электронными устройствами, состоящими из сотен тысяч элементов. Быстродействие больших цифровых вычислительных машин достигает десятков и сотен миллионов операций в секунду. Память современных ЦВМ способна хранить миллионы единиц информации. Большинство ЦВМ являются алгоритмически универсальными средствами переработки информации, с помощью которых решаются сложные матем. и информационно-логические задачи, создаются различные автоматизированные системы управления, моделируются сложные процессы и явления и т. п. (Илл. между с. 464—465).
Первое механическое устройство, предназначенное для выполнения арифм. операций, было создано в начале 17 ст., однако бурное развитие средств дискретной вычислительной техники началось лишь в конце 40-х годов 20 ст., когда для создания элементов цифровых машин начали использовать электронные лампы.
Идея создания ЦВМ принадлежит англ. математику Ч. Беббиджу (1792—1871), который, построив несколько моделей мех. полуавтоматических машин, в 1833 спроектировал универсальную автомат, вычисл. машину, назвав ее «аналитической машиной». Однако ввиду низкого уровня техники этот проект не был реализован.
В 1944 в США была создана релейная ЦВМ «Mark-1», в 1945 — первая электронная ЦВМ «ENIAC», а в конце 40-х годов ЭЦВМ начинают разрабатывать также в СССР (см. «МЭСМ») и в Англии. В 50-х годах в схемах ЦВМ начали использовать транзисторы, которые к началу 60-х годов почти полностью вытеснили из вычисл. техники электронные лампы.
Середина 60-х годов является временем внедрения в ЦВМ интегральных схем; в 1965 было выпущено семейство вычисл. систем «IBM-360» на интегральных схемах. Прогресс электроники шел по пути все большей интеграции электронных схем: были созданы большие интегральные схемы БИС’ы (см. Микроэлектронная элементная база вычислительной техники), и в 1970 создаются машины, элементной базой которых являются БИСы.
В процессе развития (к 1974) ЦВМ прошли 5 стадий, в соответствии с этим и сами машины принято делить на поколения — от нулевого до четвертого (см. Вычислительная машина). В основу периодизации развития ЦВМ положена их элементная база (реле и электронные лампы — у машин 0-го и 1-го поколений, полупроводниковые элементы — у 2-го, интегральные схемы — у 3-го, большие интегральные схемы — у 4-го поколения машин). Развитие элементной базы открывало новые возможности по совершенствованию алгоритмической и логической структуры ЦВМ. Во 2-й половине 60-х годов начали выпускать многопроцессорные машины — вычислительные системы, а в конце 60-х появились гигантские высокопроизводительные вычисл. системы, способные выполнять несколько десятков миллионов операций в 1 сек (см. «CDC-7600»).
Типовая схема современной ЦВМ (рис.) содержит следующие осн. устройства: запоминающее устройство (ЗУ), предназначенное для хранения программы вычислений, исходных данных, а также промежуточных и окончательных результатов решения задачи; арифметическое устройство (АУ), преобразующее информацию; устройства ввода, обеспечивающие ввод и запись исходной информации в память ЦВМ; устройства вывода, предназначенные для выдачи результатов решения задачи (см. Устройства ввода—вывода данных ЦВМ, общий вид этих устр-в см. на илл. между с. 176-177 1-го тома); устройство управления ЦВМ (УУ), синхронизирующее работу всех устройств в процессе выполнения программы.
Упрощенная функциональная схема ЦВМ.
Кроме того, ЦВМ, как правило, содержит еще мультиплексные и селекторные каналы,
связывающие память машины, УУ и внешние устройства (см. Устройство обмена ЦВМ).
Информация в ЦВМ (буквы, цифры, спец. знаки) представляется в большинстве случаев в двоично кодированном виде, а числа — в двоичной системе счисления. Это связано прежде всего с наличием надежных, экономичных и быстродействующих элементов с двумя устойчивыми состояниями. Кроме того, в двоичной системе счисления технически просто реализуется выполнение операций. В устройствах ввода — вывода информации используется двоично-восьмеричная, двоично-десятичная и др. системы счисления. В некоторых ЦВМ {напр., «МИР») двоично-десятичная система применяется в качестве основной при выполнении арифм. операций. Единицей информации, с которой оперирует машина, в ЦВМ является машинное слово. Им может быть команда, число или группа буквенно-цифровых знаков. Число двоичных разрядов, отводимых под машинное слово, обычно составляет несколько десятков разрядов. В некоторых машинах длина слова является переменной и измеряется числом байтов (8 двоичных разрядов).
