Сергей Алексеевич лебедев


Электронные вычислительные машины



страница16/34
Дата01.08.2016
Размер8.48 Mb.
1   ...   12   13   14   15   16   17   18   19   ...   34

Электронные вычислительные машины

Из доклада на пленарном заседании сессии по научным проблемам автоматизации производства Академии наук СССР. Москва, 1956 г. 1)

Современные электронные цифровые вычислительные машины представляют собой сложный комплекс элементов электронной автоматики, объединенных общим программным управлением и предназначенных для автоматического выполнения трудоемких математических вычислений и решения некоторых логических задач. Электронная машина действует по заданной человеком программе и, следовательно, не заменяет его. Однако она дает ему новые возможности, способствующие прогрессу почти во всех областях науки.

Колоссальная скорость вычислений и возможность решения на одной и той же машине разнообразнейших задач определили их бурное развитие. Элементы машин и сами машины непрерывно совершенствуются. Если на первом этапе для создания машин заимствовались элементы, разработанные ранее для других областей техники, то в дальнейшем создаются и развиваются специальные элементы для вычислитель-ной техники. Разработка таких элементов в значительной мере определяет типы и ха-рактеристики машин. С другой стороны, требования математиков и необходимость решения все более и более сложных задач форсируют разработку новых принципов построения машин и новых более совершенных элементов.

Появление германиевых диодов позволило применить их для логических схем отдельных узлов машин вместо схем на электронных лампах. Опыт эксплуатации машин показал, что германиевые диоды являются весьма надежным элементом в машинах. Так, например, из 10 тысяч германиевых диодов, установленных в БЭСМ, в течение более чем двухлетней эксплуатации вышло из строя лишь несколько штук. Поэтому широкое использование германиевых диодов повысило надежность работы и позволило применять более сложные логические схемы, обеспечивающие значительно большую скорость и более совершенную логику машин. Однако в этом направлении использованы далеко не все возможности. В частности, до сих пор еще не все типы германиевых диодов могут быть получены в нужном количестве. Разработанные индированные диоды с золоченой нитью мало применяются. Меж-ду тем эти типы диодов обладают значительно меньшим прямым сопротивлением и большим отношением обратного сопротивления к прямому, что позволяет улучшить характеристики электронных схем и создать новые схемы, которые при существую-щих характеристиках трудно выполнимы или получаются чрезмерно громоздкими (например, схемы на конденсаторах для временного хранения кодов). Еще более хорошие характеристики в этом отношении имеют кремниевые диоды.

Преимущества полупроводниковых триодов перед электронными лампами хо-рошо известны. Для вычислительной техники это особенно существенно. Замена большого числа электронных ламп, имеющихся в машинах, полупроводниковыми триодами значительно повысит надежность работы, уменьшит габариты и потребля-емую мощность, упростит эксплуатацию машин, позволит повысить быстродействие за счет более сложных логических схем. Это будут машины совсем нового, более со-вершенного класса. Схемы узлов машин на точечно-контактных полупроводниковых триодах разработаны в ряде институтов Академии наук и промышленности. Однако существенный сдвиг может быть получен лишь при применении высокочастотных

М.: Изд-во АН СССР, 1956.

204 Раздел 2. Научные труды и статьи С. А. Лебедева

плоскостных триодов типа поверхностно-барьерных или типа «рпр». Массовый вы-пуск промышленностью этих типов имеют исключительное значение для развития вычислительной техники.

Появление ферритовых сердечников с прямоугольной петлей гистерезиса дало возможность создать на них ряд новых видов элементов. Из них для вычислительной техники наиболее существенное значение имеет их применение для запоминающих устройств. Однако в разработке ферритовых сердечников и особенно в широком освоении их промышленностью еще очень много кустарного. Характеристики их не-обходимо улучшить, что требует большой работы химиков, металлургов, технологов.

В настоящее время ведутся работы по использованию сегнетоэлектриков для целей вычислительной техники. Обладая прямоугольной формой петли диэлектри-ческого гистерезиса, аналогичной прямоугольной петле гистерезиса ферритовых сер-дечников, сегнетоэлектрики выгодно отличаются от последних значительно меньшей мощностью, требующейся для управления. Разработка этих весьма перспективных элементов ведется совершенно недостаточными темпами, в частности и в физических институтах Академии наук.

Магнитострикционные линии задержки, использующие эффект магнитострик-ции для получения и детектирования ультразвуковых колебаний, отличаясь компакт-ностью, простотой конструкции и малым расходом мощности, целесообразны для использования в запоминающих устройствах машин последовательного действия, особенно специализированных.

Перечисленными элементами не исчерпывается использование различных физи-ческих процессов для вычислительной техники. Все возрастающие требования повы-шения быстродействия электронных вычислительных машин заставляют изыскивать новые принципы их построения. Дальнейшие исследования в области использования новых физических процессов для вычислительной техники, в частности применение миллимикросекундной техники, электромагнитных волн, явления сверхпроводимо-сти, может дать большой скачок в этом деле.

Помимо использования новых физических элементов, существенное значение имеет также создание более совершенных схем из существующих физических эле-ментов.

Быстродействие и удобство эксплуатации электронных вычислительных машин определяется не только схемами отдельных устройств машины, но также ее общей структурной схемой.

В развитии электронных вычислительных машин намечается явная тенденция к упрощению выполнения ряда логических функций. Если ранее для каждого изме-нения адреса команды использовалась индивидуальная логическая команда и опре-деление количества повторений отдельных циклов осуществлялось путем введения дополнительного счетчика или использовалась модификация какой-либо команды, то в настоящее время при создании машин стремятся к тому, чтобы изменение адресов команд и заданий числа повторения циклов осуществлялось автоматическим путем введения соответствующих признаков кода адресов и более простого задания числа повторений в цикле.

Помимо удобств при программировании, которые дает такое автоматическое из-менение адресов команд, при этом получается также некоторое повышение скорости работы машины за счет сокращения выполнения ряда логических действий с не-посредственным выполнением арифметических действий. Точно так же получается некоторое сокращение количества команд в программе. Автоматизация выполнения логических действий, помимо сказанного, должна сыграть также положительную роль в отношении упрощения автоматизации составления программ.

