Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику
Упрощенная структурная схема цифровой ЭВМ.
Делали так. Сначала в ЭВМ вводилась (загружалась, как говорят специалисты) программа и исходные данные для вычислений. Они раскладывались по ячейкам памяти, после чего можно было приступать к вычислениям. Результат выводился сначала в память, а из нее — на периферийные устройства ввода-вывода (дисплей, печатающее устройство-принтер и т. п.). Впрочем, экраны-дисплеи появились позднее, у машин второго-третьего поколений, построенных на полупроводниковых приборах, а затем — и на интегральных схемах. В первых ЭВМ обходились одним принтером. Сразу выявился существенный недостаток описанной организации ЭВМ. Память должна была выполнять две функции: хранить исходные и полученные данные и в то же время запоминать и тут же выдавать обратно в процессор промежуточные результаты вычислений. Если для первой функции нужна память большой емкости с относительно невысоким быстродействием, то для второй — как раз наоборот: запомнить надо всего несколько чисел, но очень быстро, и также быстро их выдать. В результате у ЭВМ появилось два устройства памяти: долговременная и оперативная. Долговременная может хранить огромные массивы информации. В ней чаще всего применяется устройство магнитной записи. В больших ЭВМ они представляют собой специализированные устройства в виде стоек с большими катушками широкой магнитной ленты. А в современных микроЭВМ часто используют обыкновенный бытовой магнитофон. Наряду с веселыми песенками на кассете можно записать, как оказывается, и программу для ЭВМ. Разработаны также устройства памяти на магнитных дисках, внешне отдаленно напоминающих грампластинки, с той лишь существенной разницей, что покрыта пластинка ферромагнитным слоем и никакой звуковой канавки на ней нет, а запись ведется крохотной магнитной головкой. Использовались и магнитные барабаны, еще отдаленнее напоминающие фонограф.
Совсем не так устроена оперативная память. Поскольку главное требование к ней высокое быстродействие, никаких движущихся частей она не содержит. Запись в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) ведется в электронные ячейки.
Четыре поколения ЭВМ сменилось за время жизни одного человеческого поколения! Любопытно, что элементная база обновлялась чаще, чем структурные схемы. Часто даже одинаковые по структуре ЭВМ выполнялись на совсем разных элементах. В 60-х годах строили машины даже на параметронах — электрически управляемых диодах с переменной емкостью. Магнитные усилители, электронные лампы, транзисторы, туннельные диоды — все это использовалось в ЭВМ. Побеждает все-таки полупроводниковая интегральная технология. Но и там был широкий выбор. Диодно-транзисторная логика (ДТЛ), транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ), логика на элементах с эмиттерной связью (ЭСЛ). А в последнее время все чаще используют совсем уже микромощную элементную базу на МОП (металл-окисел-полупроводник) и КМОП (то же, но с комплементарными парами транзисторов) интегральных схемах. И за всеми этими аббревиатурами, которые сразу и запомнить-то нелегко, стоят годы упорного труда многих сотен и тысяч людей.
Претерпела изменения и структурная схема машины. Вы, наверное, заметили, что одни и те же устройства нужны для разных целей. Например, в памяти записывается и программа, и массивы данных. Возникла мысль — объединить провода, по которым циркулируют данные, команды и прочие сигналы, нужные в ЭВМ, в общие шины. Чтобы пакеты данных не путались, их снабжают «адресом» — несколькими цифрами или знаками в начале посылки. Адрес однозначно определяет, куда и зачем послан этот пакет данных. Остальные устройства, подключенные к общей шине, на эту посылку попросту не реагируют.
Описанная идея оказалась очень плодотворной. Она позволила создавать ЭВМ с гибкой структурой, наращивать число периферийных устройств (ввода-вывода), число блоков памяти, а иногда даже — и число процессоров!
Большие ЭВМ теперь имеют очень мощные процессоры, выполняющие миллионы операций в секунду. Оказалось неразумным использовать всю эту мощность для решения какой-либо одной задачи. Ведь процессор фактически простаивает, пока идет накопление данных, обращение к памяти и тому подобные вспомогательные операции. Неопытный оператор, например, долго будет смотреть на экран дисплея, размышляя, что делать дальше. Да и опытному оператору нужно несколько секунд, чтобы осмыслить полученный результат и дать машине следующее распоряжение. В режиме диалога временные шкалы человека и машины просто несовместимы. Если считать по числу выполненных элементарных операций и исключить из рассмотрения такие, не совсем еще понятные явления, как интуиция, то оказывается, что машина «думает» в миллион раз быстрее.
