Большая энциклопедия техники - Коллектив авторов

Именно это позволило складывать многозначные числа без участия человека в работе механизма. Этот принцип применялся на протяжении почти трехсот лет (середина XVII – начало XX в.) при построении арифмометров (работающих от движения руки) и клавишных электрических вычислительных машин, имеющих привод от электродвигателя.

Первые вычислительные машины производили следующие простейшие операции: вычитание и сложение, перенос единицы в старший разряд при сложении (либо заем единицы при вычитании), сдвиг (перемещение каретки в арифмометрах вручную, в электрических машинах автоматически), умножение (деление) производилось последовательными сложениями (вычитаниями). При этом функции машины и человека в процессе вычислений разделялись следующим образом: машина производила арифметические операции над числами, человек следил за ходом вычислительного процесса, вводил в машину новые числа, записывал результаты (промежуточные и окончательные), искал по таблицам значения разных функций, которые входили в расчет. При подобном распределении ролей увеличение скорости выполнения машиной арифметических операций только незначительно повышало скорость вычислений в общем, так как процедуры, которые выполнялись человеком, составляли значительную часть вычислительного процесса. Поэтому, несмотря на то что техническая скорость электрических вычислительных машин в теории допускала осуществление до 1000 арифметических операций в 1 ч, на практике скорость вычислений была не более 1000 операций на протяжении 8-часового рабочего дня.

Еще одним шагом вперед в развитии техники ЦВМ явилось создание счетноперфорационных машин. В данных машинах все функции человека, кроме поиска по таблицам, осуществлялись машиной. Однако для ввода начальных данных их нужно было предварительно записать на перфорационные карты. Подобная операция производилась человеком на специальном устройстве. В машину вводилась стопка подготовленных перфокарт, и потом уже без вмешательства человека машина считывала имеющиеся в них данные и производила все необходимые вычислительные операции. Промежуточные результаты вычислений вносились в запоминающие регистры, итоговые печатались на бумаге (либо выводились на перфокарты, а затем специальное устройство вновь перепечатывало их на бумагу с перфокарт). Порядок действий счетно-перфорационной машины задавался на коммутационной доске специальной коммутацией электрических связей.

Таким образом, в счетно-перфорационных машинах в зачатке уже имелись все важнейшие элементы автоматической ЦВМ, которая работает без участия человека, после того как требуемая подготовка для произведения ей вычислительного процесса была окончена. Счетно-перфорационные машины содержали арифметическое устройство, память (в виде стопки перфокарт и регистров, предназначенных для запоминания промежуточных результатов), устройство вывода и ввода данных. В подобных машинах арифметические операции производились так же, как и в арифмометрах, с помощью механических перемещений, что сильно сокращало их быстродействие. Однако управление вычислительным процессом у этих машин было наиболее проблематичным. Так как управление (задание последовательности простейших операций) производилось путем соответствующих соединений проводами клемм коммутационной доски, то только несложные последовательности вычислительных операций могли быть реализованы на практике. Данные операции могли повторяться неоднократно, поэтому счетно-перфорационные машины широко использовались в тех случаях, когда решение задачи заключалось в повторении простых наборов операций, например при решении задач бухгалтерского учета, элементарных задач статистического анализа; наиболее сложными для решения на счетно-перфорационных машинах являлись обыкновенные линейные дифференциальные уравнения второго порядка.

