Цифровые и аналоговые вычислительные машиныВсе приведенные выше факты относятся к истории т. н. цифровой вычислительной техники, в которой информация представлена в дискретной форме (в форме чисел, кодов, знаков). Однако большинство физических величин может принимать значение из непрерывного множества — континуума. Существуют вычислительные устройства, оперирующие непрерывной информацией (пример — логарифмическая линейка, где информация представлена отрезками длины). Существует и целый класс электронных вычислительных машин — т. н. аналоговые, информация в которых представляется непрерывными значениями электрического напряжения или тока. Принцип работы таких машин — в построении электрических цепей, процессы в которых описываются теми дифференциальными уравнениями, которые требуется решить.
Рис. 1.1. Модель: а — механическая система; б — "аналогичная" ей электрическая цепь Классический пример такого подхода показан на рис. 1.1. Например, требуется изучить поведение механической колебательной системы, описываемой дифференциальным уравнением (1.1). Подберем электрическую цепь, процессы в которой описываются тем же дифференциальным уравнением с точностью до обозначений (1.2). Между механическими величинами (рис. 1.1, а) и электрическими (рис. 1.1, б) существует соответствие (сравните уравнения (1.1) и (1.2)).
(Страница15) Таким образом, для механического устройства можно подобрать электрическую цепь, процессы в которой описываются аналогичными дифференциальными уравнениями. Или, для заданного дифференциального уравнения (системы) построить электрическую цепь, которая описывается этим уравнением. Существует хорошо отработанная методика синтеза таких цепей и наборы функциональных блоков (АВМ), позволяющие собирать и исследовать синтезированные цепи. Достоинства АВМ: простота подготовки решения, высокая скорость решения. Недостатки АВМ: неуниверсальность (предназначены только для решения дифференциальных уравнений) и низкая точность решения. В настоящее время АВМ находят применение лишь в ограниченных областях технического моделирования. Поэтому в дальнейшем будем употреблять термин "ЭВМ", имея в виду только цифровые вычислительные машины, как это принято в современной терминологии. Варианты классификации ЭВМ За свою полувековую историю ЭВМ из единичных экземпляров инструментов ученых превратились в предмет массового потребления. Спектр применения ЭВМ в современном обществе чрезвычайно широк, причем именно область применения накладывает основной отпечаток на характеристики ЭВМ. Поэтому в большинстве подходов к классификации ЭВМ именно область применения является основным параметром классификации. Изделия современной техники, особенно вычислительной, традиционно принято делить на поколения (табл. 1.1), причем основным признаком поколения ЭВМ считается ее элементная база. Следует помнить, что любая классификация не является абсолютной. Всегда можно отыскать объект классификации, который по одним параметрам относится к одному классу, а по другим — к другому. Это в большой степени относится и к классификации поколений ЭВМ: некоторые авторы выделяют три поколения ЭВМ (дальнейшее развитие ЭВМ идет как бы вне поколений), другие насчитывают целых шесть. В рамках первого поколения ЭВМ не возникала необходимость в классификации, т. к. машин были считанные единицы и использовались они, как правило, для выполнения научно-технических расчетов. Отдельные машины характеризовались быстродействием (числом выполняемых операций в секунду), объемом памяти, стоимостью, надежностью (наработка на отказ), габаритно-весовыми характеристиками, потребляемой мощностью и другими параметрами. (Страница16) Таблица 1.1. Поколения ЭВМ
Использование транзисторов в качестве элементной базы второго поколения привело к улучшению примерно на порядок каждого из основных параметров ЭВМ. Это, в свою очередь, резко расширило сферу применения ЭВМ, причем в разных областях применения к ЭВМ предъявлялись различные требования. Так называемые "научно-технические расчеты" характеризовались относительно небольшим объемом входной и выходной информации, но очень большим числом сложных операций с высокой точностью над входной информацией, а "планово-экономические расчеты" (Здесь используется терминология, принятая в годы существования второго поколения ЭВМ) — наоборот, простейшими операциями (сложение, сравнение) над огромными объемами информации. Соответственно в рамках второго поколения ЭВМ выделялись: □ ЭВМ для научно-технических расчетов, характеризующиеся мощным быстродействующим процессором с развитой системой команд (в т. ч. реализующей арифметику с плавающей запятой) и относительно небольшой внешней памятью и номенклатурой устройств ввода/вывода; □ ЭВМ для