Выход из создавшегося положения был найден. Процессор стал решать параллельно несколько задач, работая в режиме разделения времени. Пока для одной задачи накапливаются данные, решается другая, пока выводится к терминалам ее результат, снова решается первая или еще одна задача. Число терминалов ЭВМ резко возросло, одновременно возросли и вычислительные мощности.
Сейчас во всех без исключения областях человеческой деятельности используются ЭВМ. В считанные минуты они решают задачи, на которые при прежних методах понадобились бы годы упорного труда больших коллективов ученых и вычислителей. Обработка информации с помощью ЭВМ значительно повышает эффективность производства, позволяет создавать автоматизированные системы управления, освобождает людей от рутинного труда, обеспечивает информационными услугами широкий круг пользователей. Но большие ЭВМ целесообразно устанавливать в специальных вычислительных центрах (ВЦ), где их эффективная работа обеспечивается высококвалифицированными инженерами, техниками и программистами. В то же время объекты автоматизации, конструкторские бюро, НИИ, источники и потребители информации-территориально рассредоточены и могут находиться очень далеко от ВЦ.
Ну что ж, вынесем терминалы и дисплеи к потребителям! Это не так просто, поскольку терминал соединяется с ЭВМ не одним проводником! Но все-таки сделать это можно, только у потребителя надо установить аппаратуру для накопления и преобразования данных, фактически мини-ЭВМ, и организовать канал связи — канал передачи цифровой информации по двухпроводной линии или по уже имеющимся каналам связи телефонным, радиорелейным, спутниковым — каким угодно. Именно так и делают. Более того, большие ЭВМ объединяют в региональные или даже общенациональные сети, и пользователь зачастую даже понятия не имеет, в каком уголке страны решается в данный момент его задача.
Сложилась несколько парадоксальная ситуация — исчезли как класс средние ЭВМ. Большие ЭВМ становятся все мощнее и производительнее (речь идет теперь о сотнях миллионов операций в секунду), для доступа к ним нужны сети связи, а также мини- и микроЭВМ. Но микроЭВМ имеют и огромное самостоятельное значение, решая определенные конкретные задачи на местах. И вот появилось маленькое, но очень важное устройство.
Его Величество микропроцессор
Теперь уже можно смело сказать, что микропроцессор произведет в технике столь же революционные преобразования, как в свое время транзисторы, а затем интегральные схемы. Немного об истории его появления.
К началу 70-х годов стало возможным создавать сверхбольшие интегральные микросхемы (СБИС), содержащие десятки тысяч транзисторов на одном кристалле. Но проектирование таких микросхем — очень дорогой и трудоемкий процесс. Ведь необходимо расположить на кристалле все транзисторы, все соединения между ними, изготовить фотошаблоны и т. д. Стоимость проектирования огромна. И если изготовить всего несколько СБИС, то стоимость золота не будет идти ни в какое сравнение с их стоимостью. Но при массовом производстве стоимость СБИС в расчете на одну выпущенную единицу резко снижается, т. е. чтобы они стали дешевле, надо их больше производить. Следовательно, надо выпускать только СБИС универсального применения, пригодные для решения самых различных задач. Этого можно добиться, если специализация СБИС будет достигаться не схемными, а программными средствами. СБИС должны быть программируемыми! Вот та радикальная идея, которая привела к появлению микропроцессоров СБИС со структурой, аналогичной структуре ЭВМ.
Сфера применения микропроцессоров обширна. На них можно построить микрокалькуляторы, электронные часы, настоящие ЭВМ, системы автоматического регулирования, блоки управления домашним радиокомплексом, стиральной машиной, кухонной плитой — одним словом, чем угодно. Специализация микропроцессора для конкретных функций, выполняемых им в аппаратуре, достигается записью в его память соответствующих программ. Встроенные микропроцессоры придают разнообразным приборам, устройствам и механизмам вполне «разумный» характер. Микропроцессор — неотъемлемая часть станков с числовым программным управлением, манипуляторов и роботов, систем управления транспортными средствами, обучающих систем. Где угодно, вплоть до детских игрушек, может применяться микропроцессор.
