Цифрова обчислювальна машина (ЦВМ), обчислювальна машина, що перетворює величини, представлені у вигляді набору цифр (чисел). Прості перетворення чисел, відомі з прадавніх часів, — це арифметичні дії (складання і віднімання). Але арифметичні операції — лише окремий випадок перетворень величин, заданих в цифровій формі, і в сучасних ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) вони складають лише невелику частину всього набору операцій, які машина виконує над числами.
Першими пристроями для простих обчислень служили абаки і рахівниці: з їх допомогою виконували арифметичні операції — складання і віднімання (див. Обчислювальна техніка ) . Ці інструменти позбавляли людину від необхідності пам'ятати таблицю складання і записувати проміжні результати обчислень, т.к. в ті часи папір (або її аналог) і інструменти, що пишуть, були рідкістю. Важливим кроком в розвитку обчислювальних пристроїв з'явився винахід Би. Паськалем машини, що підсумовує (1641, по ін. даним — 1643). У машинах Паськаля кожній цифрі відповідало певне положення розрядного колеса розділеного на 10 секторів. Складання в такій машині здійснювалося поворотом колеса на відповідне число секторів. Ідея використовувати обертання колеса для виконання операції складання (і віднімання) пропонувалася і до Паськаля (наприклад, професором Тюбінгенського університету Ст Шиккардом, 1623), але найважливішим елементом в машинах Паськаля було автоматичне перенесення одиниці в наступний, вищий розряд при повному звороті колеса попереднього розряду (так само, як при звичайному складанні десяткових чисел в старший розряд числа переносять десятки, складання одиниць, що утворилися в результаті, сотні — від складання десятків і т.д.). Саме це давало можливість складати багатозначні числа без втручання людини в роботу механізму. Цей принцип використовувався протягом майже трьохсот років (середина 17 — почало 20 вв.(століття)) при побудові арифмометрів (що приводяться в дію від руки) і електричних клавішних обчислювальних машин (з приводом від електродвигуна).
Перші обчислювальні машини виконували наступні елементарні операції: складання і віднімання, перенесення одиниці в наступний розряд при складанні (або вилучення одиниці при відніманні), зрушення (переміщення каретки уручну в арифмометрах, автоматично в електричних машинах), множення (ділення) здійснювалося послідовними складаннями (відніманнями). При цьому функції людини і машини в процесі обчислень розподілялися таким чином: машина виконувала арифметичні операції над числами, людина управляла ходом обчислювального процесу, вводила в машину числа, записував результати (остаточні і проміжні), шукав по таблицях значення різних функцій, що входять в розрахунок. При такому розподілі ролей підвищення швидкості виконання машиною арифметичних операцій лише трохи збільшувало швидкість обчислень в цілому, оскільки процедури, що виконуються людиною, складали велику частину обчислювального процесу. Тому, не дивлячись на те, що технічна швидкість електричних обчислювальних машин в принципі допускала виконання до 1000 арифметичних операцій в 1 ч, практично швидкість обчислень складала не більше 1000 операцій протягом 8-вартового робочого дня.
Кроком вперед в розвитку техніки ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) було створення рахунково-перфораційних машин . В цих машинах всі «людські» функції, окрім пошуку по таблицях, покладалися, по суті, на машину. Правда, для введення вихідних даних їх необхідно було заздалегідь нанести на перфораційні карти . Ета операція виконувалася людиною окремо на спеціальному пристрої. У машину вводилася колода підготовлених перфокарт, і далі вже без втручання людини машина прочитувала ті, що містяться в них дані і виконувала всі необхідні обчислювальні операції. Проміжні результати обчислень записувалися в тих, що запам'ятовують регістри, остаточні друкувалися на папері (або виводилися на перфокарти, а потім спеціальний пристрій передруковував їх з перфокарт на папір). Що стосується управління обчислювальним процесом, то порядок дій рахунково-перфораційної машини задавався відповідною комутацією електричних зв'язків на комутаційній дошці. Т. о., в рахунково-перфораційних машинах в зачатковому вигляді вже містилися всі найважливіші елементи автоматичної ЦВМ(цифрова обчислювальна машина), що працює без участі людини, після того, як необхідна підготовка для виконання нею обчислювального процесу була закінчена. Рахунково-перфораційні машини мали арифметичний пристрій, пам'ять (у вигляді колоди перфокарт і регістрів для запам'ятовування проміжних результатів), пристрій введення (з перфокарт) і виведення даних. У цих машинах арифметичні операції виконувалися так само, як і в арифмометрах, за допомогою механічних переміщень, що вельми обмежувало їх швидкодія. Але найбільш «вузьким местомом» цих машин було управління обчислювальним процесом. Оскільки управління (завдання послідовності елементарних операцій) здійснювалося шляхом відповідних з'єднань різних клем комутаційної дошки за допомогою дротів, то лише нескладні послідовності обчислювальних операцій могли бути «закоммутіровани». Ці операції могли повторюватися багато разів, тому рахунково-перфораційні машини особливо широко застосовувалися в тих випадках, коли рішення задачі зводилося до повторення простих наборів операцій, наприклад при вирішенні завдань бухгалтерського обліку, простих завдань статистичного аналізу; найскладнішими для вирішення на рахунково-перфораційних машинах були звичайні лінійні диференціальні рівняння другого порядку.