В ЦВМ используются две формы представления двоичных чисел: с фиксированной и с плавающей запятой. Представление чисел в форме с фиксированной запятой позволяет при простой структуре АУ получить высокое быстродействие ЦВМ. Однако для ЦВМ с фиксированной запятой усложняется процесс программирования в связи с необходимостью введения масштабных коэффициентов для исключения возможности перевыполнения разрядной сетки. Применение чисел в форме с плавающей запятой увеличивает время выполнения арифм. операций и усложняет АУ, но программирование в этом случае значительно проще ввиду того, что, как правило, нет процедуры масштабирования.
Каждая ЦВМ выполняет определенный набор операций. Система операций ЦВМ должна быть, как правило, алгоритмически полной и обеспечивать простое и экономное программирование. Операции, выполняемые ЦВМ, условно разделяются на арифметические, логические, операции управления, ввода — вывода и др. Обычно в ЦВМ используется от нескольких десятков до нескольких сотен различных операций в соответствии с выбранной команд системой.
В современных ЦВМ обычно используют командно-адресный принцип управления. Машинная команда содержит информацию об операции, которую необходимо произвести на данном шаге выполнения программы (код операции), а также информацию об операндах. Операнды в команде чаще всего задаются их адресами, однако, могут быть заданы и непосредственно. Во многих случаях адрес в команде является адресом не самого операнда, а адресом поля в памяти, содержащим адрес операнда (т. н. косвенная адресация). Распространена и относительная адресация операндов, которая заключается в том, что для нахождения адреса операнда адрес, содержащийся в команде, складывается с некоторым базовым адресом.
В ЦВМ наиболее распространены одно-, двух- и трехадресные команды. По емкости памяти, необходимой для хранения программ, и по времени выполнения программ эти типы команд приблизительно одинаковы. Для повышения эффективности решения задач разных классов в некоторых ЦВМ используются команды с переменным числом адресов («IВМ-360», «Днепр-21»). В ЦВМ с магазинной (стековой) памятью применяются нуль-адресные, а при использовании ассоциативного ЗУ — безадресные команды.
Для обеспечения большой производительности ЦВМ и расширения класса решаемых на них задач память машины должна иметь большую емкость и малое время обращения (при большой надежности работы и малой стоимости). Однако построить одно ЗУ, которое удовлетворяло бы всем перечисленным требованиям, не представляется возможным. Поэтому современные ЦВМ имеют иерархическую (многоуровневую) систему памяти. Основой этой иерархии является компромисс между емкостью ЗУ и его быстродействием. Каждый уровень памяти характеризуется емкостью ЗУ, временем обращения к запоминающему устройству и стоимостью, причем с увеличением быстродействия увеличивается стоимость и уменьшается емкость ЗУ. Чаще всего в ЦВМ применяют следующие уровни памяти: регистры, сверхоперативные ЗУ (СОЗУ), оперативные ЗУ (ОЗУ) и внешние ЗУ (ВЗУ). Структура памяти и характеристика ЗУ различных уровней определяется классом цифровых вычислительных машин.
Вычислительная мощность (производительность) ЦВМ определяется в основном их быстродействием и объемом памяти. Существует несколько методов определения быстродействия ЦВМ, напр., за быстродействие принимают величину, обратную средневзвешенному времени выполнения одной операции. Для определения быстродействия операциям присваиваются веса в соответствии с относительной частотой употребления их в некотором выбранном классе задач, наиболее типичном для данных ЦВМ. Такое быстродействие, имеющее размерность «операций/сев», наз. номинальным. Оно лишь частично определяет эффективное быстродействие машины, которое, кроме того, зависит и от способа организации обмена информацией между ОЗУ, ВЗУ и внешними устройствами, и от качества операционной системы. Вычислительная мощность цифровых вычислительных машин зависит и от объемов ЗУ на каждом из уровней иерархии памяти.
