Аналоговый компьютер своими руками

Аналоговый компьютер: описание, принцип действия, возможности

Сейчас почти в каждом доме стоит компьютер для работы, учебы, развлечений или всего сразу. Современный ПК появился благодаря электронно-вычислительной машине, поэтому под ЭВМ часто подразумевают старую версию компьютера. Но мало кто знает о существовании АВМ.

Понятие

АВМ — это аналоговый компьютер, являющийся неким прообразом вычислительной машины. Он работает с числовыми данными, которые разрабатываются благодаря аналоговым физическим параметрам. Сюда можно отнести показатели скорости, длины, силы, давления и пр.

Помимо алгоритмов работы аналоговый компьютер отличается от ЭВМ тем, что лишен программы управления. То есть нет специальных команд, которые бы помогали ему справляться с задачами. В этом случае задание ставится перед машиной самим внутренним устройством и установленными настройками.

Начало истории

Прежде чем появился самый первый компьютер в мире, устройству пришлось пройти сложный путь. Считается, что аналоговый аппарат, который дал развитие подобным устройствам, впервые был разработан в 100 году до нашей эры. Антикитерский механизм нашли спустя 2 тысячи лет. Прибор получил свое название благодаря месту, где был найден — остров Антикитера.

Также довольно популярным считается астролябия. Это изобретение было известным в научных кругах среди астрологов и астрономов еще до нашей эры, помогало определять местоположение звезд на небе и разбираться в длительности суток.

Активные разработки

С XVII века начинается активная разработка аналоговых устройств. Так появляется логарифмическая линейка, которую, хотя и не назовешь компьютером, все же можно отнести к аналоговому вычислительному прибору.

Буквально через 20 лет появляется «паскалина», а после машина Морленда. В XIX веке изобретен планиметр, который помогал в то время находить площадь кривой. Позже — интегратор, который не похож на аналоговый компьютер, все же является прибором, легко высчитывающим интегралы.

В XX веке активной разработкой начали заниматься российские ученые. Например, Алексей Крылов придумал прибор, который помогал решать дифференциальные уравнения. Позже это изобретение использовали для проектирования кораблей.

Спустя 8 лет было создано оборудование на основе того, что придумал Крылов, но занимающиеся интегрированием дифференциальных уравнений. Вскоре появляется механическое интегрирующее изобретение и электродинамический счетно-аналитический прибор.

Механическая АВМ стала известна благодаря Конраду Цузе, который создал Z1. С появлением усилителя АВМ, не имеющие движущихся частей, начали работать на постоянном токе.

СССР также занималась разработками. Поэтому уже в 1949 году были выпущены АВМ на постоянном токе. Тут же появляется первый нейрокомпьютер-перцептрон. Все эти изобретения привели к тому, что в 60-е годы XX века аналоговые компьютеры стали главным помощником ученых по всему миру.

Работа устройства

Непросто точно определить, когда же появился самый первый компьютер в мире. В этом случае чаще всего вспоминают IBM, разработанный в Гарварде в 1941 году. А вот на этот счет об АВМ никакой подобной информации нет. Но сейчас это уже не так важно. Намного интереснее принцип действия.

Аналоговый компьютер занимается вычислениями, все цифровые данные могут меняться в зависимости от получаемых результатов. Последние представлены графиками, которые обычно отображены на бумаге или дисплее. Также результат можно получить в виде электрического сигнала. Он параллельно контролирует процесс вычисления и функционирование оборудования.

Особенности

Аналоговая вычислительная машина с легкостью справляется с автоматической регуляцией разных процессов производства. Это связано с тем, что АВМ быстро реагирует на любые изменения данных. Поэтому подобное устройство будет выгодно во время научных исследований, когда входные значения могут меняться во время процесса.

АВМ может стать полезна в науке, которая не требует дорогих электроприборов. Устройствам достаточно уметь имитировать изучаемые процессы. Иногда подобная машина нужна в том случае, чтобы решать задачи, не требующие такой точности вычислений, как в случае с задачами для ЭВМ.

Электронные аналоговые компьютеры легко справляются с дифференциальными уравнениями, интегрированиями и пр. Чтобы решить подобные задачи, достаточно использовать специальные схемы и узлы. В случае с АВМ подобных команд не требуется, поэтому работа этого устройства несколько проще.

Аналоговый блок

В описании аналогового компьютера должны присутствовать его элементы. В операционный блок входят такие детали, которые заняты одной из задач. Всех их можно объединить в систему, чтобы работать над одной операцией по определенной модели.

Блоки АВМ можно поделить на несколько групп:

В линейную группу входят детали, которые занимаются математическими операциями. К нелинейной группе относят блоки, работающие с нелинейной зависимостью функции от разных переменных. Логическая группа содержит элементы непрерывной, дискретной логики.