Некоторые возможности повышения скорости электронных вычислительных ма-шин имеются также в случае использования принципа совмещения операций. Вы-



Электронные вычислительные машины 205

полнение арифметических действий в значительной мере может быть совмещено по времени с обращением к памяти. При этом можно отказаться от стандартного цикла выполнения операций, когда вызов следующей команды производится после отсылки результата в запоминающее устройство, и производить выборку команд перед отсылкой результатов в запоминающее устройство. То есть, например, при трехадресной системе команд цикл машин будет состоять из следующих операций: вызов первого числа, вызов второго числа, вызов следующей команды и отсылка результата в запоминающее устройство. Благодаря такому изменению цикла работы машины на выполнение арифметического действия, которое может начаться только после вызова обоих чисел, дополнительно добавляется время, идущее на вызов следующей команды.

Возможное ускорение работы машины за счет совмещения вызова команд и чи-сел по двум независимым каналам также может дать сокращение времени, однако при этом теряется возможность совмещения выполнения арифметического действия с вызовом команд. С другой стороны, раздельные каналы для вызова чисел и команд приводят к увеличению аппаратуры и требуют разделения памяти на две части, что несколько уменьшает гибкость машины.

Помимо быстродействия арифметического устройства, существенным фактором, определяющим скорость работы машин, является время обращения к запоминающе-му устройству. При трехадресной системе команд для выполнения одного действия приходится обращаться четыре раза к запоминающему устройству. Таким образом, время обращения к запоминающему устройству имеет существенное значение для определения общей скорости работы машины.

Одним из решений уменьшения времени обращения к запоминающему устрой-ству является создание дополнительной «сверхбыстродействующей памяти» срав­нительно небольшой емкости. Создание такой «памяти» позволит сократить время для выполнения стандартных вычислений, как то: подсчет специальных функций, вычисления по алгебраическим формулам и т. п.

Ряд весьма важных задач, в особенности многомерных задач математической физики, не могут успешно решаться при скоростях работы современных электронных вычислительных машин, и требуется существенное повышение их быстродействия.

Одним из возможных путей для решения таких задач может явиться парал-лельная работа нескольких машин, объединенных одним общим дополнительным устройством управления и с обеспечением возможности передачи кодов чисел с одной машины на другую. Однако может оказаться более целесообразным создание ряда параллельно работающих отдельных устройств машины. В такой машине должна иметься общая основная «память» для хранения чисел и команд, необходимых для решения задачи. Из этой «памяти» числа и команды, требующиеся для решения того или иного этапа задачи, поступают на ряд сверхбыстродействующих запоминающих устройств сравнительно небольшой емкости. Каждое такое сверхбыстродействую-щее запоминающее устройство связано со своим арифметическим устройством. Эти устройства имеют свое индивидуальное управление. Помимо этого, должно быть предусмотрено общее управление всей машиной в целом.

Для более полного использования арифметических устройств требуется, чтобы заполнение «сверхбыстродействующей памяти» из общей «памяти» машины осу-ществлялось одновременно с выполнением вычислений. Решение этой задачи может быть получено путем разделения «сверхбыстродействующей памяти» на две поло-вины. Одна половина используется для выполнения текущих расчетов, а вторая половина — для передачи результатов, полученных на предыдущем этапе расчета, в общую «память» машины, а также для выборки из общей «памяти» данных, необходимых для выполнения последующего этапа расчета.

206 Раздел 2. Научные труды и статьи С. А. Лебедева

Возможность создания такой структурной схемы машины в значительной мере определяется математическими возможностями разбиения вычислительного процес-са или основной части его на ряд параллельных этапов.

Задачей наших математиков является установление возможности подобного раз-биения вычислительного процесса, а также установление основных параметров для отдельных устройств.

Создание ряда работающих параллельно устройств машины одновременно с дру-гими рассмотренными выше мероприятиями позволит существенно поднять скорость работы электронных вычислительных машин.



Быстродействующие универсальные вычислительные машины

Доклад на пленарном заседании конференции «Пути развития советского

математического машиностроения и приборостроения».

Москва, 12-17 марта 1956 г. 1)

Математические методы широко используются в науке и технике, однако решение многих важных задач связано с таким большим объемом вычислений, что при обыч-ном ручном счете с помощью арифмометров или настольных клавишных машин, т. е. с помощью так называемых ручных средств, такие задачи оказывались практически неразрешимыми.

Изобретение электронных вычислительных машин, позволяющих производить вычисления с невиданной ранее скоростью, совершило переворот в применении математики для решения важнейших проблем физики, механики, астрономии, химии и т. д.

Современные универсальные электронные вычислительные машины совершают тысячи, десятки тысяч арифметических и логических действий в секунду и заменяют труд десятков и сотен тысяч вычислителей, работающих с настольными клавишными вычислительными машинами. За несколько часов на электронной машине выполня-ется столько расчетов, сколько опытный вычислитель не сможет сделать за всю свою жизнь.

Кроме высокой скорости исполнения арифметических и логических действий, универсальные электронные счетные машины дают возможность решать разнооб-разнейшие задачи на одной и той же машине. Эти машины, помимо громадного увеличения производительности труда, позволяют решать такие задачи, которые ранее считались невыполнимыми.

Сложные вычислительные работы, выполняемые с громадной скоростью на элек-тронных машинах, дают в области умственного труда такие экономию и увеличение возможностей человеческого творчества, какие сравнимы только с применением машинного производства вместо физического труда.

Электронная машина, действующая по заранее определенной человеком про-грамме, естественно, лишена творческих возможностей. Применение машин имеет целью не замену человека машиной, а огромное увеличение возможностей человека в результате применения машин.

Широкое использование электронных вычислительных машин в научно-исследо-вательских институтах, конструкторских бюро и проектных организациях открывает неограниченные возможности в решении народно-хозяйственных задач.