планово-экономических расчетов, характеризующиеся, прежде всего, большой многоуровневой памятью, развитой номенклатурой устройств ввода/вывода (УВВ), но относительно простым и дешевым процессором, система команд которого включает простые арифметические команды (сложение, вычитание) с фиксированной запятой. Характерно, что и языки программирования "второго поколения" так же разделялись на "математические" (FORTRAN) и "экономические" (COBOL). Однако по мере расширения сферы применения ЭВМ, улучшения их основных характеристик, появления новых задач, границы между выделенными классами стали размываться. Уже в рамках второго поколения стали выделять т. н. ЭВМ общего назначения, одинаково хорошо приспособленные для решения разнообразных задач. Такие машины объединяли в себе достоинства "научно-технических" и "планово-экономических" ЭВМ: мощный процессор, большую память, широкую номенклатуру УВВ (в то время это уже можно было себе позволить). Такие машины могли решать задачи, недоступные предыдущим моделям. Но для решения более простых задач их ресурсы являлись избыточными и, следовательно, решение этих задач — экономически не оправдано. Поэтому ЭВМ общего назначения (универсальные ЭВМ) стали выпускать различной вычислительной мощности (и, следовательно, стоимости): большие, средние и малые. В рамках ЭВМ третьего поколения стал усиленно развиваться новый класс — управляющие ЭВМ. К ЭВМ, работающим в контуре управления объектом или технологическим процессом, предъявляются специфические требования: прежде всего, высокая надежность, способность работать в экстремальных внешних условиях (перепады температуры, давления, питающих напряжений, высокий уровень электромагнитных помех и т. п.), быстрая реакция на изменения состояния внешней среды, малые габариты и вес, простота обслуживания. В то же время к таким характеристикам, как быстродействие процессора, мощность системы команд, объем памяти, часто не предъявлялись слишком высоких требований, зато решающим становился фактор стоимости. Эти особенности привели к появлению класса т. н. мини-ЭВМ, а затем и микроЭВМ, хотя в дальнейшем и мини- и микроЭВМ использовались не только в качестве управляющих. Иногда эти классы объединяли понятием проблемно-ориентированные ЭВМ. Наряду с упомянутыми классами ЭВМ широкого применения всегда выпускались машины, которые можно было считать специализированными. Это, во-первых, т. н. суперЭВМ, выпускаемые в единичных экземплярах и предназначенные для решения задач, недоступных для серийной вычислительной техники. Для ряда применений создавались специализированные ЭВМ, архитектура и структура которых оптимизировалась под решение конкретной задачи. Ту же задачу можно было решить и на универсальной ЭВМ подходящего класса, но со значительно более низкими показателями качества. В то же время решение других задач на специализированной ЭВМ было либо невозможно, либо крайне неэффективно. Одна из возможных классификаций ЭВМ на рубеже 3 — 4 поколений показана на рис. 1.2. Еще одним важным явлением, проявившимся при развитии третьего поколения ЭВМ, стало появление семейств ЭВМ. В рамках одного семейства, объединенного общими архитектурными, структурными, а иногда — и конструктивными решениями, выпускались несколько (иногда — более десятка) классов ЭВМ: малые, средние, "полусредние", большие, очень большие и т. д.
Рис. 1.2. Вариант классификации ЭВМ Общими для большинства семейств являются: □ внутренний язык, что позволяет осуществлять совместимость программ на уровне машинных кодов (IBM-360, ЕС ЭВМ) либо системы команд, обладающие совместимостью "снизу вверх" (PDP-11), когда старшие представители семейства реализуют все команды младших моделей плюс еще некоторые команды; □ форматы данных; □ форматы записи на внешний носитель; □ интерфейс, что позволяет иметь единую номенклатуру внешних устройств для всех представителей семейства; □ преемственность программного обеспечения (как правило, та же совместимость "снизу вверх"). Для решения конкретной задачи пользователь подбирал соответствующий экземпляр семейства, а по мере усложнения задачи осуществлялся переход на более старшие модели семейства, причем уже отлаженные на младших моделях программы, как правило, не требовали доработки. Наиболее известными примерами семейств ЭВМ могут служить: □ семейство универсальных ЭВМ третьего поколения IВМ-360 и его советский аналог — ЕС ЭВМ, включающее малые машины ЕС-1010 и ЕС-1020, средние ЕС-1022, ЕС-1030, ЕС-1035 и др., большие ЕС-1050, ЕС-1060, EC-1065; □ семейство мини-ЭВМ PDP-11 и его советский аналог — СМ ЭВМ (лишь часть представителей семейства — СМ-3, СМ-4, СМ-1420); □ семейство микроЭВМ LXI-11 (Электроника-60 и ее модификации); □ семейство микропроцессоров i80x86.
|
(1.1)
(1.2)
