Посвящение в радиоэлектронику

Собственно говоря, любое аналоговое устройство обработки сигналов является аналоговой ЭВМ. Более того, в последнее время в теоретической радиотехнике возникло новое направление — синтез оптимальных устройств для генерирования и обработки сигналов на основе моделирования систем дифференциальных уравнений, описывающих происходящие при этом процессы. Таким образом, аналоговые ЭВМ еще остались и будут совершенствоваться в тех областях, где имеют дело с аналоговыми сигналами.

Для выполнения математических расчетов аналоговые ЭВМ не совсем подходят по нескольким причинам, характерным вообще для аналоговой техники. Во-первых, диапазон сигналов в них, а следовательно, и диапазон значений переменных (х) весьма ограничены. Снизу — собственными шумами элементов вычислителя, сверху — «заходом» тех же элементов в области насыщения. Во-вторых, элементы аналоговой ЭВМ, выполняющие математические операции, неизбежно вносят погрешность. А при увеличении числа математических действий погрешности накапливаются. Поэтому и точность расчетов на аналоговых ЭВМ ограничена. Этих двух недостатков вполне хватает, чтобы отказаться от аналоговых ЭВМ при математических расчетах и искать более совершенные способы вычислений.

Идея создания цифровых ЭВМ принадлежит американскому математику фон Нейману. Он высказал ее еще в начале 40-х годов, когда при создании электронных схем экономили каждую радиолампу. По самым скромным оценкам, для ЭВМ требовались тысячи ламп! Поэтому и первые модели цифровых ЭВМ были созданы только лишь в конце 40-х — начале 50-х годов. Большие залы были заставлены шкафами с тысячами радиоламп, киловатты электроэнергии превращались в тепло, а быстродействие машин составляло всею несколько тысяч операций в секунду. Но и это казалось чудом. Первое поколение цифровых ЭВМ — это были «мамонты» вычислительной техники, тем не менее они вполне оправдывали себя и подавали многообещающие надежды.

Как устроена ЭВМ

Любое дело мы начинаем с обдумывания. Иногда-это проблеск памяти, если работа уже знакомая, иногда долгие-долгие раздумья, усугубляемые нерешительностью. Но вот план деятельности готов, и тогда мы приступаем к делу. Точно так же и работа ЭВМ начинается с программы. Для машин первого поколения составлялись предельно подробные программы, предусматривающие каждый шаг, каждую операцию вычислений.

Посмотрим на упрощенную структуру схемы ЭВМ. Два главных ее блока изображены слева: процессор, выполняющий математические операции, и память, хранящая исходные данные и результаты каждого шага вычислений. Но главные блоки не могут работать сами по себе ими управляет устройство, показанное вверху справа. Оно содержит тактовый генератор, определяющий ритм работы машины. Каждый импульс соответствует одному элементарному действию, например:

взять из ячейки памяти номер такой-то, число и передать его в процессор;

взять из ячейки памяти номер такой-то, другое число и тоже передать в процессор;

процессору: сложить числа;

результат отправить в ячейку номер такой-то, и т. д.

Обратите внимание, что мы словесно, на русском языке описали четыре шага машинной программы. Но машина первого поколения никакого языка (в том числе и русского) не понимала, кроме своего, машинного. Поэтому и программа составлялась именно на машинном языке. Описывать его не буду, поскольку программирование изучают в школах. Правда, программировать подрастающее поколение будет не на машинном, а на более общем языке высшего уровня. Он значительно короче, поскольку в нем указываются только крупные операции. Перевести их на подробный машинный язык «для внутреннего пользования» сумеет сама современная ЭВМ. Но для первых ЭВМ составлялись очень подробные и потому очень длинные программы.

Упрощенная структурная схема цифровой ЭВМ.