Существует несколько видов аналоговых компьютеров, поэтому их состав может несколько отличаться от имеющихся вариантов.

Базовые элементы

Помимо вышеописанных блоков, есть основные элементы, которые имеют свои определенные параметры. Существует емкостное ЗУ, которое основывается на конденсаторных свойствах и может хранить напряжение.

Делитель напряжения также относится к ЗУ. В этом случае на работу влияют углы поворота реостатов. Они зависят от запоминаемых величин. К основным блокам относят запоминающую пару, которая часто представлена операционным усилителем. Один может функционировать в отслеживании входного сигнала, второй — в хранении.

Характеристика

Как у любого устройства, у аналогового компьютера есть характеристики. Но самая основная — добротность. Эта обобщенный параметр машины, который имеет определенную формулу. Некоторые значения зависят от уровня помех, также на них влияют ошибки и точности.

Разновидности

Как уже упоминалось ранее, АВМ может быть разных типов. Но в целом каждый вариант можно отправить в одну из двух групп:

• специализированную — для узких специальных задач;
• универсальную — для любых вариант заданий.

Далее все аналоговые компьютеры можно распределить на зависимые от разновидности рабочего тела, по конструктивным признакам и по типу функционирования.

Тип рабочего тела

Возможности аналогового компьютера определили его тип. Но не только функционирование влияет на дифференциацию устройств. Все также зависит от типа рабочего тела. Так, встречаются:

• механические;
• пневматические;
• гидравлические;
• электрические;
• комбинированные;
• электромеханические.

К механическому типу относят такие устройства, которые имеют механические перемещения. Из-за особенностей этого варианта машины необходимо масштабировать переменные, а также вести силовой расчет конструкции и мертвых ходов.

Этот тип имеет свои достоинства и недостатки. Машина надежная и справляется с различными математическими задачами. Вместе с тем имеет высокую стоимость, непростой механизм разработки и крупные размеры.

Пневматический вид работает с показателями давления воздуха. Для получения результатов необходимо обзавестись построенной сетью. В составе этой машины часто можно увидеть дроссели, емкости и мембраны.

Этот тип АВМ практически не имеет каких-либо погрешностей. Сейчас часто его можно встретить в промышленности, которая требует повышенной вибрационной стойкости и работе при перепадах температур.

Гидравлический тип работает с дифференциальными уравнениями, которые связаны с протеканием воды. Ранее эти машины можно было встретить во многих фирмах, до 80-х годов XX века. Сейчас есть лишь две гидравлические АВМ, которые находятся в музее.

По аналогии можно догадаться, что электрические устройства берут за показатели электрическое напряжение постоянного тока. Популярны благодаря надежным свойствам, скорости работы, удобному регулированию и точным конечным данным.

Электромеханический тип имеет механические и электрические переменные величины. Для машины этого вида характерны вращающиеся трансформаторы и тахогенераторы. Устройство имеет скользящие контакты, поэтому менее надежно, чем предыдущие варианты.

Конструктивные признаки

АВМ матричного типа имеет отдельные элементы, которые объединяют строго в группы по определенным признакам. Этот вариант подходит для создания дифференциальных уравнений. Но выполнение процессов нужно настраивать определенным образом.

Группы, которые имеют определенные признаки, работают каждая со своим заданием. Для корректного исследования нужно использовать масштаб. Этот тип имеет низкую эффективность.

Структурный тип АВМ представлен устройствами, имеющими вычислительные блоки. В этом случае они объединены не строго, а благодаря задачам, которые нужны для разбора операции. Рассчитана машина на математическое моделирование.

Функционирование

В эту группу относят устройства:

Быстрый тип настроен так, что этапы решения процессов повторяются в автоматическом режиме. Это сделано благодаря системе коммутации. Частота повторений зависит от характеристик деталей. Для работы с подобной скоростью требуется сложная конструкция. Преимуществом такой машины является возможность наблюдения за результатами экспериментов.

Медленный тип имеет однократное действие. Решение обычных процессов в этом случае может занимать от нескольких секунд до нескольких минут. Результат исследований можно увидеть только после окончания всех циклов.

Итеративная АВМ использует для решения итерационный способ. Машина подобного типа позволяет управлять ходом эксперимента в определенные отрезки времени.

Использование машин

Электронные аналоговые компьютеры известны уже давно, поэтому прошли определенную стадию совершенствования. Эти устройства основаны на задании физических параметров элементов. Обычно этот процесс происходит за счет включения и исключения некоторых блоков из системы.

До того как АВМ достигла пика своего развития, подобные устройства применялись в авиации и ракетной технике. Машины в этом случае помогали быстро обрабатывать данные и формировать сигналы для управления. Так стали известны автопилоты и более сложные системы управления полетами.

