е к т р о н н у ю т р и г г е р н у ю с х е му , разрабо­ танную в 1918 г. профессором $Л. А. Бонч-Бруевичем. В современных электронных цифровых машинах триг­ герные схемы широко применяются в качестве основно­ го логического элемента.

14

^тельных машин универсального назначения в США до­ стигла одного миллиарда операций в секунду. Графики роста количества и мощности парка универсальных ма­ шин в США за период 1951—1963 гг. приведены на

рис. 4. Кривые этих графиков показывают, что интерес к ЭЦВМ начиная с 1953 г. неуклонно возрастал.

■Помимо использования вычислительных машин, в различных научно-исследовательских учреждениях крупные фирмы и монополии начали внедрять электрон­ ную вычислительную технику для автоматизации про­ изводственных процессов, экономических расчетов, планирования производства, обработки данных в сфере промышленности, товарооборота и транспорта.

Развитие вычислительной техники в Англии идет в основном^ по пути создания ЭЦМ средней и малой мощ-

I U i l U U L M * * « > 4 1 и ы . ж .

ЛЁО-iii на трайзисторах (рис. 5), которая может ра­ ботать одновременно по нескольким программам.

Несколько позднее, чем в США и Англии, к произ­ водству электронных цифровых вычислительных машин приступили другие, 'наиболее развитые в техническом отношении страны: Франция (машины «Гамма», КАБ, СЭА и др.), ФРГ (машины серии «Ц»), Швеция (маши­ ны БЕСК, ФАЦИТ), Голландия, Италия и Япония.

В Советском Союзе первая электронная цифровая вычислительная машина МЭСМ (малая электронная счетная машина) была построена в 1951 г. Она разра­ батывалась под руководством академика С. А. Лебеде­ ва в Академии наук УССР. Первоначально МЭСМ предполагалось использовать только для проверки взаимодействия отдельных узлов и для приобретения опыта, необходимого для разработки и наладки элек­ тронных машин. Однако жизнь, выдвигавшая большое количество важных задач, заставила использовать этот первенец для их решения. Основными элементами в машине были триггерные схемы, поэтому, как и в пер­ вой американской машине ЭНИАК, в ней применялось большое количество электронных ламп (7—8 тыс. штук). Машина МЭСМ сыграла важную роль в под­ готовке инженеров, конструкторов и программистов для конструирования и эксплуатации новых, более совер­ шенных машин. Большая работа была проведена по со­ зданию новых электронно-ламповых элементов и схем, определению надежности работы и режимов их исполь­ зования.

Опыт разработки, изготовления и эксплуатации МЭСМ был использован при конструировании машины БЭСМ (быстродействующая электронная счетная ма­ шина), которая была построена в 1952 г. в Академии наук СССР под руководством академика С. А. Лебеде­ ва. В течение 1952—1956 гг. машина находилась в опыт­ ной эксплуатации и неоднократно модернизировалась. В первый период эксплуатации машина работала с опе­ ративным запоминающим устройством на электроаку­ стических трубках и производила около 1000 операций в секунду. Затем это запоминающее устройство было за­ менено новым — на специальных электронно-лучевых трубках; быстродействие машины при этом повысилось до 7—8 тыс. операций в секунду. С 1956 г. в машине

20