3. Основы устройства эвм

3.1. Реализация эвм, как машины Тьюринга

Для того чтобы изучить устройство вычислительной машины, рассмотрим те инженерные решения, которые были сделаны при ее создании. Модель, предложенная Аланом Тьюрингом, представляет ЭВМ в виде ленты и каретки, которая перемещается вдоль ленты (описание машины Тьюринга дано выше). Вполне логично назначить каретке функции исполнительного устройства. Для этого исполнительного устройства в свое время был предложен термин – процессор. Тогда лента, то место, где хранятся данные для решения нашей задачи, – этооперативная памятьнашей вычислительной машины.

Самое узкое здесь место – перемещение каретки (или ленты), которое механическим устройством выполняется только пошагово. Память, устроенная таким образом, имеет последовательный доступ. При достаточно большом объеме памяти (длинной ленте) перемещение будет занимать неоправданно большое время. Требуется, чтобы каретка мгновенно появлялась в любом требуемом месте ленты. Другими словами, нам нужен произвольный доступ к памяти. Электрический ток позволяет реализовать такую «чудесную» каретку следующим образом. Во-первых, снабдим каждый элемент нашей ленты (каждую ячейку памяти) устройством, преобразующим информацию, хранящуюся в этой ячейке, в электрический сигнал. Далее, пронумеруем все ячейки по некоторому правилу. Разработаем устройство, которое при помощи электрической коммутации соединяет любую ячейку памяти с нашей кареткой (процессором). Для этого в устройство коммутации по электрическим проводам отправляется номер нашей ячейки. Он раскодируется при помощи дешифратора так, чтобы сформировать управляющий сигнал, который, в свою очередь, замыкает электрическую связь между заданными выходами коммутатора примерно так, как это делается в станциях автоматической телефонной связи. Наше устройство хранения данных готово.

Память, реализованная таким образом, называется памятью с произвольным доступом. Память такого вида прекрасно заменяет нашу ленту в машине Тьюринга. Нашему процессору (каретке) требуется только отправить в форме электрического сигнала номер требуемой ячейки в устройство коммутации, а затем, в зависимости от операции, либо принять информацию, либо оставить ее на ленте. Интересно, что машина Тьюринга сперва считывает одно содержимое, а потом всегда записывает другое, но, как оказалось впоследствии, выполнять обе эти операции каждый раз не обязательно.

Как показала дальнейшая практика, такая память имеет приемлемую себестоимость хранения информации только если устройство, которое преобразует информацию, хранящуюся в ячейке, в электрический сигнал имеет низкую себестоимость. В идеальном случае сами элементы хранения физически реализованы так, что мы получаем электрический сигнал, содержащий информацию в ячейке сразу после обращения к ней. Запись в ячейку должна происходить также – отправлением электрического сигнала определенного уровня в ячейку хранения.

Первое время себестоимость элементов хранения для памяти с произвольным доступом была очень высокой. В то же время появились магнитные среды хранения, которые обеспечивали низкую стоимость элементов хранения, однако требовали достаточно сложного преобразования информации из элемента хранения в электрический сигнал. Другими словами, приемлемая себестоимость хранения достигалась только тогда, когда одно дорогое устройство преобразования соответствовало большому числу дешевых элементов хранения. Здесь было найдено следующее решение, которое является своего рода откатом к старой механической технологии с лентой. Элементы хранения располагаются на барабане, вращающемся с большой скоростью, таким образом неподвижное устройство, преобразующее содержимое элементов хранения в электрический сигнал, перемещается над всеми этими элементами по циклу. Теперь, чтобы получить к доступ к заданному элементу хранения, достаточно дождаться момента, когда этот элемент окажется на достаточно малом расстоянии от устройства преобразования. В этот момент и происходит операция чтения или записи. Устройство коммутации просто обеспечивает контакт между процессором (кареткой) и устройством преобразования сигнала в момент времени, определенный номером требуемой ячейки. Если рассматривать такое устройство хранения в применении к машине Тьюринга, то можно сказать, что каретка с большой скоростью движется вдоль закольцованной ленты, а операция с лентой происходит в момент прохождения кареткой определенной ячейки. Такой способ организации оперативной памяти просуществовал до 50-х годов, пока себестоимость элементов хранения, не требующих преобразования информации в электрический сигнал, не упала до определенного уровня. В накопителях (не в оперативной памяти), где время доступа не так критично, такой способ организации применяется до сих пор и весьма эффективен.

Главным в итоге всех этих решений является следующее усовершенствование машины Тьюринга. Нам больше не требуется перемещать каретку, нам не требуются команды, определяющие направление движения каретки на каждом шаге, нам достаточно указать код той ячейки, где расположены требуемые данные. Это усовершенствование позволяет резко упростить написание алгоритмов для нашей машины, позволяет сделать наши вычислительные машины удобными для практического использования.