Первые поколения логических машин

 

В 40—50х годах XX в., когда были достигнуты огромные успехи в области электроники, автоматики, математической логики, кибернетики и других наук, началось быстрое развитие научных исследований и практических экспериментов в области конструирования логических машин. Созданная в 1944 г. в США автоматическая вычислительная машина «Марк1» имела электромагнитное реле и перфоленту, на которой записывались числа и указывались операции с ними. Прогресс в развитии более совершенных вычислительных машин пошел особенно быстро после того, как Джон фон Нейман в 1945 г. предложил помещать программу вычислений, записанную кодом, в запоминающее устройство цифровой вычислительной машины, что дало возможность легко изменять программы и обрабатывать их.

В 1946 г. была разработана под руководством проф. Л. И. Гутенмахера первая в Советском Союзе электронная аналоговая вычислительная машина. В 1947 г. была построена Б. Буркхартом и Т. Калном первая современная электрическая логическая машина. В 1950 г. была создана под руководством академика С.А. Лебедева первая в Советском Союзе ламповая электрическая цифровая вычислительная машина. Это были машины первого поколения. Лучшие из них могли осуществить до 20 тыс. операций в секунду. В 1953 г. К. Шеннон и Э.Мур описали первый релейный анализатор релейно-контактных схем. Через два года в нашей стране Т. Цуканов предложил первый анализатор контактных схем.

Развитие логических машин принято осуществлять по поколениям

Первое поколение эвм. Первое поколение компьютеров создавалось на лампах в период с 1946 по 1958 гг. В этих компьютерах выполняемая программа хранилась в памяти и обработка данных производилась параллельно во всех разрядах машинного слова. Применение электронных ламп делало машины ненадежными – лампы приходилось часто менять. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла.

Для каждой машины использовался свой язык программирования. Набор команд был небольшой, схема арифметико – логического устройства и устройства управления достаточно проста, программное обеспечение практически отсутствовало. Показатели объёма оперативной памяти и быстродействия были низкими. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства, оперативные запоминающие устроства были реализованы на основе ртутных линий задержки электроннолучевых трубок.

Компьютеры первого поколения создавались как универсальные и применялись в основном для решения научно-технических задач.

К компьютерам первого поколения можно отнести: ЭНИАК, который предназначался для решения задач баллистики, ЭДСАК, МЭСМ и т.д.

Второе поколение эвм. Второе поколение компьютеров создавалось в период с 1958 по 1964 гг. Успехи полупроводниковой технологии привели к смене элементной базы. Транзисторы оказались более надежными, долговечными. Они могли выполнить значительно более сложные вычисления, обладали большой оперативной памятью. 1 транзистор способен был заменить около 40 электронных ламп и работал с большей скоростью. Тем самым уменьшились габариты и потребляемая мощность компьютеров.

Запоминающие устройства на магнитных сердечниках, магнитных барабанах и магнитных лентах вытеснили полностью запоминающие устройства на электронно – лучевых трубках и ртутных ультразвуковых линиях задержки, применяемых в компьютерах первого поколения. Применение запоминающих устройств на магнитных лентах позволяло записывать на магнитной ленте несколько программ, которые автоматически выполнялись в компьютере одна за другой и в той же последовательности результаты автоматически записывались на другую ленту. Этот вид обработки получил название пакетной обработки, при которой пользователь не имел прямого доступа к компьютеру.

В связи с переходом на ферриты в схемах оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) произошло одушевление ОЗУ и системы управления памятью, увеличился объём оперативной памяти. В арифметическое устройство стали встраиваться сверхбыстрые запоминающие устройства – регистры на транзисторах. Кроме устройств считывания и записи на перфоленты появляются устройства вывода на алфавитно – цифровые печатающие устройства, вывод на телетайп, приём и передача данных по телеграфу.

Развиваются языки высокого уровня (Алгол. Кобол, Фортран) и трансляторы к ним. Компьютеры стали широко использоваться для экономических расчётов. Общее устройство управления становилось слишком большим, поэтому появляются местные устройства управления.

Появились первые компьютеры со стеком, выполняющие безадресные команды, в стек последовательно заносились данные, которые извлекались при выполнении операции, результат операции заносился в верхнюю ячейку стека. Машины такой конфигурации получили название стековых.

Среди компьютеров второго поколения появились и первые суперкомпьютеры, предназначенные для решения сложных задач, требовавших высокой скорости вычислений. В них были применены метода параллельной обработки (увеличивающее число операций, выполняемых в единицу времени), конвейеризация команд (когда во время выполнения одной команды, вторая считывается из памяти и готовится к выполнению) и параллельная обработка нескольких программ.

К компьютерам второго поколения можно отнести: БЭСМ-6, Стретч, Атлас и т.д.

