Большая энциклопедия техники - Коллектив авторов

В ЭВМ пятого поколения емкость основной памяти и быстродействие машин составляют соответственно 0,5—5 Мбайт и 2 млн операций/с для персональных компьютеров и 8—160 Мбайт и 1—100 млрд операций/с для сверхпроизводительных ЭВМ.

В них применяются сверхбольшие интегральные микросхемы, имеющие до 1—10 млн транзисторов на кристалл.

Малые ЭВМ – имеется большое число «малых» применений вычислительных машин, таких как обработка данных при экспериментах, автоматизация производственного контроля изделий, управление технологическими процессами, обработка и прием данных с линий связи, управление станками и разнообразными цифровыми терминалами, малые расчетные инженерные задачи и т. д. Для этих областей использования ЭВМ общего назначения слишком дороги и велики.

Возникла необходимость в надежных, простых, небольших и, главное, дешевых ЭВМ, в которых совмещаются наглядность системы программного обеспечения и простота программирования, в отличие от сложных современных операционных систем ЭВМ общего назначения, и простота эксплуатационного обслуживания.

Развитие технологии интегральных электронных схем дало возможность создать машины, которые удовлетворяют указанным выше требованиям. Уменьшение стоимости машин и объема аппаратуры достигнуто в первую очередь за счет уменьшения длины машинного слова (12—16 разрядов вместо 32—64 в машинах общего назначения), уменьшения количества типов обрабатываемых данных по сравнению с ЭВМ общего назначения (в некоторых моделях содержатся только целые числа без знака), определенного набора команд, небольшого набора периферийных устройств и объема оперативной памяти. Подобные машины из-за своих компактных размеров получили название малых или мини-ЭВМ.

Для преодоления трудностей, которые возникают из-за короткого машинного слова, при конструировании малых ЭВМ предложен ряд решений по представлению данных, составу и структуре команд, адресации, организации обмена информацией между устройствами ЭВМ, логической структуре процессора.

У первых моделей малых ЭВМ длина слова составляла 12 разрядов. Впоследствии достижения интегральной микроэлектроники дали возможность перейти в малых машинах к шестнадцатиразрядной длине слова, что не только повысило точность вычислений и позволило построение более гибкой системы команд, но и гарантировало согласованность форматов данных с ЭВМ общего назначения.

ЭВМ отличается и более простой, чем у машин общего назначения, довольно гибкой структурой, которая получила название магистрально-модулъной, ее основой является общая магистраль (общая шина), к которой крепятся в нужных количествах и номенклатурах все устройства машины, изготавливаемых в виде конструктивно законченных модулей. Через общую магистраль (общую шину) устройства машины обмениваются информацией.

Такая структура является эффективной, а система обмена данными через общую шину – довольно динамичной только при сравнительно небольшом количестве периферийных устройств.

Универсальность использования при ограниченном наборе команд может быть осуществлена только при сравнительно высоком быстродействии машины – около 200—800 тыс. операций/с, что значительно превышает скорость работы многих ЭВМ общего назначения.

Высокое быстродействие должно дать возможность малым ЭВМ обслуживать технологические процессы в реальном времени, а также компенсировать задержку обработки данных, связанную с тем, что многие процедуры обработки при локальном объеме аппаратуры, небольшом наборе команд и отсутствии специализации машины необходимо реализовать не аппаратурными средствами, а соответствующими подпрограммами.

Гибридная вычислительная система

Гибридная вычислительная система – аналого-цифровая вычислительная машина, иначе комбинированная вычислительная машина, другими словами, комбинированный комплекс, состоящий из нескольких электронных вычислительных машин, применяющих различное представление величин (цифровое и аналоговое) и соединенных общей системой управления. В состав гибридной вычислительной системы, помимо цифровых и аналоговых машин и системы управления, как правило, входят устройства внутрисистемной связи, преобразователи представления величин и внешнее оборудование. Гибридная вычислительная система – комплекс ЭВМ, в этом ее основное отличие от гибридной вычислительной машины, получившей такое название потому, что она базируется на гибридных решающих элементах либо с применением цифровых и аналоговых элементов.