К 70-м гг. XX в. счетно-перфорационные машины почти полностью вышли из употребления в связи с заменой их более универсальными и совершенными электронными ЦВМ. Однако в историческом плане значение счетно-перфорационных машин заключалось в том, что их использование позволило накопить опыт машинной обработки информации и осознать, что же требуется для создания автоматических ЦВМ. ЦВМ автоматически, независимо от механического устройства, должна обладать следующими функциональными возможностями: производить операции (в том числе арифметические) над величинами, которые заданы в цифровой форме; запоминать первоначальную информацию (исходные данные и программу) и итоги вычислений; управлять вычислительным процессом, другими словами, автоматически настраивать машину на осуществление очередной операции в соответствии с алгоритмом работы; воспринимать от человека исходную информацию и выдавать необходимые ему результаты вычислений. Как правило, эти функции производятся соответствующими устройствами. Но возможно частичное совмещение функций в одном устройстве, однако в любом случае осуществление всех этих функций является обязательным условием для автоматической ЦВМ. Каждая ЦВМ должна иметь в составе элементы, которые обладают конечным числом устойчивых состояний; количество таких состояний должно быть равно числу цифр системы счисления, принятой в этой ЦВМ. В настольных механических ЦВМ подобными элементами служат так называемые цифровые колеса, которые принимают десять конкретных положений (в соответствии с десятичной системой счисления). Электронные цифровые элементы самым простым образом реализуются в двух устойчивых состояниях. Поэтому в электронных ЦВМ используется двоичная система счисления, в которой существуют только две цифры: 0 и 1. Переход на данную систему счисления не только сделал легче представление чисел, но и значительно упростил выполнение над ними операций. Например, цифровой элемент сумматора в подобном случае должен обладать следующими свойствами: менять состояние на инверсное всегда при поступлении единичного сигнала (прибавление 1) и, в том случае если цифровой элемент уже находился в состоянии «1», одновременно с переменой своего состояния посылать единичный сигнал в цифровой элемент последующего, старшего разряда сумматора. Действие умножения заключается в многократном прибавлении множимого и сдвигам (деление – к вычитанию и сдвигам). Значительно упрощаются в двоичной системе счисления также и логические операции. Любой сложный вычислительный алгоритм имеет, как правило, разветвления вычислительного процесса, различные условия, которые налагаются на точность вычислений, повторения вычислительных процедур и многие другие указания. Машина должна воспринимать эти указания и самостоятельно выдавать ответы о своевременном их выполнении; такие действия машины арифметическими не являются, они служат для логического анализа ситуаций. Самая обычная процедура машины: если имеет место какая-либо ситуация, то необходимо выполнить соответствующий шаг вычислительного алгоритма (команду программы), в противном случае необходимо перейти к реализации некоторой другой команды. Включение в состав операций вычислительной машины кроме арифметических операций также и логических привело к тому, что возможности электронных ЦВМ ушли далеко за рамки их прямого назначения, и ЦВМ стали универсальными преобразователями дискретной информации. Так как непрерывная информация почти всегда может быть аппроксимирована дискретной, то можно утверждать, что современные электронные ЦВМ – это универсальные преобразователи информации какого угодно вида.

Первая электронная ЦВМ под названием «ЭНИАК» была сконструирована в 1945 г. и начала использоваться в 1946 г. в США. При их создании не вставала необходимость изобретать новые элементы специально для них: подобные элементы уже применялись в системах автоматического управления, а особенно в радиолокационных приборах. Требовалось только приспособить их для применения в ЦВМ. Цифровым элементом ранних машин являлся триггер, собранный на электронных лампах. Выбор подобного цифрового элемента привел к тому, что первые электронные ЦВМ содержали слишком большое число электронных ламп и были очень ненадежны в работе. Однако именно с «ЭНИАК» началась история электронных ЦВМ. Значение «ЭНИАК» в развитии вычислительной техники можно увидеть прежде на примере того, что она показала возможность создания автоматической ЦВМ, которая работает по заранее определенной программе, осуществима, для чего нужна только ее технологическая доработка. С данного момента в большинстве странах начались энергичные поиски, которые направлены на изготовление надежных электронных цифровых элементов и конструирование рациональных структур ЦВМ.

Поисковый этап в развитии ЦВМ завершился к началу 1950-х гг. конструированием ЦВМ первого поколения, где цифровым элементом оперативной памяти является кольцевой ферритовый сердечник, оснащенный прямоугольной петлей гистерезиса, имеющий два устойчивых состояния остаточной намагниченности, а главным элементом арифметического устройства и устройства управления являлся триггер на электронных лампах. Надежность ЦВМ первого поколения была намного выше, нежели у первых ЦВМ; помимо замены триггеров в памяти ЦВМ ферритовыми сердечниками, увеличение надежности ЦВМ стало результатом целого ряда технологического усовершенствовании. Из-за того что по технологическим причинам конструирование быстродействующего ферритового запоминающего устройства значительного объема на тот период было невозможно, то в ЦВМ, вместе с запоминающими устройствами на ферритовых сердечниках, применялись довольно медленные внешние или периферийные запоминающие устройства на магнитных лентах, магнитных барабанах, магнитных дисках, емкость которых ограничивается только размерами занимаемой ими площади. Непрерывно возрастающая сложность задач, которые решаются с помощью ЦВМ, нуждалась в усложнении структуры вычислительных машин, увеличении количества электронных элементов, что сопровождалось увеличением размеров ламповых машин, а следовательно, и потребляемой ими мощности. Несмотря на технологические новшества, электронная лампа по-прежнему оставалась самым ненадежным элементом ЦВМ первого поколения; применение ламп тормозило дальнейшее развитие техники ЦВМ.