Простейшие операции в машине

Ученые поняли преимущества двоичной системы счисления, которая впервые применялась Атанасовым. Благодаря ей вся информация в машине представляется мозаикой нулей и единиц. Поэтому носители информации — электронные лампы, полупроводники, ферритовые намагничивающиеся сердечники — должны находиться не более чем в двух состояниях.

Цифра 0 отвечает, скажем, тому, что через лампу течет ток или намагничен сердечник, иначе получаем цифру 1. К тому же удобными становятся действия над числами, сводящиеся к запоминанию простых таблиц сложения и умножения. Потренировавшись в поразрядном сложении двоичных чисел, нетрудно установить правила: 0+0= 0, 1+0=0+1 = 1, 1 + 1 = 1 + . В последнем случае в данный разряд заносится нуль, а 1 переходит в старший разряд. Здесь предполагается, что из младшего разряда приходит нуль. Если же младший разряд «дарит» единицу, то возможно «столкновение» в одном разряде трех единиц и тогда 1 + 1 + 1 = = 1 + 1+.

Эти и другие простейшие операции в машине выполняют логически активные элементы, называемые вентилями. Пусть не смущает нас этот «сантехнический» термин. Организация компьютера действительно напоминает водопроводную сеть в том смысле, что вентили «открывают» и «закрывают» потоки информации. В отличие от кранов вентили еще и преобразуют информацию («вода» превращается в другую «жидкость»). Каждый вентиль имеет два входа. На них подается сигнал 0 или 1. На единственном выходе вырабатывается либо 0, либо 1. Особое положение занимает вентиль НЕ (логическое отрицание) с двумя выходами. Работа вентилей описывается простыми таблицами независимо от технического исполнения. Если речь идет 0 поразрядном сложении, то вентиль ИЛИ способен лишь к действиям 0+0, 1+0, 0+1. Операция 1 + 1 + 1 ему не под силу — нужно устройство с тремя входами. Призвав на помощь вентили И и НЕ, легко получить логическую схему одноразрядного сумматора двоичных чисел. Заметно сложнее дело обстоит с многоразрядным сумматором, не говоря уже об устройстве для умножения.

Соединяя входы и выходы различных вентилей, из них, как из кирпичиков, получают логическую схему компьютера — огромное «здание» с изощренной архитектурой. В этом конструкторам помогает алгебра «высказываний», разработанная английским математиком Дж. Булем в начале прошлого века. В булевой алгебре рассматриваются функции от любого числа переменных, принимающие только два значения. Каждая переменная также принимает лишь два значения. Этот аппарат очень удобен как раз для компьютеров, оперирующих с россыпью нулей (истинные высказывания) и единиц (ложные высказывания).
Весьма сложные электронные логические схемы были созданы и запатентованы в 30-е гг., а после войны появились ЭВМ первого поколения — малая электронно-счетная машина (МЭСМ), построенная в СССР под руководством академика С. А. Лебедева, машины ENIAK в США и EDSAC в Великобритании. В их центральном процессоре использовались электронные лампы, а память состояла из блоков ферритовых сердечников. Вентили, построенные на этой элементной базе, срабатывали относительно медленно, «всего» за 10 ~5 секунд.

Быстродействие ЭВМ первого поколения — несколько тысяч операций в секунду. Скромная начальная цифра Поколения ЭВМ меняются каждые 10 лет. Исследователи, заставшие в молодости первые ЭВМ, вскоре будут работать на компьютерах пятого поколения. Эти машины с быстродействием 10″-МО12 операций в секунду и объемом быстрой памяти до 102 байт должны появиться в начале 90-х гг.
В 100 раз более быстрые полупроводники вытеснили электронные лампы и передали эстафету большим интегральным схемам. Время срабатывания вентилей уменьшилось до 10 ~9 с, соответственно увеличилось быстродействие. В компьютерах четвертого поколения стала ощущаться скорость света, ограничивающая время прохождения сигнала по проводникам.