До 70-м-коду рр. 20 ст рахунково-перфораційні машини практично повсюдно вийшли з вживання у зв'язку із заміною їх досконалішими і універсальними електронними ЦВМ(цифрова обчислювальна машина). Але в історичному плані значення рахунково-перфораційних машин полягало в тому, що їх вживання дозволило накопити досвід машинної обробки інформації і зрозуміти, що ж необхідно для створення автоматичних ЦВМ(цифрова обчислювальна машина). Автоматично ЦВМ(цифрова обчислювальна машина), що діє, незалежно від фізичного пристрою, повинна володіти наступними функціональними можливостями: виконувати операції (в т.ч. арифметичні) над величинами («словами»), заданими в цифровій формі; запам'ятовувати вихідну інформацію (вихідні дані і опис обчислювального алгоритму — програму) і результати обчислень; управляти обчислювальним процесом, тобто автоматично налаштовувати машину на виконання чергової операції відповідно до програми; «спілкуватися з людиною», тобто сприймати від нього вихідну інформацію і видавати потрібні йому результати обчислень. Зазвичай ці функції виконуються відповідними пристроями ( мал. 1 ). Проте можливо також і часткове поєднання функцій в одному пристрої, але у будь-якому випадку виконання всіх цих функцій — обов'язкова умова для автоматичної ЦВМ(цифрова обчислювальна машина). Кожна ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) повинна мати «цифрові елементи», що володіють кінцевим числом стійких станів; число таких станів має дорівнювати числу цифр тієї системи числення, яка прийнята в даній ЦВМ(цифрова обчислювальна машина). Так, в настольних механічних ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) (наприклад, арифмометрах) такими елементами служать т.з. цифрові колеса, що приймають десять певних положень (відповідно до десяткової системи числення). Електронні цифрові елементи найпростіше реалізуються з двома стійкими станами. Тому в електронних ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) переважна двійкова система числення, в якій є лише дві цифри: «0» і «1». Перехід на цю систему числення не лише полегшив представлення чисел, але і істотно спростив виконання операції над ними. Наприклад, цифровий елемент суматора в цьому випадку повинен володіти такими властивостями: змінювати стан на протилежне кожного разу під час вступу одиничного сигналу (відповідного збільшенню 1) і, якщо цифровий елемент був вже в змозі «1», одночасно із зміною свого стану посилати одиничний сигнал в цифровий елемент наступного, старшого розряду суматора. Дія множення зводиться до багатократних збільшень множеного і зрушень (ділення — до віднімання і зрушень). Істотно спрощуються в двійковій системі числення і логічні операції . Скільки-небудь складний обчислювальний алгоритм містить зазвичай розгалуження обчислювального процесу, повторення обчислювальних процедур, різні умови, що накладаються на точність обчислень, і багато ін. вказівки. Машина повинна «розуміти» ці вказівки і сама «приймати рішення» про своєчасне їх виконання; такі дії машини не є арифметичними, вони призначені для логічного аналізу ситуацій. Одна з найзвичайніших процедур машини: якщо має місце така-то ситуація, то слід виконати такий-то крок обчислювального алгоритму (команду програми), інакше потрібно перейти до реалізації деякій ін. команди. Включення до складу операцій обчислювальної машини окрім арифметичних ще і логічних привело до того, що можливості електронних ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) вийшли далеко за межі їх прямого призначення (арифметичних обчислень) і ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) стали універсальними перетворювачами дискретної інформації. А т.к. непреривная інформація практично завжди може бути апроксимована дискретною, то можна сказати, що сучасні електронні ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) є універсальними перетворювачами інформації будь-якого вигляду.
