Назначение сфера применения и принципы устройства АВМ, ЦВМ и ГВМ.

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

В введении определяется решаемая проблема, задача, тема. Такое начало сразу вводит потребителя информации в атмосферу того существенного, что дано в реферате.

Вводная часть включает в себя:

обоснование актуальности темы реферата;

постановку целей и формулировку задач, которые автор ставил перед собой;

краткий обзор и анализ источниковедческой базы, изученной литературы, других источников информации.

В реферате излагают материал кратко и точно. Умение отделять основную информацию от второстепенной – одно из основных требований к реферирующему..

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Основная часть раскрывает общие положения выбранной темы. Обязательным являются не только подбор, структурирование, изложение и критический анализ материала по теме, но и выявление собственного мнения учащегося, сформированного в процессе работы над темой. Основная часть может быть разбита на разделы, параграфы.

Классификация ЭВМ по принципу действия

Электронная вычислительная машина, компьютер - комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса: аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ).

При работе аналоговый компьютер имитирует процесс вычисления, при этом характеристики, представляющие цифровые данные, в ходе времени постоянно меняются. ... В ряде случаев с помощью аналоговых компьютеров возможно решать задачи, меньше заботясь о точности вычислений, чем при написании программы для цифровой ЭВМ.

рисунок 1 АВМ

Аналоговая вычислительная машина (АВМ), вычислительная машина, в которой каждому мгновенному значению переменной величины, участвующей в исходных соотношениях, ставится в соответствие мгновенное значение другой (машинной) величины, часто отличающейся от исходной физической природой и масштабным коэффициентом. Каждой элементарной математической операции над машинными величинами, как правило, соответствует некоторый физический закон, устанавливающий математические зависимости между физическими величинами на выходе и входе решающего элемента (например, законы Ома и Кирхгофа для электрических цепей, выражение для эффекта Холла, лоренцовой силы и т. д.).

АВМ состоят из некоторого числа решающих элементов, которые по характеру выполняемых математических операций делятся на линейные, нелинейные и логические. Линейные решающие элементы выполняют операции суммирования, интегрирования, перемены знака, умножения на постоянную величину и др. Нелинейные (функциональные преобразователи) воспроизводят нелинейные зависимости. Различают решающие элементы, предназначенные для воспроизведения заданной функции от одного, двух и большего числа аргументов. Из этого класса обычно выделяют устройства для воспроизведения разрывных функций одного аргумента (типичные нелинейности) и множительно-делительные устройства (см. Перемножающее устройство). К логическим решающим элементам относятся устройства непрерывной логики, например предназначенные для выделения наибольшей или наименьшей из нескольких величин, а также устройства дискретной логики, релейные переключающие схемы и некоторые др. специальные блоки. Для связи устройств непрерывной и дискретной логики широко пользуются гибридными логическими устройствами (например, компараторами). Все логические устройства обычно объединяются в одном, получившем название устройства параллельной логики. Оно снабжается своим наборным полем для соединения отдельных логических устройств между собой и с остальными решающими элементами АВМ.

  В зависимости от физической природы машинных величин различают механические, пневматические, гидравлические, электромеханические и электронные АВМ. Наиболее распространены электронные АВМ, отличающиеся значительно более широкой полосой пропускания, удобством сопряжения нескольких машин между собой и с элементами аппаратуры управления. Эти машины собираются из готовых радиотехнических узлов и полуфабрикатов. Решающие элементы АВМ строятся в основном на базе многокаскадных электронных усилителей постоянного тока с большим коэффициентом усиления в разомкнутом состоянии и глубокой отрицательной обратной связью. В зависимости от структуры и характера входной цепи и цепи обратной связи операционный усилитель выполняет линейную или нелинейную математическую операцию или комбинацию этих операций.

  Вследствие неидеальности работы отдельных решающих элементов, неточности установки их коэффициентов передачи и начальных условий, решение, найденное с помощью АВМ, имеет погрешности. Результирующая погрешность зависит не только от перечисленных первичных источников, но и от характера и особенностей решаемой задачи. Как правило, погрешность увеличивается с ростом числа решающих (особенно нелинейных) элементов, включенных последовательно. Практически можно считать, что погрешность при исследовании устойчивых нелинейных систем автоматического управления не превышает нескольких %, если порядок набираемой системы дифференциальных уравнений не выше 10-го.