1 ) Издано в ВИНИТИ.

Быстродействующие универсальные вычислительные машины 207

Электронные счетные машины являются мощным орудием в руках человека. Трудно переоценить значение этих машин для нашей страны, строящей коммуни-стическое общество, в познании человеческим разумом явлений природы и исполь-зовании их на благо человечества.

Перед советскими инженерами и математиками открыты огромные перспективы в развитии принципов работы и конструкций вычислительных машин, а также их применения и эксплуатации.

Универсальные электронные вычислительные машины являются чрезвычайно мощным аппаратом для исследования, и именно это определило их бурное развитие. Элементы машин и сами машины непрерывно совершенствуются. Если на первом этапе для создания машин заимствовались элементы, разработанные ранее для других областей техники, то в дальнейшем создаются и развиваются специальные элементы для вычислительной техники. Разработка таких элементов в значительной мере определяет типы и характеристики машин.

Требования со стороны математиков и необходимость решения все более и более сложных задач форсирует разработку новых принципов построения более современ-ных машин и их элементов.

Действительно, если мы обратимся к истории развития электронных вычисли-тельных машин, то увидим, как разработка того или иного элемента или принципа построения машины влияла на характер конструкции машин, их характеристику и возможности. В первой электронной американской машине ЭНИАК были в основ-ном использованы триггерные ячейки, хорошо разработанные для других областей техники. В значительной мере использование триггерных ячеек получило отражение в малой электронной счетной машине (МЭСМ) АН УССР.

Появление запоминающих устройств на электроакустических трубках привело к созданию ряда машин последовательного действия как с точки зрения выборки самих чисел последовательно из запоминающего устройства, так и с точки зрения выполнения арифметического устройства последовательного действия. Это обуслов-ливалось теми соображениями, что при данном виде памяти основное время в работе машины уходило на выборку чисел из запоминающего устройства. Поэтому не было никакого смысла увеличивать скорость выполнения арифметических действий, так как скорость машины от этого существенно не повысилась бы.

Примером машин такого класса может служить английская машина ЭДСАК, т. е. последовательная машина с запоминающим устройством на электроакустических трубках. Машины этого класса имеют скорость порядка 1-2 тыс. операций в секунду.

Разработка запоминающих устройств на электронно-лучевых трубках привела к развитию более быстродействующих машин, т. е. машин параллельного действия (БЭСМ АН СССР, «Стрела» Министерства приборостроения и средств автоматиза-ции СССР, М-2 АН СССР).

Машины этого типа обладают скоростью несколько тысяч операций в секунду. Так, например, на БЭСМ время стандартного цикла выполнения одной команды составляет 77 мкс, что примерно соответствует 13 тыс. операций в секунду, а средняя скорость при решении сложных задач, включая сюда обращения к магнитному барабану и магнитным лентам, составляет 7-8 тыс. трехадресных операций в секунду. Скорости машин «Стрела» и М-2 — 2 тыс. операций в секунду. Достигнутые скоро-сти далеко не являются пределом при данном виде запоминающего устройства на электронно-лучевых трубках.

Применение в качестве памяти электронно-лучевых трубок в значительной мере определяет емкость оперативной памяти, т. е. количество чисел или команд, которые могут храниться в запоминающем устройстве. Эта величина определяется числом точек, которые могут быть записаны на экране одной трубки, и составляет для машин БЭСМ и «Стрела» 1024 точки, для машины М-2 — 512 точек.

208 Раздел 2. Научные труды и статьи С. А. Лебедева

Увеличение емкости оперативной памяти за счет дублирования трубок большин-ством конструкторов машин признается нецелесообразным, поскольку такой метод увеличения емкости памяти приводит к существенному увеличению количества ап-паратуры, а следовательно, усложняет машины.

Работы по увеличению емкости запоминающего устройства на данном виде па-мяти ведутся по линии увеличения разрешающей способности электронно-лучевых трубок, т. е. по линии увеличения количества точек, которое может быть записано на одной трубке. В настоящее время уже получены положительные результаты по увеличению емкости трубки до 2048 точек, т. е. емкость памяти будет составлять 2048 чисел. Достаточно успешно ведутся также работы по дальнейшему увеличению емкости данного вида запоминающих устройств до 4000.

Запоминающие устройства на магнитном барабане показали большую надеж-ность в эксплуатации при относительно малом количестве аппаратуры и сравнитель-но большой емкости хранимых чисел. Эти обстоятельства привели к созданию класса сравнительно медленно действующих электронных вычислительных машин со ско-ростью порядка сотен операций в секунду, но обладающих значительно меньшим количеством аппаратуры, т. е. более простых машин. Скорость в машинах данного класса в основном определяется временем, которое нужно затратить на выборку требуемых чисел с магнитного барабана. Эта скорость в основном определяется скоростью вращения барабана. Естественно, что она будет значительно ниже, чем у запоминающих устройств на электроакустических трубках, не говоря уже о запо-минающем устройстве на электронно-лучевых трубках.

Простота и надежность этого вида памяти на магнитном барабане позволили создать довольно большое число более простых машин с меньшим количеством аппаратуры. Одним из видов такой машины может служить машина «Урал» Мини-стерства приборостроения и средств автоматизации СССР, совершающая 100 одноад-ресных операций в секунду, что эквивалентно примерно 50 трехадресным операциям в секунду.

Требование повышения емкости запоминающего устройства, вызванное решением сложных задач, привело к созданию в быстродействующих машинах дополнительной или, как ее часто называют, внешней памяти, более простой, чем оперативная память, но, естественно, конечно, и более медленно действующей. В основном для большин-ства машин в качестве такой внешней памяти используются магнитные барабаны и магнитные ленты. Характер работы внешней памяти существенно отличается от характера работы оперативной памяти, где требуется выбирать каждое число, которое участвует в расчете. Внешняя же память служит как бы только хранилищем для чисел и команд, требующихся для решения той или иной задачи. По мере необ-ходимости группа чисел или команд передается с внешней памяти в оперативную, на которой и производятся необходимые вычисления. Полученные результаты могут быть переданы с оперативной памяти на внешнюю и использоваться при дальнейших подсчетах. Таким образом, режим работы внешней памяти сводится лишь к обмену групп чисел или команд с оперативной памятью, в непосредственном же вычислении внешняя память не участвует. Благодаря такому режиму сравнительно небольшая скорость работы внешней памяти мало сказывается на средней скорости работы машины.