Третье поколение эвм. Третье поколение компьютеров разрабатывалось с 1964 по 1972 год на новой элементной базе – интегральных схемах (ИС). ИС получили широкое распространение в связи с малыми размерами, но громадными возможностями. ИС – это кремниевый кристалл, площадь которого примерно 10 . Один ИС способна заменить десятки тысяч транзисторов. Снова уменьшились габариты и потребляемая мощность компьютеров, возросла надежность, а архитектура становится единой, т.е. программно-совместимой.

В компьютерах третьего поколения был расширен набор внешних устройств. В начале 60-х годов появились первые устройства внешней памяти на магнитных дисках. Ёмкость магнитных дисков была на порядок больше, чем ёмкость магнитных барабанов, применявшихся ранее.

Была введена параллельная и конвейерная обработка данных в операционном блоке. В центральный процессор вводится система прерываний. Все управление компьютером автоматизированно. Управление осуществляет комплекс программ, объединенный в операционную систему (ОС). Пользователь общается с компьютером через ОС, которая синхронизирует работу аппаратной части, используя систему прерывания и таймер – электронные часы. Широко используется многопрограммный режим работы и виртуальная память (особая организация управления памятью, которая позволяет рассматривать всю память компьютера как основную). Развивается иерархия памяти. Оперативная память делится на блоки с независимыми системами управления. Эти блоки могут работать одновременно. Структура оперативной памяти делится на страницы и сегменты. Используется КЭШ память: буферная память, позволяющая согласовать скорости обмена данными быстрых и медленных устройств памяти.

Появился новый класс машин-малых или мини- компьютеров. Они имели мокращенный набор команд, высокую скорость их выполнения и были предназначены для управления технологическими процессами, но постепенно стали использоваться для инженерных расчётов и для обработки экспериментальных данных. Производительность некоторых мини-компьютеров могла достигать нескольких миллионов операций в секунду. Появились устройства ввода графической информации с чертежа, оптические читающие устройства, графопостроители.

Примерами машин третьего поколения являются – IBM-360, IBM-370, EC ЭВМ и т.д.

Принципиальная схема устройства логических машин первых поколений однотипна[31]. Любая универсальная ЦВМ обязательно содержит такие основные узлы:

1.Одно или несколько входных устройств, назначение которых заключается в том, чтобы преобразовать внешнюю информацию, поступающую в машину в виде каких-то символов, в такую форму, которая доступна машине. В качестве примера такого входного преобразования в первых ЭВМ приводилось считывание с перфокарт, на которых информация зафиксирована в виде определенной последовательности пробитых отверстий. Машина прочитывает информацию, заключенную в этом внешнем носителе, с помощью электромеханических или фотоэлектрических элементов вводного устройства и переводит запись в сигналы, которые по каналу связи передавались в запоминающее устройство. Затем появились оптико-электронные читающие автоматы, которые считывают алфавитные и цифровые тексты.

2.Одно или несколько выходных устройств, назначение которых заключается в том, чтобы сообщать результаты решения задачи, предложенной машине, или выдавать какую-либо другую информацию, хранящуюся в ее памяти. Если вводное устройство преобразовывало информацию, в понятные машине электрические сигналы, то выводное устройство, после того как машина решила задачу, преобразует электрические сигналы о результатах решения, в символы, которые выводятся пользователю в печатной или текстовой форме.

3.Одно или несколько «запоминающих» устройств для приема информации в виде сигналов, посылаемых другими устройствами машины, для ее хранения и выдачи информации другим устройствам. В запоминающем устройстве помещается вся информация, которая потребуется для решения задачи, поставленной перед машиной. Запоминающие устройства бывают двух видов. Внутреннее запоминающее устройство, которое называют оперативной памятью и которое отличается таким качеством, как быстродействие. Емкость этого запоминающего устройства сравнительно невелика. Под емкостью памяти вычислительной машины понимается число слов, которое может хранить запоминающее устройство (слово — это конечная последовательность символов алфавита, заданного машине}. И еще бывает внешнее запоминающее устройство, которое отличается от внутреннего запоминающего устройства гораздо большим объемом памяти.

4.Электронный блок, называемый «арифметическим устройством», назначение которого — выполнять не только арифметические действия, но и перерабатывать информацию по ряду других правил, записанных в устройстве. В зависимости от результатов различных операций над числами арифметическое устройство посылает сигналы в другое устройство, которое как бы ориентирует машину на то, какой следует избрать дальнейший путь решения задачи, поставленной перед машиной.

5.«Устройство управления», назначение которого заключается в том, чтобы обеспечить автоматическое выполнение программы, заданной машине. Здесь декодируется информация, заключенная в программе, и в соответствии с полученной информацией устройство управления вводит по мере надобности в действие другие узлы машины, посылая им управляющие сигналы по каналам связи.