Поэтому ЭВМ, занимавшие ранее огромные залы, «съежились» до размеров небольшого шкафа. Вошли в моду термины из мира насекомых. «Чипы» («блохи») — так называются миниатюрные, менее сантиметра, многослойные кристаллы кремния. Каждый слой «электронного пирога» после тончайшей технологической обработки содержит десятки тысяч триодов, сопротивлений и других элементов.

В сверхбольших интегральных схемах для ЭВМ пятого поколения будет уже по миллиону вентилей в 1 см3. Создание «чипов» привело к появлению микропроцессоров, т. е. почти полных компьютеров в одном кристалле, на котором хранятся также многие часто встречающиеся программы («кремниевое программирование» — еще один новый термин).

Но не электроникой единой… Кроме элементной базы важна и архитектура компьютера. Даже трехсантиметровый процессор, работая строго последовательно и пересылая после каждого действия информацию на расстояние 3 см, не смог бы достичь производительности более 1010 операций в секунду. Ведь скорость света хоть и велика, но все же ограниченна. От поколения к поколению конструкторы улучшали структуру ЭВМ, переводя процессоры на «бригадный подряд» и добиваясь все большего распараллеливания действий по обработке информации. Удачным примером служат векторные ЭВМ. Они оперируют с векторами почти так же быстро, как и с обычными числами. Плодотворно используется в некоторых современных ЭВМ и принцип конвейера.
Усилия конструкторов приносят хорошие результаты — прирост производительности компьютеров четвертого поколения достигнут главным образом за счет архитектуры ЭВМ.

Можно восхищаться быстротой и другими характеристиками ЭВМ, но они останутся «внутренними свойствами» компьютера, если нет хороших средств общения между человеком и машиной. «Интеллектуализация» компьютеров, облегчение работы человека с ними — одна из главных целей специалистов по системному программированию.

Общение с ЭВМ первого поколения напоминало подчас мучительный многодневный диалог глухого и слепого. Вычислитель сам распределял ячейки оперативной памяти под программу, исходные данные и результаты расчетов. Программы писались на «мертвом» машинном языке, каждая команда которого обозначалась своим числовым кодом. Бедной была диагностика ошибок, поэтому на отладочные расчеты (тесты) тратилась почти половина машинного времени.

Все эти заботы взяли на себя созданные системными программистами специальные программы. Они составляют основу так называемого математического обеспечения ЭВМ. В частности, появились алгоритмические языки для написания программ и программы-трансляторы — переводчики с алгоритмического языка на машинный. Команды таких языков, как АЛГОЛ и БЕЙСИК, — «иди», «пусть», «если… то» звучат уже привычно, да и по смыслу ближе к человеческой речи. Количество подобных языков разного уровня сложности и их «диалектов» подходит к тысяче. Далеко не все из них широко применяются, но сама цифра близка к числу настоящих языков, используемых человечеством.

Очень скромное в первых ЭВМ, математическое обеспечение сейчас составляет свыше 70% стоимости компьютеров. Слышатся шутливые высказывания о том, что скоро компьютеры будут прилагаться как упаковка к своему математическому обеспечению. Помимо языков оно включает библиотеки стандартных программ, выполняющих часто встречающиеся действия, операционные системы, управляющие выполнением всех программ, и множество других средств. Прогрессируют и способы представления огромных массивов информации, выдаваемой компьютерами. Вместо аппаратов, печатающих на бумаге колонки цифр и букв, все шире используются устройства машинной графики. Среди них разнообразные графикопостроители, принтеры, а также дисплеи, экраны которых содержат до нескольких миллионов точек.

Ко всему прочему ЭВМ, как никакой другой вид техники, быстро дешевеют. Цена на одну логическую операцию снижается на 25%, а на единицу памяти — на 45% в год. Словом, термин «ускорение» очень точно характеризует развитие компьютеров.


Комментарии запрещены.





Статистика

Рейтинг@Mail.ru