Если сравнить соотношения между памятью на магнитном барабане и магнитной ленте, то можно сделать вывод, что магнитный барабан является более оперативным видом внешней памяти, чем магнитная лента, поскольку в любой момент может быть считана или записана требуемая группа чисел или команд. В случае магнитной ленты необходимо предварительно подвести ленту к тому месту, где записана группа чисел, и только после этого можно производить запись или считывание. Кроме того, магнит-ный барабан более надежен в работе, чем магнитная лента. Однако магнитные ленты



Быстродействующие универсальные вычислительные машины 209

имеют значительно большую емкость хранимых чисел, чем магнитный барабан. Если учесть, что ленты можно менять, то емкость запоминающих устройств на магнитных лентах практически следует считать неограниченной, что является существенным преимуществом магнитных лент по сравнению с магнитным барабаном.

В зависимости от назначения машины, требований и задач, которые на ней решаются, в универсальных машинах применяется тот или другой вид внешнего запоминающего устройства. Так, на БЭСМ имеется магнитный барабан с емкостью на 5120 чисел и четыре магнитофона с лентами, на которых может храниться свыше 120 тыс. чисел. На «Стреле» имеются два устройства с магнитными лентами общей емкостью 200 тыс. чисел. На машине М-2 в качестве внешней памяти используются магнитные ленты с емкостью 50 тыс. чисел.

Большая скорость вычислений на современных электронных машинах часто тре-бует быстрого вывода большого числа полученных результатов, а также удобного ввода исходных данных и программ. Поэтому вводные и выводные устройства имеют серьезное значение в общей характеристике работы машин.

Для вводных и выводных устройств используется как существующая аппаратура, так и новые разрабатываемые виды устройств, специально приспособленные для вычислительной техники.

В БЭСМ в качестве вводного устройства, используется перфолента, а для вывода результатов разработано специальное быстродействующее фотопечатающее устрой-ство, применяемое для выдачи больших массивов полученных результатов. Кроме фотопечатающего устройства, предусмотрено также электромеханическое печатаю-щее устройство для печати контрольных значений и печати результатов в случае их малого количества по сравнению с объемом вычислений.

В машине «Стрела» применяются вводные и выводные устройства на перфокар-тах с последующей печатью результатов с перфокарт вне машины.

В машине М-2 в качестве вводных и выводных устройств используется модифи-цированная телеграфная аппаратура.

Разработка и применение новых элементов для вычислительной техники позволя-ет существенно улучшить характеристики универсальных вычислительных машин. Здесь особенно большое значение имеют полупроводниковые элементы.

Логические схемы на полупроводниковых диодах позволяют существенно сокра-тить число электронных ламп в машине, не снижая ее быстродействия. Весьма пер-спективным является применение полупроводниковых триодов вместо электронных ламп.

Работы в области ферритовых сердечников находят практическое применение в первую очередь для создания запоминающих устройств универсальных машин.

Применение новых элементов в вычислительной технике приводит к резкому сокращению аппаратуры и повышению надежности работы электронных машин. В связи с этим, возможно, придется пересмотреть вопрос о малых электронных машинах с запоминающим устройством на магнитном барабане и имеющих скорость порядка сотен операций в секунду. Такая скорость вычислений в большинстве случаев недостаточна для решения практических задач.

Использование ферритовых сердечников для запоминающих устройств и приме-нение полупроводниковых элементов позволит создать машины с значительно боль-шим быстродействием и требующих одного — двух человек для их обслуживания.

Электронные вычислительные машины в настоящее время находятся в стадии бурного развития. Каковы же направления этого развития?

Нам представляется, что основными направлениями развития универсальных математических машин являются следующие: 1) повышение быстродействия машин; 2) увеличение емкости запоминающего устройства; 3) повышение надежности работы и 4) упрощение математической и технической эксплуатации машин.

210 Раздел 2. Научные труды и статьи С. А. Лебедева

Под математической эксплуатацией машин мы подразумеваем упрощение логики машин, разработку более совершенных типов машин в отношении логики програм-мирования и решения математических задач.

Остановимся кратко на этих основных вопросах.

Повышение быстродействия электронных математических машин вызывается необходимостью решения на них все более и более сложных задач с большим числом операций. Это обстоятельство настоятельно диктует повышение скорости выполне-ния операций на машинах.

Повышение быстродействия в основном может происходить за счет ускорения выполнения отдельных операций на электронных машинах. Основными моментами, определяющими быстродействие машин, являются выборка чисел из запоминающего устройства и время, требуемое для непосредственного выполнения арифметических и логических действий. Помимо этого, повышение быстродействия может быть также получено за счет совмещения отдельных операций в машине, и в частности совме-щения выборки чисел из запоминающего устройства с одновременным выполнением арифметических и логических действий.

Повышение скорости выполнения арифметических и логических действий может быть осуществлено как за счет повышения быстродействия отдельных элементов основного арифметического устройства, так и за счет создания более рациональных логических схем выполнения этих действий. Кроме того, повышение быстродействия арифметического устройства может быть получено вследствие усложнения его логи-ческой схемы.

С точки зрения повышения быстродействия непосредственно самих элементов арифметического устройства заслуживает внимания применение импульсного прин-ципа работы отдельных элементов арифметического устройства.

Следует иметь в виду, что существенное повышение быстродействия элементов арифметического устройства, как правило, приводит к увеличению мощности, а сле-довательно, и к применению более сложных и менее надежных электронных ламп. Однако повышение быстродействия за счет логической структуры арифметического устройства позволяет получить существенное ускорение выполнения операций при сравнительно умеренном увеличении аппаратуры. Так, в частности, путем видоиз-менения операций умножения можно добиться значительного сокращения времени на выполнение этого действия.

