Тема 2. Технические средства реализа­ции ин­формационных процессов

2.1. Принципы построения компьютера

Потребность в облег­чении вычислений, возникла давно. Для этих целей примерно в V - IV вв. до н.э. была создана – «саламинская доска» (по имени острова Саламин в Эгейском море), которая у греков и в Западной Ев­ропе назывались «абак». Китайцы придумали «суан-пан» (VI в.), японцы – «се­ро­бян» (XIV в.), а в России – «щоты» (XVI в.).

Появление механи­ческой ма­шины, спо­собной вы­пол­нять че­тыре ариф­мети­ческих действия, датиру­ется на­ча­лом XVII в. (Шикард). В 1642 г. –французский физик и математик Паскаль создал первую модель вычисли­тельной машины - «Паскалину» или «Паскалево ко­лесо». В 1674 г. Лейбниц создал свою счетную машину (которая механически производила сложение, вычитание, умножение и де­ление), из­вест­ную как «зубчатое колесо Лейб­ница». В 1820 г. Томас изобрёл арифмометр и впервые в мире орга­низовал его промышленное производство. Начиная с этого времени арифмо­метры по­лу­чили широкое применение. На них выпол­няли слож­ные рас­четы (напри­мер, расчеты баллистиче­ских таблиц для артилле­рийских стрельб). Суще­ство­вала и специальная про­фессия - счетчик, т.е. чело­век, работаю­щий с ариф­мо­метром, бы­стро и точно соблюдаю­щий определен­ную по­следова­тель­ность ин­струк­ций (та­кую по­следовательность инструкций впоследст­вии стали называть програм­мой).

В XIX веке англий­ский ма­тематик Бэббидж разработал несколько про­ектов вы­числитель­ных механиче­ских устройств (чтобы «заменить человека в одной из самых медленных операций его ума»), самым из­вестным из них яв­ляется «аналитическая машина» Бэб­биджа. По его замыслу такая машина должна была автоматически вы­полнять раз­личные вычисления при последо­ва­тельном вводе набора перфокарт, со­дер­жащих пары команд и данных. К сожалению, Бэббидж не смог довести свою работу до конца - задача оказа­лась слишком слож­ной для техники того времени. И только во второй поло­вине XIX в. Холлерит раз­работал и создал такую машину (впер­вые она ис­пользовалась в 1890 г. в Аме­рике при обработке результатов пере­писи на­се­ления). С тех пор ма­шины с перфориро­ванными кар­тами получили широ­кое рас­пространение. В 1896 г. он ос­но­вал фирму, ко­торая яви­лась предшествен­ни­ком известной фирмы IBM.

В истории развития вычислительной техники оставили заметный след такие ученые, как М.Бонч-Бруевич (изобрел ламповый триггер). А.Тьюринг (выдвинул идею абстрактной вычислительной машины). К.Шеннон (разра­ботал аппарат математической логики). Г.Айкен (сконструировал авто­матическую вычислительную машину с про­граммным управлением на релей­ных и механических элементах) и др.

Следует сказать, что ско­рость вы­числений в механических машинах суще­ственно ограничена, по­этому в 30-х гг. XX в. начались разра­ботки элек­тронных вы­чис­лительных машин (ЭВМ), эле­ментной базой которых стала трехэлектродная ваку­умная лампа. Вторая миро­вая война дала серьезный толчок к усовершенст­вова­нию вы­числительных уст­ройств и технологии их про­изводства. С 1943 г. по 1946 г. в университете г. Пен­сильвания американ­ским инженером Д.Эккертом и физиком Д.Моучли была сконструирована и по­строена первая электрон­ная цифро­вая ЭВМ, по­лучив­шая название «ENIAC» (Electronic Numerical Integrator and Computer). Глав­ной целью при раз­работке этой ма­шины было состав­ление чи­словых таб­лиц для вычисления траектории по­лета снаря­дов и ракет. Машина весила около 30 тонн и зани­мала площадь 200 м², со­держала 18 тыс. ламп. Команды по про­грамме вводи­лись вручную. Каждая но­вая про­грамма тре­бовала новой комби­нации сигна­лов. В ре­зультате на создание и вы­полне­ние даже самой простой про­граммы требова­лись очень много времени. Слож­ности в про­граммировании на пер­вой ЭВМ натолкнули Джона фон Ней­мана (кон­суль­танта этого проекта) на разработку принципов по­строения ЭВМ.

Итак, электронно-вычислительная машина представляет собой про­грам­мируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и произ­водить вычис­ления, а также выполнять другие задачи манипулирова­ния сим­во­лами. Основу ЭВМ или компьютеров образует аппаратура (HardWare), по­строен­ная, в основном, с ис­пользованием электронных и элек­тромеханиче­ских элемен­тов и устройств. Прин­цип действия компьютеров состоит в вы­полнении заранее заданных программ (SoftWare), т.е. четко оп­ределённых последовательно­стей арифметических, логи­че­ских и других опе­раций.

Принципы Джона фон Неймана. В основу архитектуры подавляющего большинства электронных вычислительных машин (архитектура ЭВМ – это ее логическая организация, информационные связи, структура и ресурсы) положены общие прин­ципы, сформулированные в 1945 году американским ученым Джоном фон Нейманом:

Принцип программного управления. Из него следует, что программа хра­нится в ЭВМ и состоит из набора команд, которые выполняются процес­сором автоматиче­ски друг за дру­гом в определенной последова­тельности (выборка команд из памяти осуществляется при помощи счетчика ко­манд), т.е процессор исполняет программу ав­томатиче­ски, без вмеша­тельства чело­века.

1. Принцип однородности памяти. Программы и данные (записанные в дво­ичном коде) хранятся в одной и той же памяти. Компьютер не дол­жен различать, что хра­нится в данной ячейке па­мяти - число, текст или ко­манда.

2. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенуме­рован­ных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна лю­бая ячейка.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-нейма­нов­ских (но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-ней­ма­новских).

Компьютер (по Нейману) должен иметь следующие уст­ройства:

• арифметико-логическое устройство (АЛУ) – обрабатывает данные по задан­ной программе (выполняет над ними арифметические и логические операции);

• устройство управления (УУ) - организует процесс выполнения про­грамм;

• запоминающее устройство, или память – служит для хранения программ и дан­ных;

• внешние устройства – осуществляют ввод и вывод информации.

Арифметико-логическое устройство

Устройство управления

Внешние устройства

Оперативная память

(одинарные линии это управляющие связи, двойные – информаци­онные)

Выполнение программы (точнее, ее команд) осуществляется следую­щим образом:

• из ячейки памяти выбирается команда;

• команда передаётся в устройство управления;

• устройство управления расшифровывает адрес команды;

• по сигналам устройства управления операнды выбираются из памяти в арифметико-логическое устройство;

• устройство управления расшифровывает код операции и выдаёт сигнал арифметико-логическому устройству выполнить операцию;

• результат операции остаётся в процессоре, либо возвращается в оператив­ную память.

ЭВМ, созданные в середине XX века, имели две важные особен­но­сти, кото­рыми не обладали ранее созданные машины - это возможность про­грам­мирова­ния и способность хра­нения информации. Заме­тим, что большин­ство со­временных компьютеров в основных чертах своего построения соответст­вуют принципам, изложенным фон Нейманом.