Архитектура ЭВМ

В1965 году Wang Laboratories произвёл LOCI-2, настольный калькулятор на транзисторах с 10 цифрами, который использовал дисплей на трубках "Nixie" и мог вычислять логарифмы.

ВСоветском Союзе в то время самым известным и распространённым калькулятором был механический арифмометр "Феликс", выпускавшийся с 1929 по 1978 год на заводах в Курске

(завод "Счетмаш"), Пензе иМоскве.

Рис. 9. Арифмометр "Феликс" — самый распространённый в СССР.

Аналоговые вычислительные машины

Ана́логовыйкомпьютер — аналоговая вычислительная машина (АВМ), представляет числовые данные при помощи аналоговых физических переменных (скорость, длина, напряжение, ток, давление), в чём и состоит его главное отличие от цифрового компьютера.(4)

К первому аналоговому вычислительному устройству относят обычно логарифмическую линейку. Графики и номограммы — следующая разновидность аналоговых вычислительных устройств — для определения функций нескольких переменных. Впервые они встречаются в руководствах по навигации в 1791г.

В 1814 английский учёный Дж. Герман разработал аналоговый прибор — планиметр, предназначенный для определения площади, ограниченной замкнутой кривой на плоскости. Планиметр был усовершенствован в 1854 г. немецким учёным А. Амслером. Его интегрирующий прибор с катящимся колесом привёл позднее к изобретению английским физиком Дж. Томсоном фрикционного интегратора.

(4) wikipedia.org/wiki/Аналоговый_компьютер

Архитектура ЭВМ

В1876 другой английский физик У. Томсон применил фрикционный интегратор в проекте гармонического анализатора для анализа и предсказания высоты приливов в различных портах. Он показал в принципе возможность решения дифференциальных уравнений путём соединения нескольких интеграторов, однако из-за низкого уровня техники того времени идея не была реализована.

Первая механическая вычислительная машина для решения дифференциальных уравнений при проектировании кораблей была построена А. Н. Крыловым в 1904 г. В её основу была положена идея интеграфа — аналогового интегрирующего прибора, разработанного польским математиком Абданк-Абакановичем (1878 г.) для получения интеграла произвольной функции, вычерченной на плоском графике.

В1911 г. академик Крылов А.Н. построил машину для приближенного решения дифференциальных уравнений. Он показал, что многие явления, исследуемые в различных областях науки, описываются однотипными системами дифференциальных уравнений.

Аналитическое решение этих систем практически невозможно, но возможно воспроизвести подобный процесс в натуре.

Академик Павловский Н.Н. в 1919 г. разработал метод прямых аналогий для решения задач гидродинамики. Он создал метод исследования напорной фильтрации под телом плотины и впервые применил для моделирования аналоговую вычислительную машину (АВМ).

Развитие АВМ в период с 1920 по 1930 гг. опередило развитие ЦВМ, для которой еще не была создана необходимая технологическая база. АВМ широко применялись при проведении различного рода исследований, в том числе и при исследованиях динамики и прочности в авиастроении и космонавтике.

Дальнейшее развитие механических интегрирующих машин связано с работами американского учёного В. Буша, под руководством которого была создана чисто механическая интегрирующая машина (1931 г.), а затем её электромеханический. вариант (1942 г.).

В1936 г. русский инженер Н. Минорский предложил идею

электродинамического аналога. Толчок развитию современных АВМ постоянного тока дала разработка Б. Расселом (1942—44, США) решающего усилителя.

Архитектура ЭВМ

В1936 г. в СССР под руководством И. С. Брука были построены механический интегратор и электрический расчётный стол для определения стационарных режимов энергетических систем.

В40-х гг. была начата разработка электромеханического ПУАЗО

на переменном токе и первых электронных ламповых интеграторов (Л. И. Гутенмахер). Работы, проведённые под руководством

Гутенмахера (1945—46), привели к созданию первых электронных аналоговых машин с повторением решения.

В1949 в СССР под руководством В. Б. Ушакова, В. А. Трапезникова, В. А. Котельникова, С. А. Лебедева был построен ряд АВМ на постоянном токе. Эти работы положили начало развитию современной аналоговой вычислительной техники в СССР.

