 |
Появление полностью электронных цифровых компьютеров. Принципы Неймана как основополагающие концепции построения ЭВМ
|
|
|
|
В то самое время, когда Говард Айкен создавал Марк I, профессор Университета штата Айова физик Джон Атанасофф также работал над созданием более совершенной машины. Правда, она не получила столь же широкой известности, как Марк I, но многие из использованных в этой машине конструкторских идей были затем применены в первом полностью электронном цифровом компьютере, получившем название ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator).
Эниак был создан в 1946 году группой инженеров под руководством Джона Маушли и Дж. Преспера Эккерта по заказу военного ведомства США.
Почему же военные захотели иметь электронный компьютер? Да потому, что любая машина, которая смогла бы взять на себя сложные расчеты, связанные с таблицами ведения огня, планированием снабжения, расчетами в авиации и т. д., способствовала бы ускорению окончания второй мировой войны.
Новая машина производила 5000 операций сложения или 300 операций умножения в секунду. Она выполняла их в несколько сотен раз быстрее, чем любая из существовавших в то время машин, и могла в считанные часы решить задачи, на которые пятидесяти инженерам потребовался бы целый год.
По габаритам Эниак был еще более громадным, чем Марк I: более 30 м в длину и 85 м3 по занимаемому объему. Ее вес равнялся весу четырех африканских слонов - 30 т. Вместо тысяч механических деталей, которыми был набит Марк I, в Эниаке были использованы 18 тыс. электронных ламп. Таким образом, компьютер осуществлял хранение и обработку данных с только помощью электроники, а не механически.
Эксплуатация Эниака была значительно сложнее, чем современных компьютеров. Команды по программе вводились вручную; после введения программы порядок выполнения команд мог быть изменен только после выполнения всей программы. Каждая новая программа требовала новой комбинации сигналов. В результате на создание и выполнение даже самой простой программы требовалось очень много времени.
|
|
|
Электронные лампы Эниака составляли самостоятельную проблему. Они не только занимали большой объем, но и выделяли большое количество тепла. А это требовало специальной системы охлаждения. Но еще более важно то, что в 40-е годы электронные лампы не были такими же надежными компонентами электронных приборов, какими они являются в настоящее время. Нередко шесть или семь ламп выходили из строя в течение одного часа. И все-таки Эниак продемонстрировал всем широкие возможности электронного компьютера. Правда, только через 40 лет все возможности гиганта Эниака удалось «уместить» в современных компьютерах, величина которых не превышает размеры небольшого чемоданчика.
Существенный вклад в создание ЭВМ внес американский математик Джон фон Нейман, принимавший участие в создании Эниака. Фон Нейман предложил идею хранения программы в памяти машины: ЭВМ с хранимой программой оказались значительным шагом вперед по пути создания более совершенных машин. Такую ЭВМ нет необходимости обеспечивать новой совокупностью управляющих сигналов для решения каждой новой задачи. Кроме того, она способна обрабатывать команды в различном порядке. А в результате ЭВМ с хранимой программой оказались не только более быстродействующими, но и более гибкими, чем ранее созданные компьютеры.
В своем докладе Джон фон Нейман описал, как должен быть устроен компьютер для того, чтобы он был универсальным и эффективным устройством для обработки информации.
Прежде всего, компьютер должен иметь следующие устройства:
· арифметическо-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;
· устройство управления, которое организует процесс выполнения программ;
|
|
|
· запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных;
· внешние устройства для ввода-вывода информации.
Память компьютера должна состоять из некоторого количества пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково легко доступны для других устройств компьютера.
Вот каковы должны быть связи между устройствами компьютера (одинарные линии показывают управляющие связи, двойные - информационные).
В общих чертах работу компьютера можно описать так. Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в память компьютера вводится программа. Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических или логических операций, чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций или запись их результатов в память, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство.
