ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ МАШИНА
устройство
или совокупность устройств, предназначенных для механизации и автоматизации
процесса обработки информации (вычислений).
Совр. В. м. по способу представления информации
подразделяются на 3 класса: а) аналоговые вычислительные машины (АВМ),
в к-рых информация представлена в виде непрерывно изменяющихся переменных,
выраженных физ. величинами (угол поворота вала, сила электрич. тока, напряжение
и т. д.); б) цифровые вычислительные машины (ЦВМ), в к-рых информация
представлена в виде дискретных значений переменных (чисел), выраженных
комбинацией дискретных значений к.-л. физ. величины; в) гибридные вычислительные
системы, в различных узлах к-рых информация представлена тем или др.
способом.
Исторически первыми появились цифровые
вычислительные устройства, например счёты и их многочисленные предшественники
(см. Вычислительная техника). В 17 в. франц. учёным Б. Паскалем,
а позднее нем. математиком Г. В. Лейбницем были построены первые ЦВМ. Первой
пригодной для практич. применения В. м. стал арифмометр Томаса де
Кольмара (1820). В 1874 был создан получивший широкое распространение арифмометр
В. Т. Однера. В нач. 20 в. появились счётно-аналитические машины для
выполнения различных статистич., бухгалтерских и финансово-банковских операций.
Идея создания универсальной ЦВМ принадлежит
проф. Кембриджского ун-та Ч. Беббиджу. Он разработал проект (1833) В. м.,
по своему устройству близкой к современной. Проект опережал запросы времени
и технич. возможности реализации.
Развитие теории релейно-контактных схем,
а также опыт эксплуатации телефонной аппаратуры и счётно-перфорационных
машин позволили в 30-х гг. 20 в. приступить к разработке В. м. с программным
управлением первоначально на электромагнитных реле. Первая такая машина
"МАРК-1" была построена в США в 1944. Первая электронная ЦВМ "ЭНИАК" (электронный
цифровой интегратор и вычислитель) была построена также в США в 1946.
В Сов. Союзе электронная ЦВМ "МЭСМ" (малая
электронная счётная машина) была разработана в 1950 под рук. акад. С. А.
Лебедева в АН УССР. "МЭСМ" положила начало работам в области матем. электронного
машиностроения в СССР. В последующие годы в СССР создан ряд различных по
производительности и технич. решению ЦВМ для удовлетворения нужд нар. х-ва
(БЭСМ,
"Стрела", М-20, М-220, "Минск", "Урал", "Мир" и др.).
Первые устройства непрерывного действия
появились в 16-17 вв. К ним относятся логарифмическая линейка и
номограммы для расчётов, связанных с навигацией. В сер. 19 в. появились
простейшие механич. интеграторы. Значит, развитие работы по АВМ получили
на рубеже 19 и 20 вв. Были разработаны машины для решения дифференциальных
уравнений, электромеханич. интегрирующая машина и др. В СССР начало разработки
АВМ относится к 1927 и связано с работами С. А. Гершгорина, М. В. Кирпичёва,
И. С. Брука, В. С. Лукьянова и др. В 50-60-х гг. было создано неск. типов
АВМ, многие из к-рых нашли широкое применение.
Развитие электронных В. м. (ЭВМ) тесно
связано с достижениями в области электронной техники. Первые ЭВМ создавались
на вакуумных радиоприборах; эти В. м. принято называть машинами первого
поколения. Развитие полупроводниковой радиоэлектроники позволило перейти
к конструированию В. м. второго и третьего поколения; для них характерно
усложнение логич. схемы и наличие программного обеспечения, являющегося
программным продолжением аппаратной части В. м. Технология изготовления
В. м. в т о р о г о поколения мало отличалась от технологии изготовления
В. м. первого поколения: на смену вакуумным радиолампам пришли полупроводниковые
триоды (транзисторы) и диоды. В. м. третьего поколения выполняются на интегральных
схемах, содержащих в одном модуле десятки транзисторов, резисторов
и диодов. Переход к произ-ву В. м. на интегральных схемах потребовал почти
полного пересмотра технологии произ-ва ЭВМ.
Основой для построения аналоговых вычислительных
машин является теория матем. моделирования. Используя аналогии между
различными по физ. природе явлениями, в АВМ моделируют рассчитываемые процессы.
