Развитие вычислительной техники. Функциональная схема ЭВМ

Идея создания вычислительной машины, способной автоматически решать сложные математические задачи, требующие значительных арифметических вычислений, была провозглашена еще в 19 веке английским ученым Чарльзом Бэббиджем.

Аналитическая машина (как ее назвал Бэббидж) должна была не просто решать определенные математические задачи, а выполнять разнообразные вычислительные операции в соответствии с инструкциями, записанными оператором, хранить полученные результаты и даже печатать результат. По замыслу машина должна была иметь устройства, которые Бэббидж назвал “мельница” и “склад”, по современной терминологии - арифметическое устройство и память. Инструкции или команды должны были поступать в машину при помощи перфокарт, иначе говоря, предполагалось наличие устройства ввода и носителя информации.

История реализации этой идеи не так оптимистична. Бэббиджу удалось создать упрощенную модель, названную Разностная машина. Продемонстрировав ее в Королевском обществе, он получил субсидию Британского правительства на дальнейшую работу, но полностью идею так и не осуществил. Правительство прекратило финансирование, в дальнейшем Бэббидж потратил все свои сбережения, но и это не привело к успеху. Неудачи были вызваны не ошибками в принципах организации структуры машины и не в ошибках конструкции, а несоответствием возможностей техники того времени замыслам Бэббиджа. В своем окончательном виде машина была бы не меньше железнодорожного локомотива. Ее внутренняя конструкция представляла нагромождение стальных, медных, деревянных деталей, шестеренок, сложных механических узлов, приводимых в движение паровым двигателем. Малейшая нестабильность в работе какой-нибудь крошечной детали привела бы к стократно усиленным нарушениям в других частях, а найти ошибку было бы просто невозможно.

Помощником Бэббиджа и пропагандистом его идей была графиня Ада Лавлейс, дочь поэта Дж. Гордона Байрона. В честь нее назван один из современных языков программирования АДА.

Идеи Бэббиджа в той или иной мере нашли свое воплощение в конструкциях различных вычислительных устройств, созданных изобретателями в 19 веке: Пер Георг Шуйц (Швеция) получил медаль на Всемирной выставке в Париже в 1855 году за создание Разностной машины по чертежам Бэббиджа; американский изобретатель Герман Холлерит изобрел статистический табулятор (1890) и организовал фирму по производству табуляторов, которая в 1924 была переименована в IBM (International Business Machines). А создатель одной из первых электронно-вычислительных машин “Марк-1” Говард Эйкен, который также пользовался идеями Бэббиджа, сказал: “Если бы Бэббидж жил на 75 лет позже, то я остался бы без работы”

Таким образом, основные принципы автоматической вычислительной машины были провозглашены еще в 19 веке:

• автоматический принцип работы;

• наличие арифметического устройства - “мельница”;

• наличие запоминающего устройства - “склад”;

• работа по программе;

• ввод данных с перфокарт;

• вывод результата на печать.

Невозможность воплощения идей объясняется главным образом, несоответствием уровня развития техники того времени замыслам Бэббиджа, и, в первую очередь, отсутствием электричества.

В полной мере идеи Бэббиджа воплотились лишь в 20-м веке после разработки надежных электронных элементов, которые стали основой создания электронно-вычислительных машин.

В годы Второй мировой войны во многих странах велись разработки по созданию мощных вычислительных устройств, направленные главным образом на потребности военной промышленности: расчет баллистических таблиц, шифровальные аппараты. Работы были засекречены по понятным соображениям, и потому каждый работал как бы в одиночку.

В 1944 году к группе, работавшей над созданием компьютера “Эдвак” (США), подключился известный американский ученый Джон фон Нейман. Он понимал, что компьютер может стать универсальным инструментом для научных исследований. В 1945 году фон Нейман представил широкой научной общественности доклад, в котором, отвлекшись от радиоламп и схем, сумел обрисовать формальную логическую организацию компьютера. Эта работа передавалась из университета в университет, из страны в страну, и многие читатели полагали, что все содержащиеся в нем идеи исходили от самого фон Неймана. И поэтому до сих пор многие называют классическую структуру компьютера “неймановской”. Мало кто знал о работе первых создателей компьютеров Мочли и Экерте, о работах Алана Тьюринга. Многие из них не могли опубликовать свои исследования из соображений секретности. А ведь были еще идеи Бэббиджа.

В борьбе за признание авторских прав на разработку ЭВМ началась и не прекращается до сих пор жестокая конкуренция между производителями компьютеров.

Классическая (неймановская) структура ЭВМ

Исторически, компьютер рассматривался как устройство, способное решать вычислительные задачи, стоящие перед человеком. Позже компьютер стали рассматривать как устройство, моделирующее основные информационные функции человека:

• прием и передача информации;

• хранение информации;

• обработка информации;

Таким образом, компьютер - это комплекс технических устройств для приема, передачи, хранения и обработки информации.

Примечание. Иногда в литературе делают различие между названиями “ЭВМ” и “компьютер”. Под ЭВМ понимают комплекс устройств для решения чисто вычислительных задач (именно таковы были первые созданные машины), а словом “компьютер” обозначают более универсальный инструмент, предназначенный для работы с различными видами информации. Однако за рубежом и самые первые машины и современные называются “компьютер”: “Эниак” (ENIAC - Electronic Numerical Integrator And Computer); “Эдвак” (EDVAC - Electronic Discrete Automatic Variable Computer).