Для машин с плавающей запятой существенное значение имеет сокращение вре-мени сложения как наиболее часто встречающейся операции. Кроме того, на машинах с плавающей запятой, помимо выполнения непосредственно самого сложения, прихо­дится производить также предварительное выравнивание порядка и нормализацию результата.

Сокращение этих операций позволит также поднять общую скорость работы машины. Имеющиеся в этом направлении возможности далеко еще не использованы.

Следует также отметить, что с точки зрения повышения быстродействия целесо-образнее отрицательные значения чисел представлять обратным, а не дополнитель-ным кодом. Это связано с тем обстоятельством, что преобразование прямого кода в дополнительный является арифметическим действием и обычно отнимает больше времени, чем непосредственное обращение прямого кода в обратный.

Вторым фактором, определяющим скорость работы машины, является время обращения к запоминающему устройству. При трехадресной системе команд для выполнения одного действия приходится обращаться 4 раза к запоминающему устройству. Таким образом, время обращения к запоминающему устройству имеет существенное значение для оценки общей скорости работы машины.

Следует отметить, что выбор адресности в системе команд мало сказывается на суммарном времени обращения к запоминающему устройству. Действительно, при



Быстродействующие универсальные вычислительные машины 211

одноадресной системе команд для выполнения одной операции приходится дважды обращаться к запоминающему устройству: один раз для вызова числа, другой — для вызова следующей команды. Но так как при одноадресной системе команд для выполнения заданных вычислений требуется примерно в 2 раза большее число команд, то суммарное время обращения к памяти остается примерно таким же, как и в трехадресной системе. В значительной мере это относится также и к двухадресной системе команд.

Таким образом, с точки зрения адресности команд, время, затрачиваемое на работу запоминающего устройства, практически остается без изменения.

Одним из решений уменьшения времени обращения к запоминающему устройству является создание дополнительной сверхбыстродействующей памяти сравнительно небольшой емкости. Повышение быстродействия памяти обычно приводит к увели-чению аппаратуры, но если емкость быстродействующей памяти сделать сравни-тельно небольшой, то можно без значительного увеличения аппаратуры существенно уменьшить время обращения к памяти. Создание такой памяти позволит сократить время для выполнения отдельных стандартных вычислений (подсчет специальных функций, вычисление по алгебраическим формулам и т.д.).

Некоторые возможности повышения скорости имеются также в случае исполь-зования принципа совмещения операций. Выполнение арифметических действий в значительной мере может быть совмещено по времени с обращением к памяти. При этом возможно также отказаться от стандартного цикла выполнения операций, когда вызов следующей команды производится после отсылки результата в запоминающее устройство. Так, например, в БЭСМ цикл машин состоит из следующих операций: вызов первого числа, вызов второго числа и последующее арифметическое действие с ними. Затем результат отсылается в запоминающее устройство и только тогда вызывается следующая команда.

Если изменить такой порядок чередования цикла, а именно третьим сделать не отсылку результата, а вызов следующей команды, то на выполнение арифметиче-ского действия останется большее время, т. е. значительно легче будет совместить выполнение арифметических действий и обращение к памяти.

Возможное ускорение работы машины за счет совмещения вызова команд и чисел по двум независимым каналам также может дать сокращение времени, но при этом теряется возможность совмещения выполнения арифметического действия с вызовом команд. Однако раздельные каналы для вызова чисел и команд приводят к уве-личению аппаратуры и требуют разделения памяти на две части, что несколько уменьшает гибкость машины.

Арифметическое устройство машины используется по существу лишь наполовину своего времени (например, при трехадресной системе команд). Действительно, ариф-метическое действие с числами можно производить лишь после того, как вызваны оба числа, т. е. половину цикла работы машины арифметическое устройство не работает. Поэтому следует видоизменить структуру и использование машины, с тем чтобы арифметическое устройство работало все время, а не только половину времени.

Кое-какие возможности в этом направлении имеются, но предложить какое-либо определенное решение пока еще не представляется возможным.

В особых случаях, когда требуется повышенное быстродействие машины, возмож-но, окажется целесообразным дублирование отдельных устройств машины; при этом существенное значение будет иметь соотношение между скоростями выполнения арифметических действий и обращения к запоминающему устройству.

Лимитирующим фактором в скорости машин является время обращения к запо-минающему устройству. Большинство арифметических и логических действий может быть выполнено без дополнительного времени, т. е. за счет совмещения выполнения арифметических действий с обращением к памяти. Однако дальнейшее повышение

212 Раздел 2. Научные труды и статьи С. А. Лебедева

быстродействия запоминающих устройств и введение сверхбыстродействующей па-мяти могут в корне изменить это соотношение, и окажется целесообразным создавать не одно, а несколько арифметических устройств машины при той же самой памяти и, таким образом, за счет лишь частичного увеличения аппаратуры машины суще-ственно повысить ее быстродействие.

Повышение быстродействия запоминающего устройства может вызвать также пе-ресмотр системы представления чисел в системе машины. Возможно, что выполнение арифметических действий с плавающей запятой вызовет существенное замедление общей скорости работы машины и в тех случаях, когда требуется большое быстродей-ствие, целесообразнее будет переходить на машины с фиксированной запятой, хотя это и создает некоторые осложнения при математической эксплуатации.

Расширение круга задач, решаемых на машинах, и особенно многомерных задач математической физики, помимо повышения скорости, требует также увеличения емкости запоминающих устройств.

До последнего времени увеличение емкости запоминающих устройств шло по ли-нии создания промежуточной или так называемой внешней, менее быстродействую-щей, чем основная, памяти, но зато и требующей меньшего количества аппаратуры, т. е. запоминающего устройства на магнитных барабанах и на магнитных лентах. Такое разделение вызывалось необходимостью применения в качестве оперативно-го запоминающего устройства для быстродействующих машин электронно-лучевых трубок. Емкость такого запоминающего устройства определялась разрешающей спо-собностью электронно-лучевых трубок. Следовательно, увеличение емкости вызыва-ло существенное увеличение аппаратуры.