Процесс выполнения одной типовой трехадресной команды с прямой адресацией (напр., команды сложения двух чисел) можно проследить по схеме, приведенной на рис. Рассмотрение процесса начинается с того момента, когда на спец. регистре УУ — счетчике команд С К находится адрес очередной команды программы. Блок управления операциями
БУО формирует управляющие импульсы 
которые определяют последовательность микроопераций, обеспечивающую выполнение команды. По сигналу 
адрес ячейки, в которой хранится очередная команда программы, передается в блок поиска информации БПИ, который вызывает команду из ОЗУ в блок воспроизведения информации БВИ. По сигналу 
команда заносится в регистр команд РК. По сигналу 
код операции передается в БУО, и в соответствии с этим кодом БУО формирует дальнейшую последовательность управляющих сигналов 
По сигналу 
адрес 
передается в ОЗУ и из ячейки с этим адресом выбирается 1-й операнд, который по сигналу 
переписывается в операционный блок ОБ АУ. Аналогично 2-й операнд выбирается из ОЗУ по адресу 
и засылается по сигналу У, в ОБ АУ. Последующие сигналы 
поступают в блок местного управления БМУ АУ, который вырабатывает сигналы 
управляющие процессом выполнения операции в ОБ. Кроме того, БМУ формирует в случае переполнения сигнал 
сигнал окончания операции 
и сигнал Па, который вырабатывается при выполнении некоторых условий, напр., при получении отрицательного результата, равенстве двух чисел и т. п. Сигналы 
Па и 
подаются в БУО УУ и используются при формировании управляющих сигналов 
После окончания выполнения операции в АУ по сигналу 
результат передается в блок записи информации БЗИ ОЗУ; по сигналу 
адрес А 3 передается в БПИ ОЗУ, и результат операции записывается в память. Сигнал 
увеличивает содержание СК на единицу, подготавливая выборку очередной команды программы.
По назначению ЦВМ делят на вычисл. машины общего назначения (универсальные) и специализированные. Первые предназначены для решения широкого класса задач, они имеют разветвленную систему операций, иерархическую структуру ЗУ и развитую систему ввода — вывода информации. Специализированные ЦВМ предназначены для решения узкого круга задач. Характеристики специализированных ЦВМ и их структура определяются спецификой решаемых задач и поэтому эти ЦВМ решают такие задачи более эффективно, чем машины общего назначения. Специализированные ЦВМ широко применяются в качестве основного звена автоматизированных систем управления (АСУ) и обеспечивают управление по заданным алгоритмам различными объектами и процессами (см. Управляющая вычислительная машина, Специализированная вычислительная машина).
По вычислительной мощности ЦВМ условно делят на малые, средние и большие. Малые ЦВМ имеют сравнительно невысокое номинальное быстродействие (сотни—тысячи операций в секунду) и объем ОЗУ порядка десятков тысяч байт («МИР», «Наири») и предназначены главным образом, для инженерных расчетов и для работы в составе многомашинных вычисл. систем. ЦВМ средней мощности имеют быстродействие порядка нескольких десятков тысяч операций в 1 сек, емкость ОЗУ — десятки тысяч, а ВЗУ — миллионы байтов (ЦВМ семейств «Урал», «Минск», «Раздам). Быстродействие ЦВМ большой мощности достигает сотен тысяч — миллионов операций в 1 сек, емкость ОЗУ у них — до миллиона, а ВЗУ — десятки миллионов байтов («БЭСМ-6», «CDC-7600»).
Лит.: Китов А. И., Криницкий Н. А. Электронные цифровые машины и программирование. М., 1961 [библиогр. с. 567—568]; Папернов А. А. Логические основы цифровых машин и программирования. М., 1968 [библиогр. с. 583—585]; Современное состояние и особенности развития вычислительной техники за рубежом. К., 1968; Грубов В. П., Кирдан В. С. Электронные вычислительные машины и моделирующие устройства. Справочник. К., 1969 [библиогр. с. 179—181].
Ю. А. Вузупов, Е. Н. Вавилов, П. В. Походзило.