Как правило, после выполнения одной команды устройство управления начинает выполнять команду из ячейки Памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако этот порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему следует продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в некоторой другой ячейке памяти. Такой скачок, или переход, в программе может выполняться не всегда, а только при выполнении некоторых условий, например, если некоторые числа равны, если в результате предыдущей арифметической операции получился нуль и т.д. Это позволяет использовать одни и те же последовательности команд в программе много раз (т.е. организовывать циклы), выполнять различные последовательности команд в зависимости от выполнения определенных условий и т.д., т.е. создавать сложные программы. Таким образом, управляющее устройство выполняет инструкции программы автоматически, т.е. без вмешательства человека. Оно может обмениваться информацией с оперативной памятью и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства, как правило, работают значительно медленнее, чем остальные части компьютера, управляющее устройство может приостанавливать выполнена программы до завершения операции ввода-вывода с внешним устройством. Все результаты выполненной программы должны быть ею выведены на внешние устройства компьютера, после чего компьютер переходит к ожиданию каких-либо сигналов внешних устройств.
|
|
|
Следует заметить, что схема устройства современных компьютеров несколько отличается от приведенной выше. В частности, арифметическо-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в единое устройство - центральный процессор. Кроме того, процесс выполнения программ может прерываться для выполнения неотложных действий связанных с поступившими сигналами от внешних устройств компьютера - прерываний. Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах. Тем не менее, большинство современных компьютеров в основных чертах соответствуют принципам, изложенным фон Нейманом.
Компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. Вся другая информация (например, звуки, изображения, показания приборов и т.д.) для обработки на компьютере должна быть преобразована в числовую форму. Например, чтобы перевести в цифровую форму музыкальный звук, можно через небольшие промежутки времени измерять интенсивность звука на определенных частотах, представляя результаты каждого измерения в числовой форме. С помощью программ для компьютера можно выполнить преобразования полученной информации, например «наложить» друг на друга звуки от разных источников. После этого результат можно преобразовать обратно в звуковую форму,
Аналогичным образом на компьютере можно обрабатывать и текстовую информацию. При вводе в компьютер каждая буква кодируется определенным числом, а при выводе на внешние устройства (экран или печать) для восприятия человеком по этим числам строятся соответствующие изображения букв. Соответствие между набором букв и числами называется кодировкой символов.
|
|
|
Как правило, все числа в компьютере представляются с помощью нулей и единиц (а не десяти цифр, как это привычно для людей). Иными словами, компьютеры обычно работают в двоичной системе счисления, поскольку при этом их устройство получается значительно более простым. Ввод чисел в компьютер и вывод их для чтения человеком может осуществляться в привычной десятичной форме - все необходимые преобразования могут выполнить программы, работающие на компьютере.
Единицей информации в компьютере является один бит, т.е. двоичный разряд, который может принимать значение 0 или 1. Как правило, команды компьютеров работают не с отдельными битами, а с восемью битами сразу. Восемь последовательных битов составляют байт. В одном байте можно закодировать значение одного символа из 256 возможных (256=2 
). Более крупными единицами информации являются килобайт (сокращенно обозначаемый Кбайт), равный 1024 байтам (1024=2 
), и мегабайт (сокращенно обозначаемый Мбайт), равный 1024 Кбайтам
Программы для первых компьютеров приходилось писать на машинном языке, т.е. в кодах, непосредственно воспринимаемых компьютером. Это было очень тяжелой, малопроизводительной и кропотливой работой, в ходе которой можно было весьма легко ошибиться. Для облегчения процесса программирования в начале 50-х годов были разработаны системы, позволяющие писать программы не на машинном языке, а с использованием мнемонических обозначений машинных команд, имен точек программы и т.д. Такой язык для написания программ называется автокодом, или языком ассемблера. Программы на ассемблере очень просто переводятся в машинные команды, это делается с помощью специальной программы, которая также называется ассемблером. Ассемблер и сейчас часто используется при программировании в тех случаях, когда требуется достичь максимального быстродействия и минимального размера программ либо наиболее полно учесть в программе особенности компьютера.