Появление запоминающих устройств на ферритовых сердечниках, которые, видимо, на ближайшее время будут являться основным видом запоминающих устройств для быстродействующих машин, позволит увеличить емкость запоминаю-щего устройства без существенного увеличения электронной аппаратуры.

Однако увеличение емкости оперативной памяти не может полностью решить во-проса о создании достаточной емкости памяти для решения сложных задач. Поэтому промежуточная медленно действующая память на магнитных барабанах и ленте, по-видимому, сохранит свое значение и в дальнейшем для универсальных электронных машин.

Опыт эксплуатации машин показал, что магнитные барабаны являются более надежным запоминающим устройством, чем магнитные ленты. Однако недостатком магнитного барабана является малая емкость по сравнению с магнитными лентами. В этом направлении далеко еще не использованы все возможности. Поэтому создание запоминающих устройств на магнитных барабанах с повышенной емкостью храни-мых чисел и с повышенной скоростью выборки массивов чисел является одной из задач дальнейшего развития вычислительных машин.

Существенное значение запоминающих устройств для дальнейшего совершен-ствования вычислительных машин требует усиления работы как в области повыше-ния скорости и емкости уже известных видов памяти, так и в области разработки и ис-следования новых элементов и принципов. В частности, может получить практиче-ское применение использование сегнетодиэлектриков для создания малогабаритных видов запоминающих устройств с большим быстродействием и большой емкостью.

Надежность работы электронных вычислительных машин имеет большое значе-ние при их эксплуатации. Повышение надежности работы может быть осуществле-но за счет повышения надежности отдельных элементов, из которых составляется машина. С целью повышения надежности работы элементов следует стремиться к максимальному сокращению аппаратуры электронных машин и в первую очередь — электронных ламп. В этом отношении заслуживает внимания машина М-2, которая

Быстродействующие универсальные вычислительные машины 213

имеет существенно меньшее количество электронных ламп (около 1600) при доста-точно высокой скорости.

Правильный выбор режимов работы электронных ламп, а также создание до-статочных запасов в отношении разброса и изменения характеристик ламп приводит к тому, что даже электронные элементы могут быть сделаны достаточно надежными.

Не все элементы, применяемые в электронных машинах, обладают одинаковой надежностью. Поэтому при создании машин целесообразно уменьшить количество менее надежных элементов за счет увеличения числа более надежных элементов.

Опыт эксплуатации машин показал, что германиевые диоды являются весьма надежным элементом в машинах. Так, например, из 10 тыс. германиевых диодов, установленных в БЭСМ, в течение двухлетней эксплуатации вышло из строя лишь единичное количество диодов. Это указывает на то, что применение германиевых диодов даже в больших количествах не понижает надежности работы машин и многие электронные элементы, в основном применяемые для логических схем, с успехом могут быть заменены элементами на германиевых диодах. При этом успешное реше-ние задачи может быть получено лишь при соответствующем сочетании ламповых элементов с элементами на германиевых диодах.

Заслуживает внимания применение импульсного принципа и замена статиче-ских триггерных ячеек на импульсные, так называемые динамические триггеры. Динамические триггерные ячейки с трансформаторным выходом обладают низким выходным сопротивлением, что позволяет хорошо сочетать их с логическими эле-ментами на германиевых диодах. Кроме того, применение динамических триггерных ячеек позволит существенно сократить количество электронных ламп, так как схема динамического триггера требует меньшего количества колб.

Следует также пересмотреть вопросы контроля работы машин. Принятая у нас практика логического контроля в целом представляется правильной, так как создание схем аппаратного контроля на все элементы машины сильно усложнило бы структур-ную схему машины и значительно увеличило бы количество аппаратуры, в результате чего мы имели бы не повышение надежности, а ее уменьшение. Однако возможно, окажется целесообразным для отдельных, менее надежных по сравнению с другими, устройств вводить частичный аппаратный контроль, который не приведет к значи-тельному усложнению структурной схемы машины и увеличению аппаратуры.

В случае введения аппаратного контроля для отдельных устройств машины целесообразно предусматривать такую схему аппаратного контроля, которая бы не только констатировала наличие ошибки, но и автоматически восстанавливала бы правильное значение числа, т. е. не вызывала бы остановку машины.

Анализ осуществления и целесообразность применения подобных методов ап-паратного контроля для отдельных устройств машины, естественно, должны быть проверены конкретными разработками.

Для обеспечения надежной работы электронных вычислительных машин су-щественное значение приобретают методы профилактической проверки машины, создание ухудшенных режимов работы для электронных ламп, разработка тестовых программ, позволяющих достаточно быстро определять малонадежные элементы в машине и проверяющих все элементы машины в условиях, аналогичных работе машины при вычислениях. В этом направлении проведено большое число работ и получены неплохие результаты. Однако дальнейшая разработка данного вопроса позволит еще больше повысить надежность и использование машин.

В условиях развития электронных вычислительных машин намечается тенденция к упрощению ряда логических функций. Если раньше для каждого изменения адреса команды использовалась индивидуальная логическая команда и определение количе-ства повторений циклов осуществлялось путем введения дополнительного счетчика или путем модификации какой-либо команды, то в настоящее время при создании

214 Раздел 2. Научные труды и статьи С. А. Лебедева

машин стремятся к тому, чтобы изменение адресов команд и задание числа повто-рения циклов осуществлялось бы автоматически, путем введения соответствующих признаков кода адресов и более простого задания числа повторений в цикле.

Помимо удобств при программировании, которые дает такое автоматическое из-менение адресов команд, при этом получается также некоторое повышение скорости работы машин за счет совмещения выполнения ряда логических действий с непо-средственным выполнением арифметических действий. Точно так же получается некоторое сокращение команд в программе. Автоматизация выполнения логических действий должна сыграть также положительную роль в отношении упрощения ав-томатизации составления программ.