В автомобиле также можно найти аналоговую систему. Здесь ею является трансмиссия. Когда вращающий момент изменяется, жидкость меняет давление в гидроприводе. Таким образом происходит определенный коэффициент передачи.

Как уже упоминалось ранее, часто АВМ относят к узкоспециальным устройствам, поэтому их применяют для особых задач. Ранее был известен кулачковый механический аналоговый прибор. Его использовали в паровозостроении.

Механические компьютеры стали популярны в сфере космоса. Они помогали собирать данные благодаря индикаторам поверхности. До 2002 года был известен компьютер «Глобус», который справлялся с подобными задачами.

Есть аналоговые приборы и в военной технике. Они отвечают за управление огнем артиллерии, вычисления разных показателей во время сражений и т. п. В этом случае используются быстрые машины, которые легко справляются в условиях помех.

Примеры

Примеров аналоговых компьютеров за время их существования собралось множество. К примеру, в 1962 году была создана АВМ «Итератор». Она помогала решать особый вид задач, связанный с линейными уравнениями. Этот прибор функционирует благодаря особому способу, которым ученые обязаны Ньютону. Также «Итератор» справляется с линейными алгебраическими уравнениями.

Также миру известно целая серия устройств «МН». Название является аббревиатурой — «модель нелинейная». Изначально устройство должно было работать с задачами Коши. Самым ярким представителем линейки является «МН-18». Это средней мощности прибор, который может решать сложные динамические системы. Делает он это с помощью математического моделирования.

Также стоит упомянуть о Тележке Монте-Карло. Этот компьютер появился благодаря Энрико Ферми. Он был рассчитан на исследование движения нейтронов. Для получения результатов был взят за основу метод Монте-Карло.

ZAM — это очередное семейство аналоговых машин, которые были созданы в Варшаве. Их производство началось в 60-е годы XX века. Каждое устройство работало на основе двоичной системы исчисления.

Примечание

Принято считать, что мозг человека — самое популярное «аналоговое устройство». Ученые считают его сильным и работоспособным прибором, который когда-либо существовал. Конечно, с таким утверждением можно поспорить, поскольку работа импульсов осуществляется за счет дискретных сигналов. Но данные в нервной системе не имеют цифровой вид.

Цифровые и аналоговые компьютеры объединились, и получились нейрокомпьютеры. Это гибридные устройства, которые, хотя и относят к аналоговым, построены на цифровых ЭВМ. Эти машины работают аналогично клеткам мозга.

Источник

IBM PC своими руками — это очень просто

После того, как я воплотил свою давнишнюю мечту и все-таки (хотя и с опозданием почти на 30 лет) построил Радио 86РК, некоторое время мне казалось, что на этой части моей истории поставлена вполне достойная точка.

Тем не менее, обнаружилось, что болезнь до конца не вылечена, и она вернулась еще более острым рецидивом. Наверное, сказались как неожиданно успешный опыт постройки 86РК, так и то, что у меня в ходе данного процесса образовалось довольно большое количество весьма притягательно выглядящих инструментов, приборов и деталей, которым очень хотелось найти применение.
В конце концов ломка стала нестерпимой, и мне пришлось снова взяться за паяльник, а также вспомнить некоторые другие навыки из прошлого. Что из этого получилось, можно увидеть вместе с некоторым количеством картинок и очень (повторяю – ОЧЕНЬ) большим количеством букв (и даже не букв, а страниц) дальше…

Основным вопрос был в том, что именно делать. С одной стороны, душа лежала к чему-то совсем раритетному, с другой стороны хотелось также попробовать новые технологии. Находясь в тяжелых раздумьях, я периодически просматривал пару тематических форумов, посвященных старому «железу». В какой-то момент я натолкнулся на долго тянущуюся тему о том, как запустить 8086 процессор с минимумом обвязки. Странно было то, что тема обсуждалась больше года, но в практическую плоскость так и не передвинулась.

На мой неискушенный взгляд казалось, что задача вообще пустяковая, но вдруг там есть что-то, что я вообще не понимаю? В результате я решил попробовать поиграться именно с этим в надежде, что данное развлечение – именно то, что мне нужно для полного счастья.

Схему для себя я даже рисовать не стал – вроде все настолько просто, что вопросов, куда что подключать, не возникало. Оставалось только решить, каким способом это все собирать. С МГТФ я достаточно поигрался раньше, хотелось чего-то новенького. Так как все новое – это забытое старое, то я прикупил инструмент и материалы для монтажа накруткой и взялся за процесс. Который (процесс), к сожалению, особо никуда не пошел… Либо руки у меня совсем из неправильного места растут, либо что-то понял неправильно, но добиться устойчивой скрутки так и не получилось.

