Большая энциклопедия техники - Коллектив авторов

В середине 1950-х гг. в ЦВМ вместо электронных ламп стали использоваться полупроводниковые приборы – транзисторы и диоды. В связи с тем, что срок службы полупроводниковых приборов гораздо больше, нежели у электронных ламп, то с переходом на новую элементную базу значительно повысилась надежность ЦВМ, значительно уменьшились размеры машин. С внедрением цифровых элементов на базе полупроводниковых приборов началось конструирование ЦВМ второго поколения.

Усовершенствование вычислительных машин ставило перед собой цель повышения их быстродействия; у машин первого поколения быстродействие возросло от нескольких сотен операций/с до нескольких десятков тысяч операций/с; первые транзисторные машины обладали быстродействием порядка 5 тыс. операций/с и в процессе развития дошли до уровня 10—15 млн операций/с.

Однако при организации вычислительного процесса, которая применялась в ЦВМ первого поколения, дальнейшее увеличение быстродействия уже почти не увеличивало производительности машин. В ЦВМ вводили программу решения определенной задачи, и до окончания решения и вывода результатов вычислений невозможно было ввести новую задачу. Однако в любом вычислительном процессе, кроме быстрых, существуют и медленные операции, которые выполняются механическими устройствами: считывание первоначальной информации, пересылки информации из внешней памяти в оперативную, вывод на печать результатов вычислений и др. По мере увеличения быстродействия медленные операции занимали все больший объем общего времени работы машины, в то время как скоростные устройства машины простаивали и, таким образом, модернизации, касавшиеся только электронных элементов, не позволяли дать сколько-нибудь заметного увеличения производительности ЦВМ. Поэтому в 1960-х гг. случилось существенное изменение структуры ЦВМ, итогом которого стало то, что различные устройства смогли работать независимо друг от друга по различным программам. Это дало возможность решать на машине несколько задач одновременно. Наиболее производительные из современных ЦВМ одновременно могут обрабатывать несколько тысяч задач. Работой ЦВМ и образованием потока задач управляет специальная программа – операционная система.

Мультипрограммный режим не может ускорить решение одной конкретной задачи, однако довольно существенно повышает общую производительность ЦВМ.

Следующим этапом в развитии мультипрограммных режимов работы стал переход к ЦВМ коллективного пользования. Ввод задач в машину не всегда должен осуществляться с одного устройства ввода, подобных устройств может быть несколько, и находиться они могут не в машинном зале, а непосредственно у пользователей, нередко удаленных от ЦВМ на большое расстояние. С помощью подобных устройств по линиям связи (как правило, телефонным) задачи вводят в машину, которая впоследствии сама определяет их очередность и время их решения. Результаты решения тоже по линиям связи подаются на терминалы, которые должны иметь устройства вывода, печатающее устройство либо дисплей.

Изобретение мультипрограммных машин привело к развитию систем ЦВМ коллективного пользования, которые объединяют в одно целое несколько машин с разной производительностью и обслуживают одновременно тысячи потребителей, находящихся не только в различных городах, но часто и в разных странах.

Подобное применение ЦВМ требовало расширения их функциональных возможностей и, как следствие, усложнения их структуры; полупроводниковая техника уже не отвечала современным требованиям развития ЦВМ как в отношении размеров и потребления энергии, так и в отношении их надежности и технологичности.

На смену ЦВМ второго поколения в 1960-х гг. пришли машины третьего поколения, сконструированные на базе интегральных микросхем. В ЦВМ второго поколения простейший блок собирался из отдельных деталей, которые соединялись друг с другом с помощью пайки. Такие блоки, хоть и значительно меньших размеров, чем ламповые панели машин первого поколения, все же обладали заметными размерами (до нескольких десятков, иногда сотен см3), а места пайки становились источником частых отказов. Использование в ЦВМ интегральных микросхем дало возможность повысить насыщенность блоков ЦВМ без увеличения их габаритов. Если первые интегральные микросхемы (ИС) могли заменить один блок ЦВМ второго поколения, то большие интегральные микросхемы (БИС) – уже несколько десятков подобных блоков, и степень их насыщения постоянно росла. К электронным ЦВМ четвертого поколения часто относят машины, которые построены на БИС. Но такая классификация необоснованна, так как нет четкой границы между интегральными микросхемами простых размеров и средних размеров, между большими и средними, между сверхбольшими и большими. Значительно более важный фактор в совершенствовании электронных ЦВМ – изменение главных элементов оперативной памяти. Если ЦВМ первого, второго и третьего поколений содержат запоминающие устройства на базе ферритовых сердечников, то в ЦВМ четвертого поколения в качестве элементов памяти используются полупроводниковые приборы, производимые по технологии, аналогичной производству интегральных микросхем. Образцы подобной памяти небольшого объема изготавливались и применялись как сверхбыстродействующая память; в середине 1970-х гг. появилась тенденция создания оперативной памяти на полупроводниках и применения ферритовых запоминающих устройств как дополнительной медленной памяти.