Перша електронна ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) — ЕНІАК була побудована в 1945 і вступила в буд в 1946 у США. При створенні перших електронних ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) не було необхідності винаходити нові елементи спеціально для них: такі елементи вже використовувалися в системах автоматичного управління і особливо в установках радіолокацій. Потрібно було лише пристосувати їх для використання в ЦВМ(цифрова обчислювальна машина). Цифровим елементом перших електронних машин був тригер, зібраний на електронних лампах (два тріод-пентодах ) . Вибір такого цифрового елементу привів до того, що перша електронна ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) містила велике число електронних ламп і була вельми ненадійною в роботі. Все ж саме з ЕНІАК почалася історія електронних ЦВМ(цифрова обчислювальна машина). Значення ЕНІАК в розвитку обчислювальної техніки визначається перш за все тим, що вона показала — завдання створення автоматичної ЦВМ(цифрова обчислювальна машина), що працює за заздалегідь заданою програмою, в принципі осуществіма, для чого необхідне лише її технологічне доопрацювання. З цієї миті в багатьох країнах почалися енергійні пошуки, направлені на створення надійних електронних цифрових елементів і розробку раціональних структур ЦВМ(цифрова обчислювальна машина).
Пошуковий етап в розвитку ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) закінчився на початок 50-х рр. створенням типової ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) 1-го покоління, в якій цифровим елементом оперативної пам'яті служить кільце феритовий сердечник з прямокутною петлею гістерезису, що володіє двома стійкими станами залишкової намагніченості, а основним елементом пристрою управління і арифметичного пристрою був тригер на електронних лампах. Надійність ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) 1-го покоління була значно вища, ніж в перших ЦВМ(цифрова обчислювальна машина); окрім заміни тригерів в пам'яті ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) феритовими сердечниками, підвищення надійності ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) — результат цілого ряду технологічного удосконаленні. Т. до. по чисто технологічних причинах створення швидкодіючого феритового пристрою великого об'єму, що запам'ятовує, в той період було нездійсненно, то в ЦВМ(цифрова обчислювальна машина), поряд з пристроями, що запам'ятовують, на феритових сердечниках, використовувалися (і використовуються до цих пір) відносно повільні периферійні або зовнішні пристрої, що запам'ятовують, на магнітних стрічках, магнітних дискахмагнітних барабанах, ємкість яких обмежується, взагалі кажучи, лише розмірами займаної ними площі. Безперервно зростаюча складність завдань, що вирішуються за допомогою ЦВМ(цифрова обчислювальна машина), вимагала ускладнення структури обчислювальних машин, збільшення числа електронних елементів, що супроводилося збільшенням габаритів лампових машин і споживаної ними потужності. Не дивлячись на технологічних удосконалення, електронна лампа залишалася самим ненадійним елементом ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) 1-го покоління; використання ламп стало гальмувати подальший розвиток техніки ЦВМ(цифрова обчислювальна машина).
В середині 50-х рр. в ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) на зміну електронним лампам прийшли напівпровідникові прилади — діоди і транзистори . Т. до. термін служби напівпровідникових приладів значно вищий, ніж в електронних ламп, то з переходом на нову елементну базу істотно підвищилася надійність ЦВМ(цифрова обчислювальна машина), помітно зменшилися і габарити машин. З впровадженням цифрових елементів на напівпровідникових приладах почалося створення ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) 2-го покоління.
Удосконалення обчислювальних машин було направлене на підвищення їх швидкодії ; в машин 1-го покоління швидкодія виросла від декількох сотень операцій в 1 сік до декількох десятків тис. операцій в 1 сік; перші транзисторні машини мали швидкодію порядка 5 тис. операцій в 1 сік і в процесі розвитку досягли рівня 10—15 млн. операцій в 1 сік (ЦВМ Cdc-7600, США).
