Вычислительная машина — это комплекс устройств, созданный для автоматизации и механизации обработки информации, включая выполнение вычислений. Основная задача таких систем — преобразование входных данных в результат посредством заданных алгоритмов.
Классификация и принципы работы
По способу представления информации машины делятся на два основных класса: аналоговые (непрерывного действия) и цифровые (дискретного действия). Цифровые ЭВМ, благодаря универсальности и точности представления данных, стали доминирующим типом вычислительных устройств.
Их ключевые преимущества включают: высокую скорость выполнения арифметических и логических операций, возможность хранения больших объёмов информации, программное управление процессами и способность решать широкий спектр задач. Эти свойства сделали ЭВМ мощным инструментом научно-технического прогресса, впервые позволив автоматизировать обработку информации и значительно повысив эффективность умственного труда.
Архитектура классической ЭВМ
Основными компонентами ЭВМ являются:
- Арифметико-логическое устройство (АЛУ): выполняет вычисления и логические операции над данными.
- Устройство управления (УУ): координирует работу всех компонентов на основе принципа программного управления.
- Память: делится на быструю оперативную (ОП) для временного хранения и более ёмкую внешнюю (ВП) для долговременного хранения данных.
- Устройства ввода/вывода: обеспечивают взаимодействие с внешним миром.
- Пульт управления: позволяет оператору контролировать процесс.
Память организована в ячейки с уникальными адресами. Операции чтения не разрушают данные, а запись заменяет старое содержимое новым.
Программное обеспечение и виртуальная машина
Свойства ЭВМ формируются сочетанием аппаратных средств и программного обеспечения (ПО). Виртуальная ЭВМ — это абстракция, представляющая машину с определёнными возможностями, реализуемыми как «железом», так и программами.
Центральная часть ПО — операционная система (ОС). Она управляет ресурсами, планирует задачи, организует выполнение программ и обеспечивает интерфейс между пользователем и аппаратурой. Полный комплекс аппаратуры и ПО образует вычислительную систему.
Историческая эволюция поколений ЭВМ
Идея программно-управляемых вычислителей была предложена Чарльзом Бэббиджем в XIX веке, но реализована лишь в середине XX века.
Первое поколение (1950-е гг.)
Ламповые ЭВМ (БЭСМ, «Стрела», М-20). Характеризовались большими габаритами, высоким энергопотреблением и низкой надёжностью. В СССР большой вклад внёс академик С.А. Лебедев, создавший МЭСМ и БЭСМ.
Второе поколение (конец 1950-х)
Транзисторные машины («Минск-32», БЭСМ-4). Стали компактнее, надёжнее и производительнее. Появились ЭВМ для управления процессами, что положило начало созданию АСУ.
Третье поколение (1970-е гг.)
Машины на интегральных микросхемах (ЕС ЭВМ). Акцент сместился на удобство пользователя, развитие операционных систем и снижение трудоёмкости программирования.
Четвёртое поколение
Основа — большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы. Появились микропроцессоры, микро-ЭВМ и персональные компьютеры. Характерны многопроцессорные системы (например, «Эльбрус-2») с быстродействием в сотни миллионов операций в секунду.
Пятое поколение (перспективы)
Проектируемые системы с элементами искусственного интеллекта: способность к обучению, логическим умозаключениям, обработке естественного языка и речи. Ожидается использование СБИС с плотностью до миллионов транзисторов на кристалл и быстродействием до сотен миллиардов операций в секунду.
Особый класс: малые (мини-) ЭВМ
Для специализированных задач (управление станками, эксперименты, локальные расчёты) были созданы компактные, дешёвые и простые в эксплуатации мини-ЭВМ. Их особенности:
- Укороченное машинное слово (12-16 разрядов).
- Ограниченный набор команд и периферийных устройств.
- Магистрально-модульная архитектура (все устройства подключены к общей шине).
- Высокое быстродействие (200-800 тыс. оп/с) для компенсации ограниченности аппаратных средств за счёт программных методов.
Развитие микроэлектроники позволило перейти к 16-разрядным мини-ЭВМ, повысив их совместимость с машинами общего назначения и расширив функциональность.