Для 1970-х гг. довольно характерно явление «поляризации» в технике ЦВМ: с одной стороны, использование вычислительных систем коллективного пользования приводит к изобретению сверхмощных машин с быстродействием порядка нескольких десятков млн операций/с и с огромными объемами оперативной памяти; с другой стороны, для личного использования, а также для обработки экспериментальных данных и управления технологическими процессами, в исследовательских лабораториях конструируются малые ЦВМ– малогабаритные машины со средним быстродействием. Мини-ЦВМ, которые линиями связи соединены с мощными вычислительными системами коллективного пользования, могут использоваться как терминалы. Приставка «мини» относится в основном к размерам машин. Обозначилась также тенденция к уменьшению выпуска машин средней мощности, так как мини-ЦВМ могут обеспечить решение большинства задач конкретного потребителя, а для решения сложных задач выгоднее использовать вычислительные системы коллективного пользования.

В конце 1960-х – начале 1970-х гг. сверхмощные ЦВМ становятся мультипроцессорными, другими словами, в одной подобной машине сосредоточивается несколько процессоров, действующих одновременно.

Преимущество мультипроцессорных систем для параллельного решения многих задач очевидно, однако наличие в одной вычислительной системе нескольких процессоров дает возможность разделить и процесс решения одной задачи, так как каждый реальный вычислительный алгоритм имеет ряд ветвей, выполнение которых может осуществляться независимо друг от друга, что дает довольно большое сокращение времени решения задачи. Мультипроцессорные ЦВМ, технологической основой которых являются БИС, нужно отнести к машинам четвертого поколения.

ЦВМ находят все большее применение в разных сферах человеческой деятельности. Главные области их применения: научно-технические расчеты, которые основаны на математических методах; экономические расчеты (экономико-статистический анализ, планирование, исследование операций, демографическая статистика, материальный и бухгалтерский учет); информационносправочная служба (научно-техническая информация, диспетчерская, библиотечная служба и др.); автоматизация проектирования технических объектов; математическое моделирование в гуманитарных науках: биологии, геологии, медицине, социологии и др.; автоматическое управление технологическими процессами, сложными экспериментальными установками, а также транспортными средствами.

Цифровая индикаторная лампа

Цифровая индикаторная лампа – электровакуумный прибор, цифровой индикатор для визуального отображения информации, которая представлена в знаковой форме в виде светящихся изображений цифр и других знаков. Применяется в основном в пультах управления, цифровых измерительных приборах, вычислительных устройствах. Самыми распространенными являются газоразрядные цифровые индикаторные лампы с несколькими катодами, изготовленными каждый в форме одного из воспроизводимых знаков, и анодом в виде сетки; лампа под давлением в несколько десятков мм рт. ст. заполнена неоном; иногда для повышения стабильности параметров цифровой индикаторной лампы в нее добавляют пары ртути. Для визуального отображения знаков в подобных цифровых индикаторных лампах служит катодный слой тлеющего разряда, который возникает между анодом и одним из катодов при напряжении, достаточном для зажигания данного разряда. Ток в цепи анода выставляется таким, чтобы свечение полностью охватывало поверхность катода. Управление работой цифровой индикаторной лампы, как правило, производят с помощью различных коммутирующих устройств – механических, электронных или электромеханических коммутаторов, реле, переключателей; электронные коммутаторы часто работают в сочетании с усилительными приборами. Изготовляемые промышленностью газоразрядные цифровые индикаторные лампы различаются по своим электрическим параметрам (напряжению зажигания, рабочему току), разрядностью воспроизводимых цифр и характером их нахождения относительно оси лампы (приборы с боковой или торцевой индикацией), по размерам, форме баллонов и т. д. Известны многоразрядные цифровые индикаторные лампы, у которых в одном баллоне конструктивно соединены несколько индикаторов с целью уменьшения размеров индикационных блоков. Цифровые индикаторные лампы характеризуются высокими долговечностью и надежностью (срок их службы может достигать 104 ч), малой потребляемой мощностью (рабочий ток, как правило, при напряжении порядка 100 В не превышает нескольких миллиампер), весьма большой яркостью; они устойчивы к механическим и другим видам воздействиям. Главный недостаток газоразрядных цифровых индикаторных ламп – невозможность их прямого согласования с низковольтными приборами на интегральных схемах и транзисторах из-за довольно высоких значений напряжений, требующихся для управления цифровыми индикаторными лампами.