2.2. Электронные вычислительные машины
Параллельно с развитием теории алгоритмов делались попытки создания практически работающих вычислительных устройств. В 1642 г. Паскаль изобрел устройство, выполняющее сложение чисел, а в 1673 г. Лейбниц сконструировал арифмометр, позволявший выполнять четыре арифметических действия. В первой половине XIX в. английский математик Чарльз Бэббидж разработал проект универсальной механической машины, которая должна была выполнять любые вычисления без участия человека. Программы для нее должны были вводиться с помощью перфокарт, которые уже тогда употреблялись в ткацких станках. Реально машина Бэббиджа (но не механическая, а электромеханическая) под названием «Марк-1» была построена в США в 1943 г., на одном из предприятий компании IBM.
С 1943 г. группа ученых в США начала конструировать вычислительную машину на основе электронных ламп. В 1945 г. к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман. В результате был подготовлен доклад о принципах построения этой машины. Он был опубликован фон Нейманом, и поэтому общие принципы функционирования компьютеров получили название принципов фон Неймана. Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 г. английским ученым Морисом Уилксом.
Принципы фон Неймана представляют собой ряд положений, выполнение которых необходимо для эффективной работы вычислительной машины:
компьютер компонуется из нескольких основных устройств;
для хранения информации используется специальное запоминающее устройство;
данные представлены в запоминающем устройстве в форме двоичных чисел;
арифметические и логические операции выполняются арифметико-логическим устройством;
выполнение программ в вычислительной машине контролируется устройством управления;
программа, задающая работу компьютера, хранится в том же запоминающем устройстве, в котором хранятся данные (принцип хранимой программы);
для ввода и вывода информации используются отдельные устройства ввода-вывода.
Принцип хранимой программы позволяет обрабатывать команды программы так, как если бы они были данными, организуя наиболее эффективное выполнение программ. Большинство современных компьютеров и основных чертах соответствуют принципам, предложенным фон Нейманом.
Компьютер — это универсальное вычислительное устройство, предназначенное для выполнения произвольных алгоритмов. Заметим, что термин «компьютер» вошел в русский язык и стал широко использоваться с появлением персональных компьютеров — в 80-х годах XX в. Ранее употреблялись словосочетания «электронная цифровая вычислительная машина» (сокращенно ЭЦВМ) или «электронная вычислительная машина» (ЭВМ). Как правило, компьютерами не называют вычислительные устройства, являющиеся частью автоматизированных производственных комплексов и выполняющие в них специальные функции управления. Любая информация в компьютере представляется в цифровой форме (в виде последовательностей нулей и единиц) и размещается в специальном хранилище данных, которое называется оперативной памятью компьютера. Алгоритм вводится в память компьютера в форме машинной программы и состоит из отдельных инструкций — машинных команд. Очередная машинная команда производит с данными в оперативной памяти определенные действия.
С момента появления вычислительных машин их характеристики непрерывно улучшались. Согласно сложившейся традиции эволюция компьютеров разделена на несколько этапов, с которыми связывают поколения компьютеров. Каждое очередное поколение отличается элементной базой, лежащей в основе технологии их производства, производительностью и используемыми программными средствами. Развитие компьютерной техники определяется в терминах технологии аппаратуры и схем. Классификация компьютеров по их принадлежности к тому или иному поколению и появление самого термина «поколение компьютеров» относятся к 1964 г., когда компания IBM выпустила серию компьютеров IBM-360 на интегральных микросхемах, назвав эту серию «компьютерами третьего поколения». Ранние компьютеры (на электронных лампах и транзисторах) были отнесены к первому и второму поколениям. В дальнейшем эта классификация, вошедшая в употребление, была расширена и появились компьютеры четвертого и пятого поколений (на больших и сверхбольших интегральных схемах).
Компьютеры первого поколения, содержащие процессор и память на электронных лампах, имели максимальную емкость оперативной памяти 104 ячеек и максимальное быстродействие процессора 104 операций в секунду. Программы составлялись только на машинном языке. Пользователь связывался с ЭВМ посредством пульта управления и колоды перфокарт.
Компьютеры второго поколения, появившиеся в конце 1950-х годов с изобретением транзисторов, имели процессор на транзисторах, а оперативную память — на ферритовых сердечниках. Максимальная емкость памяти увеличилась до 105 ячеек, максимальное быстродействие процессора — до 106 операций в секунду. Для этих машин был разработан язык программирования Ассемблер и появились компиляторы с Ассемблера
В середине 1960-х годов Р. Нойс изобрел метод, позволяющий создавать на одной пластине и транзисторы, и все соединения между ними. Полученные электронные схемы стали называться интегральными схемами или чипами, а компьютеры с процессором и памятью на интегральных схемах теперь относят к третьему поколению. Максимальная емкость оперативной памяти вследствие этого увеличилась до 106 ячеек, максимальное быстродействие процессора — до 107 операций в секунду. Машины третьего поколения были обеспечены трансляторами с языков программирования высокого уровня. Появились клавиатура для ввода текстовой информации и видеотерминал для вывода информации в визуальной форме.
Однако в машинах третьего поколения по-прежнему не было преодолено противоречие между высокой скоростью работы процессора и относительно низкой скоростью работы устройств ввода-вывода. Появилась идея освободить центральный процессор от выполнения операций ввода-вывода, возложив часть связанных с ними функций на специальные устройства, которые сначала назвали процессорами ввода-вывода, а впоследствии — контроллерами внешних устройств. Контроллер получает от процессора задание на выполнение операции обмена, а дальше действует самостоятельно. Для этого он снабжен собственным специализированным процессором со своей системой команд и собственной памятью — буфером обмена.
Дальнейшее развитие технологии в конце 1970-х годов привело к появлению больших интегральных схем — БИС. Транзисторы размешались на подложках из кремния в несколько слоев, которые прошивались по вертикали. Миниатюризация БИС одновременно привела к увеличению памяти и повышению быстродействия устройств. Компьютеры с процессором и памятью на БИС стали называть компьютерами четвертого поколения. Максимальная емкость оперативной памяти стала составлять до 10 байтов, а максимальное быстродействие процессора увеличилось до 109 операций в секунду. Появились новые языки программирования, позволяющие учитывать многозадачность и многопроцессорность компьютеров четвертого поколения. Были придуманы новые средства ввода и вывода информации типа манипулятора «мышь» и различных средств мультимедиа. Наконец был создан персональный компьютер.
Компьютеры пятого поколения характеризуются процессором и оперативной памятью на сверхбольших интегральных схемах (СБИС). В процессорах суперкомпьютеров применяется охлаждение гелием для достижения сверхпроводимости, а также широко используется многопроцессорность. Емкость оперативной памяти суперкомпьютеров составляет до 1010 байтов, максимальное быстродействие процессора — 1012 операций в секунду. Разработаны новые непроцедурные языки, включающие методы распараллеливания вычислений. В качестве средства взаимодействия пользователя и компьютера появилась голосовая связь.