  По структуре различают АВМ с ручным и с автоматическим программным управлением. В первом случае решающие элементы перед началом решения соединяются между собой в соответствии с последовательностью выполнения математических операций, задаваемых исходной задачей. В машинах с программным управлением последовательность выполнения отдельных математических операций меняется в процессе решения задачи в соответствии с заданным алгоритмом решения. Изменение в ходе решения порядка выполнения отдельных операций обусловливает прерывистый характер работы машины: период решения сменяется периодом останова (для выполнения требуемых коммутаций). При таком режиме АВМ должна снабжаться аналоговым запоминающим устройством.

  Наличие памяти и дискретность характера работы машины дают возможность организовать многократное использование отдельных решающих элементов и тем сократить их число, не ограничивая класса решаемых задач, правда, за счёт снижения быстродействия.

  Значительный интерес представляют машины: с большой частотой повторения решения (30—1000 гц) в связи с созданием систем автоматического управления, а также с необходимостью организации поиска оптимальных в некотором смысле структур и параметров систем управления.

  Повышение эффективности АВМ связано с внедрением в аналоговую технику цифровых методов, в частности цифровых дифференциальных анализаторов, у которых отдельные решающие элементы выполняют математические операции над приращениями переменных, представленных в одном из цифровых кодов, с передачей результатов от элемента к элементу по принципам АВМ. Применение цифровых дифференциальных анализаторов, особенно последовательных, для специальных АВМ, не требующих высокого быстродействия, снижает общий объём аппаратуры, хотя в остальных случаях они по всем техническим показателям и возможностям существенно уступают цифровым вычислительным машинам. Гораздо большими возможностями обладают гибридные вычислительные системы, у которых исходные величины представлены одновременно в цифровой и аналоговой форме.

Цифровая вычислительная машина (ЦВМ), вычислительная машина, преобразующая величины, представленные в виде набора цифр (чисел). Простейшие преобразования чисел, известные с древнейших времён, — это арифметические действия (сложение и вычитание). Но арифметические операции — лишь частный случай преобразований величин, заданных в цифровой форме, и в современных ЦВМ они составляют лишь небольшую часть всего набора операций, которые машина выполняет над числами.

  Первыми устройствами для простейших вычислений служили абаки и счёты: с их помощью выполняли арифметические операции — сложение и вычитание (см. Вычислительная техника). Эти инструменты избавляли человека от необходимости помнить таблицу сложения и записывать промежуточные результаты вычислений, т.к. в те времена бумага (или её аналог) и пишущие инструменты были редкостью. Важным шагом в развитии вычислительных устройств явилось изобретение Б. Паскалем суммирующей машины (1641, по др. данным — 1643). В машинах Паскаля каждой цифре соответствовало определённое положение разрядного колеса, разделённого на 10 секторов. Сложение в такой машине осуществлялось поворотом колеса на соответствующее число секторов. Идея использовать вращение колеса для выполнения операции сложения (и вычитания) предлагалась и до Паскаля (например, профессором Тюбингенского университета В. Шиккардом, 1623), но важнейшим элементом в машинах Паскаля был автоматический перенос единицы в следующий, высший разряд при полном обороте колеса предыдущего разряда (так же, как при обычном сложении десятичных чисел в старший разряд числа переносят десятки, образовавшиеся в результате сложения единиц, сотни — от сложения десятков и т.д.). Именно это давало возможность складывать многозначные числа без вмешательства человека в работу механизма. Этот принцип использовался в течение почти трёхсот лет (середина 17 — начало 20 вв.) при построении арифмометров (приводимых в действие от руки) и электрических клавишных вычислительных машин (с приводом от электродвигателя).

  Первые вычислительные машины выполняли следующие элементарные операции: сложение и вычитание, перенос единицы в следующий разряд при сложении (или изъятие единицы при вычитании), сдвиг (перемещение каретки вручную в арифмометрах, автоматически в электрических машинах), умножение (деление) осуществлялось последовательными сложениями (вычитаниями). При этом функции человека и машины в процессе вычислений распределялись следующим образом: машина выполняла арифметические операции над числами, человек управлял ходом вычислительного процесса, вводил в машину числа, записывал результаты (окончательные и промежуточные), искал по таблицам значения различных функций, входящих в расчёт. При таком распределении ролей повышение скорости выполнения машиной арифметических операций лишь незначительно увеличивало скорость вычислений в целом, поскольку процедуры, выполняемые человеком, составляли большую часть вычислительного процесса. Поэтому, несмотря на то, что техническая скорость электрических вычислительных машин в принципе допускала выполнение до 1000 арифметических операций в 1 ч, практически скорость вычислений составляла не более 1000 операций в течение 8-часового рабочего дня.