Проте при тій організації обчислювального процесу, яка використовувалася в ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) 1-го покоління, подальше збільшення швидкодії вже практично не підвищувало продуктивності машин. У ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) вводили програму рішення деякої задачі і до закінчення рішення і виведення результатів обчислень не можна було вводити нове завдання. Але у всякому обчислювальному процесі окрім швидких операцій (наприклад, арифметичних або деяких логічних операцій), є і повільні операції, що виконуються механічними пристроями: прочитування вихідної інформації, вивід на друк результатів обчислень, пересилки інформації із зовнішньої пам'яті в оперативну і ін. У міру підвищення швидкодії повільні операції займали все велику частину загального часу роботи машини, тоді як «швидкі» пристрої машини (наприклад, арифметичний пристрій) простоювали і, т. о., удосконалення, що торкалися лише електронних елементів, не давали скільки-небудь помітного зростання продуктивності ЦВМ(цифрова обчислювальна машина). Тому в 60-х рр. сталася істотна зміна структури ЦВМ(цифрова обчислювальна машина), в результаті якого різні пристрої дістали можливість працювати незалежно один від одного по різних програмах. Це дозволило одночасно вирішувати на машині декілька завдань (див. Мультипрограмування ) . Наприклад, тоді як в ході вирішення одного із завдань здійснюється повільна операція (інколи вона триває декілька сік ) , арифметичний пристрій встигає вирішити не одну, а декілька завдань. Найбільш продуктивні з сучасних ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) одночасно можуть обробляти декілька десятків завдань. Роботою ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) і формуванням потоку завдань управляє особлива програма — операційна система. Мультипрограмний режим не прискорює рішення однієї певної задачі, але вельми істотно підвищує загальну продуктивність ЦВМ(цифрова обчислювальна машина).
Наступний етап в розвитку мультипрограмних режимів роботи — перехід до ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) колективного користування (див. Мережа обчислювальних центрів ) . Введення завдань в машину не обов'язково повинне вироблятися з одного пристрою введення, таких пристроїв може бути декілька, і розташовуватися вони можуть не в машинному залі, а безпосередньо у споживачів «машинних послуг», часто віддалених від ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) на значну відстань. За допомогою таких пристроїв (терміналів ) по лініям зв'язку (зазвичай телефонним) завдання вводять в машину, яка сама визначає їх черговість, час їх рішення. Результати рішення також по лініях зв'язку прямують на термінали, які повинні мати вивідні пристрої, друкуючий пристрій або дисплей (див. Відображення інформації пристрій ) .
Створення мультипрограмних машин привело до розвитку систем ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) колективного користування, об'єднуючих в єдине ціле декілька машин з різною продуктивністю і обслуговуючих одночасно десятки і сотні споживачів, розташованих не лише в різних містах, але незрідка в різних країнах. Таке використання ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) вимагало розширення їх функціональних можливостей і отже, ускладнення їх структури; напівпровідникова техніка вже не відповідала вимогам розвитку ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) як відносно габаритів і вжитку енергії, так і відносно їх технологічності і надійності.
На зміну ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) 2-го покоління в 60-х рр. прийшли машини 3-го покоління, побудовані на інтегральних мікросхемах (див. Інтегральна схема ) . В ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) 2-го покоління елементарний блок збирався з окремих деталей (діодів, транзисторів, конденсаторів, резисторів і т.п.), що сполучаються за допомогою паяння. Такі блоки, хоча і значно менших габаритів, чим лампові панелі машин 1-го покоління, все ж мали помітні розміри (до декількох десятків, інколи сотень см 3 ) , а місця паяння були джерелом частих відмов . Вживання в ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) інтегральних мікросхем дозволило підвищити насиченість блоків ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) без збільшення їх фізичних розмірів. Якщо перші інтегральні мікросхеми (ІС) замінювали один блок ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) 2-го покоління, то великі інтегральні мікросхеми (БІС) — декілька десятків таких блоків, і міра їх насичення (інтеграції) безперервно зростає. До електронних ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) 4-го покоління часто відносять машини, побудовані на біс. Проте така класифікація навряд чи обгрунтована, т.к. нет чіткого кордону між «звичайними» інтегральними мікросхемами і «середніми», між «середніми» і «великими», між «великими» і «надвеликими». Значно важливіший чинник в розвитку електронних ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) — зміна основних елементів оперативної пам'яті. Якщо ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) 1-го, 2-го і 3-го поколінь мають в своєму складі пристрої, що запам'ятовують, на феритових сердечниках, то в ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) 4-го покоління як елементи пам'яті знаходять вживання напівпровідникові прилади, що виготовляються за технологією, аналогічною технологією виготовлення інтегральних мікросхем. Зразки такої пам'яті невеликого об'єму створювалися і використовувалися (начло 70-х рр.) як «надшвидкодіюча пам'ять»; в середині 70-х рр. намітилася тенденція створення оперативної пам'яті на напівпровідниках і використання феритових пристроїв, що запам'ятовують, як додаткова «повільна» пам'ять.