Рис. 10. Дифференциальный анализатор, Кембридж, 1938 год

Перед Второй мировой войной во многих исследовательских разработках использовались механические и электрические

аналоговые вычислительные машины (АВМ), которые многие считали будущим вычислительной техники.

В исследованиях, проводившихся на аналоговых компьютерах, использовался тот факт, что математические модели различных физических процессов подобны. Свойства явлений малого масштаба, различные по своей физической природе процессы описывались одними и теми же математическими зависимостями. В частности такая общность обнаруживается при изучении баллистических траекторий, инерционных процессов, резонансных явлений, процессов переноса энергии, фильтрации жидкостей и т.п. явлений.

Архитектура ЭВМ

Первые электромеханические цифровые компьютеры

Наряду с разработками АВМ в эти же годы начинаются разработки по созданию электромеханических ВМ.

В тридцатых годах XX века в разных странах начались разработки принципиально новых устройств — программно-

управляемых релейных вычислительных машин.

Рис. 11. Структурная схема релейных ВМ

Полностью идеи Чарльза Бэббиджа впервые были реализованы в машине "Марк-1" ("Вычислительная машина с автоматическим управлением последовательностью операций"), разработанной в Гарвардском университете под руководством Говарда Гатуэя Айкена в 1937-1944 годах. Эта машина считается первой в мире

универсальной программно-управляемой вычислительной машиной. Вместе с тем устройство для выполнения арифметических действий в машине "Марк-1" было чисто механическим.

В 1947 году, была построена полностью релейная (то есть электромеханическая) машина "Марк-2". В "Марк-2", для запоминания чисел и для выполнения арифметических операций использовались электромеханические реле. Одну операцию умножения она выполняла за 0,7 с. В конструкции этой машины содержалось около 13000 реле.

Параллельно в компании "Белл" математиком Джорджем Штибитцем в 1939 году была построена релейная машина

Архитектура ЭВМ

"Модель 1", способная выполнять операции над комплексными числами, Эта машина еще не имела устройства автоматического управления вычислениями. Такое устройство появилось в "Модели2" (1943 г.). Вслед за этой ВМ были построены еще две небольшие релейные машины "Модель3" и "Модель4".

В1944 - 1946 годах была построена универсальная ВМ "Модель 5", содержавшая около 9000 реле и все блоки, предусмотренные "классической" (бэббиджевской) структурой.

Считается, что первая в мире программно-управляемая электромеханическая вычислительная машина под названием "Z-3" была создана Конрадом Цузе в Германии в 1939-1941 годах. Эта машина могла "помнить" до 64 чисел одновременно и выполняла сложение двух чисел за 0,3 с (секунды), а умножение — за 5 с. Однако возможности и этой, и созданной после войны более совершенной модели "Z-4" по составлению программ были достаточно скромными. В частности, не было возможности осуществлять программный выбор одного из нескольких возможных вариантов действий. Это не позволяет считать "Z-3" универсальной вычислительной машиной.

В1936 году, работая в изоляции в нацистской Германии,

Конрад Цузе начал работу над своим первым вычислителем серии Z, имеющим память и (пока ограниченную) возможность программирования. Созданная, в основном, на механической основе, но уже на базе двоичной логики, модель Z1, была завершёна в 1938 году. Она так и не заработала достаточно надёжно, из-за недостаточной точности выполнения составных частей. В 1939 году, Цузе создал второй вычислитель Z2, но её планы и фотографии были уничтожены при бомбардировке, поэтому о ней почти ничего не известно. Z2 работала на электромагнитных переключателях созданных в 1835 году ученым Джозефом Хенри. Следующая машина Цузе - Z3, была завершена в 1941 году. Она была построена на телефонных реле и работала вполне удовлетворительно. Тем самым, Z3 стала первым работающим компьютером, управляемым программой. Во многих отношениях Z3 была подобна современным машинам, в ней впервые был представлен ряд новшеств, таких как арифметика с плавающей запятой. Замена сложной в реализации десятичной системы на двоичную, сделала машины Цузе более простыми, а значит, более надёжными; считается, что это одна из причин того, что Цузе преуспел там, где Бэббидж потерпел неудачу.