Классические принципы функциональной организации и работы ЭВМ (компьютера), обозначенные в докладе фон Неймана заключаются в следующем:

• наличие основных устройств: УУ, АЛУ, ОЗУ, устройств ввода-вывода;

• хранение данных и команд в памяти;

• принцип программного управления;

• последовательное выполнение операций;

• двоичное кодирование;

• использование электронных элементов и электрических схем.

Остановимся на каждом пункте подробнее.

Основные компоненты ЭВМ

Чтобы быть эффективным, универсальным инструментом, компьютер должен включать в себя следующие основные устройства:

• центральное устройство управления (УУ),

• арифметико-логическое устройство (АЛУ),

• запоминающее устройство,

• устройства ввода-вывода информации.

Взаимодействие этих основных устройств представлено на схеме (Рисунок 1). Стрелками на схеме показаны направления потоков информации и управляющих команд.

Рисунок 1 Взаимодействие основных устройств компьютера

Назначение основных устройств

Устройство управления (УУ) позволяет управлять всем ходом процесса обработки информации, координирует работу всех устройств. На самом деле управление работой компьютера производит программа, хранящаяся в памяти. А что же делает тогда устройство управления? Устройство управления - это техническое воплощение идеи, заложенной в программе. Функция устройства управления заключается в том, чтобы прочесть очередную команду, расшифровать ее и подключить необходимые цепи и устройства для ее выполнения. Таким образом, работу УУ можно представить как циклическое повторение следующих действий (Рисунок 2):

Рисунок 2 Работа устройства управления

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций в процессе обработки информации.

Оперативное запоминающее устройство, или просто память, предназначено для временного хранения информации - данных и команд, в процессе обработки.

Память можно представить как набор ячеек, в которых в закодированном виде хранится информация, при этом команды и данные на равноправных началах могут храниться в любой ячейке. Информация хранится в ОЗУ до тех пор, пока компьютер не выключен или пока не выполнена команда очистки памяти. В процессе обработки информации АЛУ и ОЗУ непрерывно взаимодействуют между собой: данные выбираются из памяти и пересылаются в АЛУ для обработки, а результаты обработки из АЛУ пересылаются в память для хранения (данная связь обозначена на схеме стрелками).

Устройства ввода и вывода участвуют в процессе передачи информации от пользователя компьютеру и от компьютера пользователю. Поскольку через них информация поступает в компьютер из внешней среды и от компьютера пересылается во внешнюю среду, устройства ввода-вывода называют внешними или периферийными. Устройство ввода воспринимает информацию в той или иной форме, преобразует ее в двоичный код и далее УУ направляет поток информации в обработку. Устройство вывода преобразует информацию к виду, удобному для пользователя.

Хранение данных и команд в памяти

Этот принцип реализован наличием ОЗУ. Это принципиально важное решение, т.к. первоначально автоматические вычислительные устройства разрабатывались так, что команды либо поступали из устройства ввода, либо зашивались прямо в электрические схемы, и для решения новой задачи надо было перепаивать схемы. Еще Чарльз Бэббидж предполагал, что на “складе” (памяти) должны храниться только числа, а команды должны вводиться при помощи перфокарт. Решение, что команды и данные хранятся в памяти на равноправных началах, было реализовано в первых электронно-вычислительных машинах.

Принцип программного управления

Этот принцип реализован наличием УУ. Принцип программного управления заключается в том, что компьютер работает по программе, хранящейся в памяти. Программа состоит из команд (ссылка на рисунок).

Последовательное выполнение операций

Последовательное выполнение операций заключается в том, что команды исполняются одна за другой, выполнение новой команды начинается после завершения выполнения предыдущей. В современных компьютерах наряду с последовательной обработкой существует возможность параллельной обработки нескольких процессов, что значительно убыстряет работу и расширяет возможности компьютера. Но в первых разработках этого не было.

Двоичное кодирование

Информация в компьютере хранится и обрабатывается в закодированном виде. Для кодирования используется двоичная система счисления. Это объясняется удобством технической реализации двоичных знаков 0 и 1, которые интерпретируются электрическими сигналами высокого и низкого напряжения, и простотой действий с двоичными числами. Надо заметить, что этот принцип был первоначально реализован не во всех ЭВМ. Первенец американской вычислительной техники - компьютер “Марк-1” производил вычисления в десятичной системе, но техническая реализация десятичной кодировки была очень сложна, и от нее в дальнейшем отказались.

Использование электронных элементов и электрических схем

Использование электронных элементов и электрических схем обеспечивает наибольшую надежность работы компьютера по сравнению с электромеханическими реле, которые использовались в первых конструкциях вычислительных устройств.

Поколения ЭВМ и перспективы развития вычислительной техники

В истории развития вычислительных средств можно выделить три исторических этапа, временные рамки которых представлены в Таблица 1.

Таблица 1 Этапы развития вычислительных средств

Сравнивая эти временные периоды, можно сказать, что время, за которое человечество сделало колоссальнейший скачок от первых ЭВМ до современных супер-ЭВМ, является мигом “между прошлым и будущим”.

Период с 1945 года до сер. 90-х г.г. развития средств вычислительной техники принято разделять четыре этапа, которые характеризуются качественными изменениями в аппаратных и программных средствах. Эти этапы называют поколениями. Основные характеристики каждого поколения представлены в таблице 2. Однако, надо заметить, что границы между поколениями четко не очерчены. В процессе развития вычислительной техники разрабатывались модели ЭВМ, имеющие признаки нового поколения.