Большую часть оборудования АВМ составляют линейные и нелинейные решающие
элементы. В электронных АВМ - это операц. усилители постоянного тока (интегратор,
усилитель, инвертор), блоки коэффициентов, типичных нелинейностей; запаздывания
и т.д. Для решения конкретной задачи блоки АВМ соединяют между собой в
необходимых комбинациях. Выходные данные на АВМ получают по показаниям
индикаторов в узловых точках схемы. АВМ характеризуется высоким быстродействием,
простотой сопряжения с исследуемым объектом, возможностью лёгкого изменения
параметров исследуемой задачи как при её подготовке, так и в процессе решения,
сравнительно невысокой точностью и ограниченностью класса решаемых задач.
Решение задачи на цифровых вычислительных
машинах заключается в последоват. выполнении арифметич. операций над числами,
соответствующими величинам, представляющим исходные данные. Числа представляются
обычно в виде совокупности механич., пневматич. или электрич. импульсов
и фиксируются элементами, каждый из к-рых может принимать ряд устойчивых
состояний, строго соответствующих определённой цифре числа. Перед решением
на ЦВМ задача расчленяется на ряд последовательных простых операций и устанавливается
их очерёдность, т. е. составляется программа вычислений.
По способу управления цифровые В. м. подразделяются
на 3 класса: с ручным управлением, с жёсткой программой и универсальные.
К ЦВМ с ручным управлением относятся настольные клавишные вычислительные
машины, арифмометры, рычажные В. м. и др. Совр. настольные ЦВМ изготовляются
почти полностью на электронных элементах. Управление вычислит, процессом
осуществляется вручную, что определяет низкую скорость вычислений. ЦВМ
с ручным управлением являются средством механизации расчётных работ и пригодны
для решения лишь простейших задач с ограниченным объёмом вычислений.
ЦВМ с жёсткой программой. К ним относятся
табуляторы, специализированные машины, ориентированные на решение узкого
круга задач, например бортовые вычислители и т. п. В этих В. м. управление
вычислит, процессом осуществляется автоматически программой, набираемой
на коммутационной доске или постоянно заложенной в конструкцию машины.
ЦВМ с коммутируемой программой являются средством частичной автоматизации
вычислит, процесса и быстро вытесняются универсальными ЦВМ. В. м. с программой,
заложенной в конструкции, применяются в тех случаях, когда нужны простота,
надёжность, низкая стоимость, малые габариты и масса, гл. обр. в условиях
разового действия (напр., на ракетах).
Универсальные ЦВМ с автоматич. программным
управлением - наиболее совершенное средство автоматизации трудоёмких процессов
умственной деятельности человека. Совр. универсальная ЦВМ представляет
собой сложный автоматизированный вычислит, комплекс, в состав к-рого входят
процессор,
оперативное запоминающее устройство, одно или неск. внешних запоминающих
устройств большой ёмкости, устройства ввода-вывода информации и др. Управление
вычислит, процессом осуществляется устройством управления и программой
вычислений, размещаемой в памяти ЭВМ. Загрузка отд. устройств, координация
их работы, управление последовательностью решения задач осуществляются
программными средствами. Комплекс программ, выполняющих эти и ряд др. функций,
наз. математическим обеспечением. Для описания решения задачи используются
алгоритмич. языки алгол, фортран, кобол и др. (см. Язык программирования).
Ввод
исходных данных, программ и вывод результатов в виде, наиболее удобном
для потребителя, осуществляются комплексом устройств ввода-вывода, входящих
в состав универсальной ЦВМ (см. Ввод данных, Вывод данных).
Исходные
данные могут задаваться в виде графиков, цифровой и текстовой документации,
изображения рассчитываемого объекта (напр., общий вид здания, профиль крыла
самолёта и т. д.), светозвуковой индикации и пр.
ЦВМ характеризуются высокой производительностью,
точностью получаемых результатов и алгоритмич. универсальностью, обусловленной
тем, что перестройка ЦВМ на решение новой задачи состоит лишь в замене
программы вычислений и исходных данных, хранящихся в памяти В. м., без
изменения конструкции самой машины.
Гибридные вычислительные системы состоят
из органически связанных между собой АВМ и ЦВМ. Обмен информацией между
В. м. непрерывного и дискретного действия осуществляется через спец. преобразователи.
Для комбинированной системы типично разделение функций между машинами:
АВМ используется для воспроизведения быстро протекающих процессов с ограниченными
точностями переменных величин, а ЦВМ - для вычислений с более высокой точностью
и для статистич. обработки результатов. В гибридной вычислит, системе сочетаются
высокая точность и быстродействие, к-рые сложнее получать с помощью только
одной из В. м.
Лит. см. при статьях Аналоговая
вычислительная машина, Цифровая вычислительная машина, Гибридная вычислительная
система. А. Н. Мямлин.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я