рисунок 2 ЦВМ

ГИБРИДНАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ МАШИНА

— вычислительная машина, в которой сочетается ряд особенностей цифровых и аналоговых вычислительных устройств. Идея создания Г. в. м. связана со стремлением преодолеть недостатки, свойственные аналоговым и цифровым вычислительным машинам (ЦВМ), и объединить их достоинства: быстродействие параллельно работающих устр-в аналоговых вычислительных машин (АВМ) и их способность решать целые классы задач неалгоритмическим путем с высокой точностью ЦВМ и их возможностями выполнять различные функциональные операции, к которым относятся вычисления в соответствии с заданной последовательностью выполнения операций, логические решения и итерационные вычисления.

Первые попытки сочетать свойства АВМ и ЦВМ были вызваны чрезвычайной сложностью проблем, возникших при моделировании в реальном масштабе времени таких задач, как полет космических аппаратов и управление производственными процессами. Возможности чисто аналоговых и чисто цифровых машин для решения таких задач оказались недостаточными. Это привело к их объединению в один вычисл. комплекс с помощью аналого-цифрового преобразователя и цифро-аналогового преобразователя информации. ЦВМ в таких комплексах производит ту часть вычислений, выполнение которых с ее помощью наиболее целесообразно: точное преобразование координат, вычисление параметров траектории, моделирование цифровой аппаратуры управления. АВМ же используется для моделирования динамики объекта и управляющих воздействий, где требуется большое быстродействие и где допустима меньшая точность. Вопрос оптим. распределения вычисл. работ между аналоговой и цифровой частями Г. в. м. является чрезвычайно важным, так как в случае неправильного его решения в большой гибридной модели проявляются и отрицательные свойства вычисл. машин обоих типов. Ошибки и трудности, связанные с набором задачи, дополняют осложнения, связанные с конечностью темпа выборки в устр-ве аналого-цифрового преобразования, или с запаздыванием, определяемым временем выполнения вычислений в ЦВМ. Поэтому основными среди Г. в. м. являются машины, спроектированные именно в виде единой гибридной системы. В таких системах, содержащих достаточно мощные аналоговые и цифровые части, целесообразно, чтобы общая программа совместной работы аналоговой и цифровой части предусматривала осн. затраты времени на проверку и подготовку их к работе отдельно друг от друга. Кроме того, необходимо, чтобы в этих системах была предусмотрена возможность независимого использования аналоговой и цифровой частей. Так, при подготовке аналоговой части системы цифровая часть этой системы должна быть занята решением других задач до того момента, когда потребуется ее участие в решении общей задачи. Для эффективного использования таких машин требуется высокая квалификация обслуживающего персонала и хорошо разработанная система матем. обеспечения. При решении задач оптимизации, статистической обработки и др. необходимы отработанные стандартные программы управления комплексом.

Опыт, накопленный в области гибридного аналого-цифрового моделирования, позволил определить путь создания другого типа Г. в. м. Для задач, при решении которых можно ограничиться умеренной точностью вычислений, использование аналоговых подпрограмм в составе программы, выполняемой цифровым автоматом, приводит к значительной экономии машинного времени и снижению требований к объему оперативной памяти. К такому же результату приводит и замена в некоторых специализированных ЦВМ медленно выполняемой чисто цифровой программы умножения обращением к гибридному цифро-аналого-цифровому устр-ву, реализующему операцию умножения. Более существенную экономию времени дает применение аналоговых арифметических блоков, управляемых цифровым способом, в которых выполняются аналоговые операции умножения и сложения. Аналоговое устр-во, оформленное в виде подпрограммы, которое либо вычисляет значения ф-ций либо решает алгебр, или дифф. ур-ния, позволяет отказаться от использования многих команд и от наличия дополнительного цифрового запоминающего устройства с малым циклом обращения.

рисунок 3 ГВМ

Очень эффективным является применение аналоговых подпрограмм при итеративном решении ур-ний в частных производных. Схема возможной гибридной системы для решения двумерных ур-ний в частных производных с нелинейным членом приведена на рис. 1, где ПФП — переключаемый функциональный преобразователь, АЦП и ЦАП — аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи. В схеме в качестве аналоговой части взята резисторная сетка Гершгорина, являющаяся моделью ур-ний Лапласа и Пуассона.