ЭВМ делятся на два основных типа: машины непрерывного действия (аналоговые) и машины прерывного (дискретного) действия, или цифровые. В электронных машинах непрерывного действия величины, участвующие в вычислениях, представляются в виде непрерывных значений каких-либо физических параметров (напр., напряжения электрического тока, силы тока, фазы, длина отрезка, величина угла и т. п.). Такие машины производят операции сложения, вычитания, умножения, деления, дифференцирования, интегрирования, получения тригонометрических, логарифмических и экспоненциальных зависимостей. Сложение двух чисел моделируется, например, сложением двух напряжений; в операции умножения один из сомножителей моделируется, например, электрическим током, второй сомножитель — электрическим сопротивлением, а результат умножения — электрическим напряжением, что эквивалентно произведению тока на сопротивление.

Машины непрерывного действия используются для решения математических и инженерных задач, для управления производственными процессами. Получив информацию о процессах, совершающихся в исследуемом объекте, машина обрабатывает ее и делает вывод, намного опережая ход процесса, как поведет себя объект в дальнейшем. аналоговые вычислительные машины отличаются довольно простой конструкцией и высоким быстродействием. Но они не везде применимы. Одним из недостатков таких машин является малая точность решения задачи (она ограничивается десятыми долями процента). Более широкому применению аналоговых машин мешает также то, что они не отличаются универсальностью (для различных моделей приходится создавать все новые и новые машины), а это связано с большими расходами. Кроме того, в них нет условий для накопления больших массивов информации, которые требуются для решения большого класса задач.

Этих недостатков лишены цифровые вычислительные машины. В машинах дискретного действия применяются численные методы решений. Информация в них представлена в кодовой форме, что позволяет создать разнообразные запоминающие устройства, способные накапливать и долгое время хранить информацию с использованием ее по мере надобности в последующих вычислениях. Программа вычислений представлена также в кодовой форме, что позволяет легко изменять программы и, если необходимо, обрабатывать их по соответствующим правилам на той же машине. Электронные ЦВМ выполняют арифметические и логические операции над числами. Они могут сравнивать два числа, выбирать большее или меньшее число, определять знак числа и значение какой-либо части числа и т. д. Числа в такой машине представляют последовательность цифр в большинстве случаев в двоичной системе. Поэтому и физическая величина, представляющая двоичную цифру, должна иметь также всего лишь два ясно различимых состояния.

Причём операции над числами выполняются очень быстро. Так, арифметические операции сложения, вычитания, умножения и деления двух чисел с точностью выполняются быстрее, чем за одну миллионную долю секунды. В их запоминающих устройствах может храниться огромное число информации.

При конструировании таких машин и в процессе их работы находят широкое применение многие средства математической логики, в том числе алгебры логики, «пороговая» логика и др. Дело в том, что в ЭВМ запись программы, команд и информации, хранимой в памяти машины, производится в двоичной системе счисления: 0 и 1. Математическая логика исследует операции с высказываниями, о которых можно сказать только, что они истинны или ложны. Не составило особых трудностей цифре 1 придать значение истины, а цифре 0 — значение лжи. И тогда на операции, производимые ЭВМ, были распространены правила исчисления высказываний математической логики. Применение математической логики в операциях, производимых вычислительной машиной, позволило решать очень сложные задачи и при этом в изумительно кратчайшие сроки.

Логические операции, производимые машиной, представляют собой модель логических операций, совершаемых человеческим мозгом. Как и всякая модель, модель, полученная на вычислительной машине, имеет огромное познавательное значение. Логика машины, как справедливо замечает Н. Винер, «похожа на человеческую логику и, следуя Тьюрингу, может использовать логику машины для освещения человеческой логики» [3].

Тьюринг (Turing) Алан Мэтисон (1912—1954) — английский математик и логик, доктор философии. В 1938 г. написал докторскую диссертацию «Система логики, основанная на порядковых числительных». Тьюринг известен как создатель теории универсальных автоматов, автор идеи абстрактной универсальной вычислительной машины, названной его именем,— «Машины Тьюринга». Он одним из первых высказал мысль о возможности конструирования самонастраивающихся и самообучающихся машин.

Характеризуя информационно-логическую машину и ее назначение, Б. В. Бирюков,

В.И. Шестаков и Л. А. Калужнин пишут, что перед ней ставится следующая задача: «сочетать поиск информации с ее многообразной обработкой, включая не только выполнение математических операций и осуществление требуемых математических алгоритмов и элементарных логических операций, но также и такие процессы, как вероятностно-статистическая обработка данных, классификация информации в соответствии с некоторыми принципами, установление систем отношений между понятиями, дедукция следствий, проверка истинности высказываний, осуществление процессов соответствующих образованию понятий, умозаключениям по аналогии, индуктивным выводам, выдвижению и исследованию гипотез и т. п.» [43].