Однако написание программ на языке ассемблера все же весьма трудоемко. Для этого программист должен очень хорошо знать систему команд соответствующего компьютера, а в ходе работы ему приходится бороться не столько со сложностями решаемой задачи, сколько с переводом необходимых в задаче действий в машинные команды. Поэтому и после появления ассемблеров многие исследователи продолжали попытки облегчить процесс программирования, «научив» компьютеры понимать более удобные для человека языки составления программ. Такие языки стали называть языками программирования высокого уровня, а языки ассемблера и другие машинно-ориентированные языки -языками низкого уровня. Программы на языках высокого уровня либо преобразуются в программы, состоящие из машинных команд (это делается с помощью специальных программ, называемых. трансляторами или компиляторами), либо интерпретируются с помощью программ-интерпретаторов.
|
|
|
Первая ЭВМ с хранимой программой получила название EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator). Она была создана в Кембриджском университете (Англия) в 1949 году. С тех пор все ЭВМ являются компьютерами с хранимой программой.
После завершения работ над Эниаком Джон Маушли и Дж. Преспер Эккерт основали собственную компанию, которая приступила к разработке компьютеров с хранимой программой. В 1951 году они создали машину UNIVAC (Universal Automatic Computer). Первый экземпляр Юнивака был передан в Бюро переписи населения США. Затем было создано много разных моделей Юнивака, которые нашли применение в различных сферах деятельности. Таким образом, Юнивак стал первым серийным компьютером. Кроме того, это был первый компьютер, в котором вместо перфолент и карт использовалась магнитная лента.
Такие компьютеры, как Эниак и Юнивак, представляли собой лишь первые модели ЭВМ. Их возможности поражали воображение. Тем не менее через некоторое время появились еще более совершенные ЭВМ. В течение десяти лет после создания Юнивака были изготовлены и введены в эксплуатацию в США 5000 компьютеров с хранимой программой. Еще через шесть лет количество компьютеров в США увеличилось вчетверо.
Компьютеры 40-х и 50-х годов были очень большими устройствами. Огромные залы были заставлены шкафами с электронным оборудованием. Все это стоило очень дорого, поэтому компьютеры были доступны только крупным компаниям и учреждениям. Однако в борьбу за покупателей фирмы, производившие компьютеры и электронное оборудование для них, стремились сделать свою продукцию быстрее компактнее и дешевле. Благодаря достижениям современной технологии на этом пути были достигнуты поистине впечатляющие результаты.
Первый шаг к уменьшению размеров компьютеров стал возможен с изобретением в 1948 г. транзисторов - миниатюрных электронных приборов, которые смогли заменить в компьютерах электронные лампы. В середине 50-х годов были найдены очень дешевые способы производства транзисторов, и во второй половине 50-х годов появились компьютеры, основанные на транзисторах.
Они были в сотни раз меньше ламповых компьютеров такой же производительности. Единственная часть компьютера, где транзисторы не смогли заменить электронные лампы, - это блоки памяти, но там вместо ламп стали использовать изобретенные к тому времени схемы памяти на магнитных сердечниках.
Развитие электронной вычислительной техники в нашей стране тесно связано с именем академика С.А. Лебедева, под руководством которого были созданы первые отечественные ЭВМ: в 1951 году в Киеве - МЭСМ (Малая Электронная Счетная Машина) и в 1952 году в Москве - БЭСМ (Быстродействующая Электронная Счетная Машина). История вычислительной техники уникальна фантастическими темпами развития аппаратных и программных средств. Можно составить таблицу
вычислительный компьютер программа электронный
| поколения | годы | элементы | размеры | примеры |
| I | 40-50 | лампы | Маш.зал и больше | ЭНИАК, ЭДЗАК, ЮНИВАК (США). Минск, МЭСМ Урал, БЭСМ |
| II | 50-60 | транзисторы | комната | “Минск-2” “Минск-22”, Минск-32 |
| III | 60-70 | микросхемы, малые интегральные схемы | шкаф | IBM-360,IBM-370, EC-1022, 1035... |
| IV | 70-80 | интегральные схемы | стол | Альтаир, “Apple”, все персональные компьютеры |
Проект пятого поколения
| V | 90- | оптические среды | “доска” |
Еще не так давно, ЭВМ представляла собой целый комплекс огромных шкафов, занимавших несколько больших помещений, а всего и делала-то, что довольно быстро считала. Нужна была буйная фантазия журналистов, чтобы увидеть в этих «гигантских арифмометрах» «думающие агрегаты», и даже пугать людей тем, что ЭВМ вот-вот станут разумнее человека.