рисунок 4 Схема

1. Схема гибридной системы для решения двумерных уравнений в частных производных с нелинейным членом.

2. Схема гибридной вычислительной машины для решения обыкновенных дифференциальных уравнений.

3. Схема обратимого точечного интегратора первого порядка.

4. Схема классификации гибридных вычислительных машин.

Ввод токов в узлы сетки полностью автоматизирован путем присоединения ее через запоминающие источники к управляющему цифровому автомату (ЦА).

Весьма перспективно построение Г. в. м. для решения обыкновенных дифф. ур-ний с краевыми условиями по схеме, приведенной на рис. 2. Использование в ней аналоговой части, построенной на базе обратимых точечных интеграторов, позволяет реализовать краевые условия непосредственно в самих интеграторах. Точечным интегратором  порядка одномерной ф-ции  на отрезке  модель ур-ния , в котором  задаваемая,  получаемая ф-ция, h — шаг дискретизации. Одна из возможных схем обратимого точечного интегратора первого порядка изображена на рис. 3. Обратимым он является потому, что все его полюсы являются равноправными в том смысле, что на каждом из них величины в виде напряжений можно и задавать и получать. В Г. в. м., изображенной на рис. 2, все нелинейные зависимости реализуются в управляющем ЦА. Точечные интеграторы (ТИ) играют в ней роль дискретного квазианалога системы ур-ний  на заданном отрезке . Краевые условия вводятся в схемы интеграторов непосредственно. Роль ЦА сводится к образованию при помощи кодов Q требуемой схемы из интеграторов и к уравновешиванию вычисл. системы так, чтобы точечное изображение вектора  соответствовало решаемой системе дифф. ур-ний (см. Уравновешивания методы).

Классификация Г. в. м. может быть проведена по схеме, приведенной на рис. 4. Существует несколько осн. типов таких машин. Аналоговые машины с цифровым управлением и цифровой логикой способны воспроизводить гораздо более сложные модели по сравнению со стандартными АВМ, сохраняя их положительные качества, в частности, возможность для исследователя активно вмешиваться в процесс поиска решения. На этих машинах могут автоматически выполняться последовательные решения, а результаты, полученные в предыдущих решениях, могут запоминаться и использоваться при выполнении последующих решений. Это дает возможность реализовать итеративный процесс решения, сходящийся к искомому результату, итеративный процесс оптимизации параметров и т. п. Первый удачный пример этого типа гибридизации представляет собой система «HYDAC» фирмы Electronic Associates (США).К машинам такого типа относятся и отечественные Г. в. м. «Аркус» и «Экстрема».

Существуют АВМ с ЦВМ в качестве периферийного оборудования. В таких системах небольшая цифровая машина используется вместе с большой аналоговой системой для решения спец. задач, решить которые было бы трудно или вовсе невозможно с помощью чисто аналоговой аппаратуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Заключение содержит подведение итогов работы, чёткие выводы, анализ степени выполнения поставленных во введении задач.

В заключение можно сделать следующие выводы:

С разработкой первых ЭВМ принято связывать возникновение информатики как науки, начало ее истории. Для такой привязки имеется несколько причин. Во-первых, сам термин «информатика» появился благодаря развитию вычислительной техники, и поначалу под ним понималась наука о вычислениях (первые ЭВМ большей частью использовались для проведения числовых расчетов). Во-вторых, выделению информатики в отдельную науку способствовало такое важное свойство современной вычислительной техники, как единая форма представления обрабатываемой и хранимой информации. Вся информация, вне зависимости от ее вида, хранится и обрабатывается на ЭВМ в двоичной форме. Так получилось, что компьютер в одной системе объединил хранение и обработку числовой, текстовой (символьной) и аудиовизуальной (звук, изображение) информации. В этом состояла инициирующая роль вычислительной техники при возникновении и оформлении новой науки.

На сегодняшний день информатика представляет собой комплексную научно-техническую дисциплину. Под этим названием объединен довольно обширный комплекс наук, таких, как кибернетика, системотехника, программирование, моделирование и др. Каждая из них занимается изучением одного из аспектов понятия информатики. Учеными прилагаются интенсивные усилия по сближению наук, составляющих информатику. Однако процесс их сближения идет довольно медленно, и создание единой и всеохватывающей науки об информации представляется делом будущего.