Для 70-х рр. вельми характерне явище «поляризації» в техніку ЦВМ(цифрова обчислювальна машина): з одного боку, вживання обчислювальних систем колективного користування приводить до створення надпотужних машин з швидкодією порядка декілька десятків млн. операцій в секунду і з дуже великими об'ємами оперативної пам'яті; з ін. сторони, для індивідуального використання, а також для управління технологічними процесами і обробки експериментальних даних в дослідницьких лабораторіях створюються малі ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) (або міні-ЦВМ, мінікомп'ютери) — малогабаритні машини (включаючи настольниє) з середньою швидкодією. МІНІ-ЦВМ, сполучені лініями зв'язки з потужними обчислювальними системами колективного користування, можуть застосовуватися як термінали. Приставка «міні» відноситься головним чином до розмірів машин, т. до., наприклад, по продуктивності малі ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) незрідка перевершують найпотужніші машини 1-го покоління. Намітилася також тенденція до скорочення випуску машин середньої потужності, оскільки міні-ЦВМ можуть забезпечити вирішення більшої частини завдань індивідуального споживача, а для вирішення складних завдань вигідно звернутися до обчислювальних систем колективного користування. В кінці 60 — початку 70-х рр. надпотужні ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) стають мультипроцесорними, тобто в одній такій машині зосереджується декілька процесорів, що функціонують одночасно (паралельно). Перевага мультипроцесорних систем для одночасного вирішення багатьох завдань очевидно, але наявність в одній обчислювальній системі декількох процесорів в принципі дозволяє розчленувати також і процес рішення однієї задачі, оскільки кожен реальний обчислювальний алгоритм містить ряд гілок, виконання яких може проводитися незалежно один від одного, що дає вельми велике скорочення часу рішення задачі. Мультипроцесорні ЦВМ(цифрова обчислювальна машина), технологічною основою яких є БІС, слідує, мабуть, віднести до машин 4-го покоління.
ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) знаходять все більше вживання в різних сферах людської діяльності. Найважливіші області їх використання (кінець 70-х рр.): науково-технічні розрахунки, в основі яких лежать математичні методи; автоматизація проектування технічних об'єктів; економічні розрахунки (економіко-статистичний аналіз, демографічна статистика, планерування, дослідження операцій, бухгалтерський і матеріальний облік); інформаційно-довідкова служба (науково-технічна інформація, бібліотечна диспетчерська служба і др.); математичне моделювання в «описових» науках — біології, медицині, геології, соціології і др.; автоматичне управління технологічними процесами, транспортними засобами, а також складними експериментальними установками.
Літ.: Китів А. І., Крініцкий Н. А., Електронні цифрові машини і програмування, 2 видавництва, М., 1961; Мультипроцесорні обчислювальні системи, під ред. Я. А. Хетагурова, М. 1971; Каган Би. М., Канівський М. М., Цифрові обчислювальні машини і системи, 2 видавництва, М., 1973; Бардіж Ст Ст, Магнітні елементи цифрових обчислювальних машин, 2 видавництва, М., 1974; Апокин І. А., Майстров Л. Е., Розвиток обчислювальних машин, М., 1974; Преснухин Л. Н., Нестеров П. Ст, Цифрові обчислювальні машини, М., 1974; Королев Л. Н., Структури ЕОМ(електронна обчислювальна машина) і їх математичне забезпечення, М., 1974.