Конечно, язык неизмеримо сложнее любой математической, химической или физической системы условных знаков. Язык охватывает все без исключения области человеческих знаний, и сами эти знания без него невозможны. Язык - оформитель и выразитель нашего мышления, а мышление - самое сложное из всего, что только известно нам, во всяком случае до сегодняшнего дня. Однако компьютеры все шире вторгаются в гуманитарные области, и процесс этот будет идти нарастающими темпами.
Заключение
В процессе анализа истории развития вычислительной техники, в ходе работы были выделены следующие основные пункты:
· Компьютер - изобретение не одного человека. Он разрабатывался и совершенствовался в течение столетий. В его создание внесен вклад большим количеством людей.
· С течением времени потребность в проведении расчетов возрастала, и люди искали инструменты, которые могли бы помочь им. Такие инструменты должны были облегчить расчеты и сэкономить время.
· Проект первой программируемой вычислительной машины предложил Чарльз Бэбидж в 1830 году. Однако использованная им идея сильно опережала возможности техники того времени, в результате чего он так и не смог создать работающую модель машины.
· В счетно-аналитической машине Германа Холлерита было совмещено использование перфокарт для ввода информации и применение электричества.
· Компьютеры, созданные в первой половине ХХ века, имели две важные особенности, которыми не обладали ранее созданные машины: возможность программирования и способность хранения информации.
· Первая полностью электронная цифровая ЭВМ Эниак была создана в 1946 году. Для хранения и обработки данных в ней были применены электронные лампы.
В основу построения подавляющего большинства ЭВМ положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 году американским ученым венгерского происхождения Джоном фон Нейманом.
Прежде всего, компьютер должен иметь следующие устройства:
1. Арифметическо-логическое устройство, выполняющие арифметические и логические операции;
2. Устройство управления, которое организует процесс выполнения программ;
. Запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных;
. Внешние устройства для ввода-вывода информации.
В основе работы компьютера лежат следующие принципы:
· Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов.
· Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
· Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
· Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.
Литература
1. Бочкин А. И. Методика преподавания информатики: Учеб. Пособие. - М.: Высшая школа, 2003. - 431 с.
2. Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации СПб, Питер 2002- 464 с.
. Бухаркина М.Ю. Виртуальная школа. М.: ИНФРА-М, 2003 - 288 с.
. Веретенникова Е. Г., Патрушина С. М., Савельева Н. Г. Информатика: Учебное пособие. Серия «Учебный курс». - Ростов-на-Дону: Издательский центр «МарТ», 2002. - 416 с.
. Кирмайер М. Информационные технологии. СПб.: Питер, 2003 - 443 с.
. Лапчик М. П. Методика преподавания информатики: учеб. Пособие для студ. пед. Вузов. /М. П. Лапчик, И. Р. Семакин, Е. К. Хеннер; под общей редакцией М. П. Лапчика. - М.: Издательский центр Академия, 2001. - 624 с.
. Чупрасова В.И. Современные технологии в образовании. Владивосток: Издательский дом «ДВР», 2004 - 154 с.
. Фигурнов В. Э.: IBM PC для пользователя. Краткий курс. - М.: «Инфра - М», 1998 - 432 с.
|
|
|