Помимо этих вопросов, необходимо обратить внимание на развитие логики элек-тронных вычислительных машин, в целях дальнейшего упрощения автоматического составления программ и возможности решения на машине математических задач в их общей формулировке.

В развитии логики машин имеются еще далеко не использованные возможности.

Повышение скорости вычислений повышает также требования к выводным устройствам машины, поэтому необходимо дальнейшее развитие работ по созданию быстродействующих выводных устройств.

Представляется целесообразным также дальнейшее развитие в области повыше-ния оперативности фотопечатающих выводных устройств и создания быстродей-ствующих электромеханических печатающих устройств.

В создании электронных вычислительных машин в настоящее время явно уста-новился принцип мелкоблочного построения машин, т. е. схемы электронных машин собираются из отдельных блоков.

Нам кажется, что накопленный нами значительный опыт по созданию и эксплуа-тации электронных вычислительных машин позволяет сейчас поставить вопрос о ти-пизации отдельных элементов и узлов электронных вычислительных машин. Вместе с этим возросшие потребности в электронных вычислительных машинах, а также отдельные специфические требования, которые предъявляются к применению элек-тронных машин той или другой организацией, должны привести к привлечению широкого круга специалистов и организаций к разработке и созданию новых типов машин.

Для того чтобы облегчить организациям создание новых типов машин, целе-сообразно опираться на разработанные стандартные типовые элементы и добиться того, чтобы наряду с изготовлением машин организовать в промышленности также производство отдельных элементов и узлов машин. Наличие стандартных элементов и узлов облегчит создание новых типов машин в различных организациях и тем самым существенно расширит объем работ по электронным вычислительным ма-шинам. Можно надеяться, что в ближайшее время у нас появится довольно большое количество различных типов машин, особенно если будет организовано производство стандартных элементов.

Необходимо несколько остановиться на классах машин. Для ряда сложных задач нужны сверхбыстродействующие электронные вычислительные машины, обладаю-щие большими емкостями памяти и массивами внешней памяти, т. е. высокопроизво-дительные электронные вычислительные машины. Наряду с этим, должен получить широкое развитие класс машин сравнительно средней производительности со скоро-стями порядка тысяч операций в секунду, однако главную роль здесь будет играть не скорость, а объем оборудования, т. е. емкость запоминающих устройств, объем вводных и выводных устройств и т. д. Такой класс машин должен быть рассчитан на широкий круг проектных и других организаций.



Мощное средство научного исследования 215

Необходимо также создавать машины для ручного использования, т. е. совсем маленькие, простые настольные машины, обладающие значительно пониженной ско-ростью операций.

В связи с большим развитием работ по электронным вычислительным машинам особую остроту приобретает вопрос о подготовке кадров и более широкой публикации работ в области вычислительной математики и техники. Хотя наши высшие учебные заведения и готовят большое число специалистов в этой области, однако этого явно недостаточно. Представляется целесообразным создание в Институте точной механики и вычислительной техники АН СССР краткосрочных курсов подготовки программистов по вопросам программ и решению конкретных задач. Создание таких постоянно действующих курсов было бы весьма полезным вкладом для вычислитель-ной техники и математики.

Необходимо расширить также курсы для специалистов по технической эксплу-атации и наладке электронных вычислительных машин с практическим прохожде-нием наладки машин, более широко организовать обмен опытом между отдельными организациями, занимающимися вычислительной техникой и вычислительной ма-тематикой, расширить положительный опыт прикомандирования сотрудников к ве-дущим организациям. Особенно большое внимание должно быть уделено помощи периферийным организациям. Во всех этих вопросах большую роль должен сыграть Вычислительный центр Академии наук СССР.

Не менее важное значение имеет вопрос издания учебников и учебных посо-бий по вычислительной технике, программированию, методам численного анализа применительно к машинам. Дело чести наших специалистов, несмотря на всю их загруженность, в кратчайшие сроки написать такие учебники и учебные пособия. Необходимо также расширить публикацию работ по отдельным вопросам вычисли-тельной техники и вычислительной математики в наших журналах и трудах.

Мощное средство научного исследования 1)

Математические методы широко используются в науке и технике. Однако ре-шение многих важных задач связано с таким большим объемом вычислений, что при обычном, ручном счете с помощью арифмометров эти задачи оказывались практически неразрешимыми. Появление электронных счетных машин, позволяю-щих производить вычисления с невиданной ранее скоростью, совершило переворот в применении математики для решения важнейших проблем физики, механики, астрономии, химии и т. п.

Современные универсальные электронные счетные машины совершают тысячи арифметических действий в одну секунду и заменяют труд десятков тысяч вычисли-телей. За несколько часов на машине выполняется столько расчетов, сколько опыт-ный вычислитель не сможет сделать за всю свою жизнь. Такая скорость вычислений позволяет рассчитать, например, траекторию полета снаряда быстрее, чем летит сам снаряд.

Помимо высокой скорости исполнения арифметических и логических действий, универсальные электронные счетные машины дают возможность решать разнооб-разнейшие задачи на одной и той же машине. Эти машины являются качественно новым средством, позволяющим, помимо громадного увеличения производительно-сти труда, решать такие проблемы и задачи, которые считались невыполнимыми.

Известия, 1955, 22 мая.

216 Раздел 2. Научные труды и статьи С. А. Лебедева

Во многих случаях расчеты необходимо производить настолько быстро, чтобы полученные результаты имели практическую ценность. Это особенно наглядно видно на примере надежного предсказания погоды на следующий день. При ручном счете вычисления, связанные с надежным суточным прогнозом погоды, могут потребовать нескольких суток. Естественно, что при такой скорости расчетов результаты теряют практическую ценность. Применение электронных счетных машин для этой цели позволит полностью и своевременно решить эту задачу.