Впрочем, мучился я недолго (хотя, может именно в этом и была основная причина ?) – в процессе перекладывания моих сокровищ с места на место обнаружилась нераспечатанная беспаечная макетная плата с кучей очень красивых разноцветных проводков. Сложность (вернее, отсутствие таковой) проекта вполне позволяла без труда разместить все на этой плате, что я довольно оперативно и сделал:

Была написана суперпрограмма размером в десяток байт, реализующая не имеющую мировых аналогов функцию – мигание светодиодом. При первом включении ничего не заработало, но обнаружилось, что проблема только в запуске тактового генератора. Мне было лень ставить указанные в документации конденсаторы/резисторы возле кварца, поэтому иногда для запуска генератора требовалось коснуться корпуса кварца пальцем или отверткой, после чего светодиод начинал исправно мигать.

Кстати, меня немного удивила частота мигания – я уже забыл, насколько этот процессор был медленный. При максимально допустимой для оригинального 8088 тактовой частоте в 5МГц цикл в 65536 «пустых» операций выполнялся порядка секунды…
Опубликовав результат своего творчества на соответствующем форуме, я тут же был обвинен в том, что обсуждалось подключение 8086, а у меня же 8088, что намного проще и вообще!

Ладно, практика – критерий истины. Раздобыл 8086, потратил еще чуть-чуть времени (в основном, чтобы разнести вручную программу в две микросхемы ПЗУ, так как 8086 16-разрядный, а ПЗУ у меня были 8-разрядные) и получил очередную мигалку:

Апетит, как известно, приходит во время еды. Вот и у меня, вместо удовлетворения от достигнутого, возникло желание двинуться дальше. Только тут уже совсем настойчиво утвердилась мысль, что нужно также опробовать и современные технологии. В качестве примера современных технологий было принято решение использовать FPGA в комбинации с 8088 процессором. Одним махом можно было убить нескольких зайцев – база (процессор) знакомая, технологии FPGA вполне современные, особо тратить время на монтаж не нужно, так как все творчество можно перенести внутрь FPGA.

У меня уже имелась одна из самых навороченных отладочных FPGA плат – Terasic DE2-115, на которой, кроме довольно большой FPGA Altera Cyclone IV, также установлено немереное количество прибамбасов, свисталок и мигалок:

В частности, кроме штатных GPIO в количестве 36 плюс еще несколько штук, на этой плате также находится разъем расширения, к которому можно подключить небольшую плату и получить в общей сложности около 100 GPIO, что должно хватить для практически любого мыслимого применения (разумеется, в моих скромных целях).

Правда, есть нюанс – процессор 8088 5-вольтовый, а вот FPGA уже давно отказались от поддержки TTL 5V, максимум, что есть – LVTTL 3.3V

Хорошо, что есть широкий выбор преобразователей уровней, что и решено было использовать. Вначале остановился на микросхеме TXB0108 – 8-разрядный двунаправленный преобразователь уровней с автоматическим выбором направления. Автоматический выбор направления был довольно важен, так как позволял не думать о том, что происходит на шине данных – чтение или запись. Кроме того, шина данных в 8088 мультиплексирована с 8 младшими разрядами адресной шины, что еще добавляет сложности в определении того, в каком направлении нужно передавать сигналы – от процессора или к нему.

Так как TXB0108 довольно маленькая, да и возиться с проводами уже не очень хотелось, решил попробовать еще одну новую для меня вещь. Была куплена программа Eagle для разводки печатных плат, и начались мои мучения как с освоением нового программного продукта вообще, так и с весьма специфическим интерфейсом Eagle в частности.

Делать что-то в первый раз в новой для себя области лично для меня очень мучительно – тыкаешься, как слепой котенок, а душа рвется на просторы. Подготовка gerber-файлов для производства платы (да, о ЛУТе думал, и даже материал купил, но не решился) вообще чуть не вызвала нервный срыв – сразу представлялось, как все производство стоит и хохочет, глядя на жалкие результаты моих трудов…

Хорошо, что плата была совсем уж простая, поэтому не прошло и недели (вместе со временем изготовления), как я уже держал в руках свежеспаянное творение:

Кстати, для пайки преобразователей уровней я испробовал жало «микроволна» от Ersa (естественно, есть подобное и у других производителей, да и самому такое можно сделать). Должен заметить, работает довольно неплохо, так что трудоемкость пайки была на порядок меньше, чем можно было бы ожидать при таких размерах выводов.

За время, пока плата изготавливалась, я ускоренными темпами осваивал FPGA. Вообще отладочную плату я изначально купил, чтобы поразвлекаться немного с FPGA технологиями и, в частности, с VHDL, но это у меня конкретно не пошло. Мозг просто отказывался мыслить категориями VHDL, и максимум, что я сделал – повторил в FPGA несколько простых устройств, скопировав их схемы методом схемного дизайна. Изучение же VHDL закончилось на уровне signal3

Источник