В литературе часто к гибридным вычислительным системам относят АВМ с многократным применением решающих элементов, оснащенные запоминающим устройством, АВМ с цифровым программным управлением и АВМ с параллельной логикой. Подобного рода вычислительные машины, хотя и имеют элементы, применяемые в ЦВМ, но все также сохраняют аналоговый способ представления величин и все специфические отличия и свойства АВМ. Появление гибридных вычислительных систем объясняется тем, что для решения большинства новых задач, связанных с управлением перемещающимися объектами, созданием комплексных тренажеров, оптимизацией и моделированием систем управления и др., возможности отдельно взятых ЦВМ и АВМ являются уже недостаточными.

Разделение в ходе решения задачи вычислительного процесса на отдельные операции, которые выполняются ЦВМ и АВМ в комплексе, сокращает объем вычислительных операций, решаемых на ЦВМ, что при других равных условиях сильно повышает общее быстродействие гибридных вычислительных систем.

Существуют сбалансированные, цифро-ориентированные и аналого-ориентированные гибридные вычислительные системы.

В системах первого вида ЦВМ применяются как дополнительное внешнее устройство к АВМ, которое необходимо для образования сложных нелинейных зависимостей, запоминания итоговых результатов и для выполнения программного управления АВМ. В системах второго вида АВМ применяется как дополнительное внешнее устройство ЦВМ, которое предназначено для моделирования частей реальной аппаратуры, многократного осуществления небольших подпрограмм.

Изобретение эффективных гибридных комплексов требует в первую очередь уточнения главных областей их использования и тщательного анализа стандартных задач из данных областей.

В итоге устанавливают целесообразную структуру гибридного комплекса и предъявляют требования к его отдельным частям.

Задачи, которые успешно решаются с помощью гибридных вычислительных систем, можно разделить на следующие главные группы: моделирование автоматических систем управления в реальном времени, состоящих как из цифровых, так и из аналоговых устройств; воспроизведение в реальном времени действий, которые содержат высокочастотные компоненты и переменные, которые изменяются в обширном диапазоне; моделирование биологических систем; статистическое моделирование; оптимизация систем управления; решение уравнений в частных производных.

Образцом задачи первой группы может являться моделирование системы управления прокатного стана. Динамика процессов, происходящих в нем, воссоздается на аналоговой машине, а на универсальной ЦВМ среднего класса моделируется специализированная управляющая станом машина. Вследствие непродолжительности переходных процессов в приводах прокатных станов, общее моделирование подобных процессов в реальном времени потребовало бы использования сверхбыстродействующих ЦВМ. Подобные задачи довольно часто встречаются в системах управления военными объектами.

Стандартными для второй группы являются задачи управления перемещающимися объектами, в том числе и задачи самонаведения, а также задачи, которые возникают при создании вычислительного элемента комплексных тренажеров. Для задач самонаведения свойственно формирование траектории перемещения непосредственно в процессе движения. Большая скорость варьирования некоторых параметров при приближении предмета к цели требует высокого быстродействия управляющей системы, которое превышает возможности нынешних ЦВМ, и в то же время большой динамический диапазон требует высокой точности, которую трудно достигнуть на АВМ. При решении такой задачи на гибридных вычислительных системах целесообразно поручить моделирование уравнений движения вокруг центра тяжести на аналоговую часть системы, а движение самого центра тяжести и кинематические параметры – на цифровую часть вычислительной системы.

К третьей группе можно отнести задачи, решение которых образуется в результате обработки многих результатов случайного процесса, например решение многомерных уравнений в частных производных с помощью метода Монте-Карло, нахождение экстремума функций нескольких переменных, решение задач стохастического программирования. Многократное повторение случайного процесса поручается быстродействующей АВМ, которая работает в режиме многократного повторения решения, а обработка итогов, вычисление функционалов, воспроизведение функций на границах области – на ЦВМ. Помимо этого, ЦВМ определяет момент окончания вычислений. Применение гибридных вычислительных систем позволяет сократить время решения задач подобного вида на несколько порядков в сравнении с использованием только цифровой машины.