Объем вычислений для достижения практических результатов часто бывает на-столько велик, что успешное решение возможно лишь при применении электронных счетных машин. Так, при составлении геодезических карт возникает необходимость в решении линейных алгебраических уравнений с несколькими сотнями неизвестных. На электронных счетных машинах подобные задачи решаются за несколько часов, в то время как при ручном счете на это уходит несколько месяцев работы большого вычислительного бюро. Одной из важных для народного хозяйства задач является построение форм контуров наиболее крутых, устойчивых, не осыпающихся откосов каналов, дающих большую экономию материальных средств и времени при стро-ительстве каналов. Советские ученые дали ей правильное теоретическое решение. Однако практическое использование полученных результатов — составление таблицы типовых случаев — стало возможно лишь с помощью электронных счетных машин. Электронные счетные машины позволяют быстро решать сложные астрономические задачи, на что раньше астрономы тратили месяцы и годы.

На машине можно быстро перепробовать большое количество вариантов той или иной задачи и выбрать наиболее подходящий. Это позволяет определить, например, наивыгоднейшую механическую конструкцию моста, найти наилучшую форму кры-ла самолета, сопла реактивного двигателя, лопаток турбин и т. п.

Практически неограниченная точность расчетов позволяет быстро вычислять на электронных счетных машинах всевозможные таблицы для нужд науки и техники.

Помимо выполнения математических задач, на электронных счетных машинах можно решать ряд логических задач. Так, например, принципиально возможно с по-мощью машины переводить тексты с одного языка на другой. В этом случае в машине должны храниться вместо чисел слова, заменяющие словарь и отдельные обороты речи. Другим примером решения логических задач является игра в шахматы. В. этом случае шахматные фигуры оцениваются очками. Например, король — десять тысяч очков, ферзь — сто очков, ладья — пятьдесят очков и т. д. Кроме, того, отдельные позиционные факторы, например, открытая линия, сдвоенные пешки, также оцени-ваются соответствующим количеством очков. Машина путем ряда проб выбирает вариант, дающий через определенное число ходов, при любых ответах противника, наилучшее соотношение очков. Следует, однако, заметить, что ввиду огромного коли-чества возможных комбинаций решение вынуждено ограничиться лишь пробой срав-нительно небольшого числа ходов, что исключает учет стратегических планов игры.

Современная электронная счетная машина, представляет собой сложный ком-плекс элементов электронной автоматики. В машине применяются электронные лампы, германиевые кристаллические элементы, электронно-лучевые трубки, маг-нитные элементы, фотоэлементы, сопротивления, конденсаторы и другие радиотех-нические детали.

Арифметические действия выполняются с колоссальной скоростью электронны-ми счетными схемами, объединенными в арифметическое устройство.

Для обеспечения высокой скорости расчетов недостаточно только быстро про-изводить арифметические действия над числами. Поэтому в машине полностью автоматизирован весь вычислительный процесс. Выборка требуемых чисел, а также установление определенной последовательности действий с числами осуществляются автоматически.

Мощное средство научного исследования 217

Числа, с которыми производятся действия, а также результаты промежуточных вычислении должны сохраняться в машине. Предназначенное для этой цели устрой-ство — «запоминающее устройство» — позволяет выбрать любое требуемое число, а также принять результат вычислений. Емкость запоминающего устройства, т. е. количество чисел, которое может в нем храниться, в значительной мере определяет гибкость машины применительно к решению разнообразных задач.

Выборка требуемых чисел из запоминающего устройства, действие, которое нуж-но произвести с этими числами, отсылка результата в запоминающее устройство и переход к следующей операции обеспечиваются в электронных счетных машинах устройством управления. После того, как в машину введены исходные данные и про-грамма вычислений, устройство управления обеспечивает полную автоматичность вычислительного процесса.

Для ввода в машину исходных данных и программы вычислений, а также для печатания на бумаге полученных результатов служат специальные вводные и вывод-ные устройства.

При вычислениях на машине необходимо иметь уверенность в правильности полученных результатов, т. е. необходимо контролировать проводимые расчеты. Кон-троль правильности вычислений осуществляется или специальными устройствами контроля, или же методами логического контроля путем соответствующего програм-мирования. Простейшим примером логического контроля является «счет в две руки», т. е. двойной расчет со сличением полученных результатов.

Прежде чем приступить к решению той или иной задачи на машине, выбирается математический метод решения этой задачи. Затем составляется последовательность арифметических и логических действий, выполнение которых требует выбранный математический метод. Эта последовательность арифметических и логических дей-ствий является программой вычислений. Программа состоит из ряда команд: каждая команда обусловливает выполнение того или иного арифметического или логиче-ского действия. В команде должно быть указано, какие числа необходимо взять из запоминающего устройства, какое действие следует произвести с этими числами, на какое место запоминающего устройства направить полученный результат. Команды, как и числа, хранятся в запоминающем устройстве.

Команды программы, а также исходные данные записываются в виде условного кода. Обычно запись производятся на перфокартах или перфоленте посредством пробивки отверстий, или же на магнитной ленте в виде записи импульсов кода. Затем эти коды вводятся в машину и переносятся в запоминающее устройство, после чего машина автоматически выполняет заданную программу вычислений.

Результаты вычислений опять-таки записываются, например, на магнитную лен-ту в виде импульсов кода. Специальные дешифрирующие печатающие устройства преобразуют записанный на магнитной ленте код в цифры и печатают их виде таблиц.

В Академии наук, в Министерстве машиностроения и приборостроения и в других организациях созданы и успешно работают первоклассные электронные счетные машины. На этих машинах решено большое количество задач из области физики, химии и др. Вычислен ряд обширных таблиц специальных функций.

Перед советскими инженерами и математиками открыты богатые перспективы в деле дальнейшего развития принципов работы и конструкции вычислительных машин, а также их применения и эксплуатации.

Широкое использование электронных счетных машин в научно-исследователь-ских институтах, конструкторских бюро и проектных организациях открывает не-ограниченные возможности в решении народно-хозяйственных задач.

Электронные счетные машины являются мощным орудием в руках человека. Трудно переоценить значение этих машин в деле познания человеческим разумом явлений природы и использования их на благо человечества.

218 Раздел 2. Научные труды и статьи С. А. Лебедева




Поделитесь с Вашими друзьями:
1   ...   12   13   14   15   16   17   18   19   ...   34


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница