До принципів фон нейману функціонування комп'ютера належать. Принципи фон Неймана побудови електронно-обчислювальної машини. Чотири покоління ЕОМ

Державний освітній заклад

вищої професійної освіти Тюменської області

ТЮМЕНСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

СВІТОВОЇ ЕКОНОМІКИ, УПРАВЛІННЯ І ПРАВА

Кафедра математики та інформатики

з дисципліни

«ВИЧИСЛЮВАЛЬНІ СИСТЕМИ, МЕРЕЖІ І ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЇ»

«ПРИНЦИПИ ФОН НЕЙМАНА»

1. Вступ………………………………………………………………....2

2. Основні принципи архітектури Джона фон Неймана…………….3

3. Структура ЕОМ…………………………………………………………3

4. Як працює машина Джона фон Неймана…………………………...4

5. Висновок……………………………………………………………...6

Список литературы………………………………………………………...8

Вступ

З середини 1960-х дуже змінився підхід до створення обчислювальних машин. Замість розробки апаратури та засобів математичного забезпечення стала проектуватися система, що складається із синтезу апаратних (hardware) та програмних (software) засобів. У цьому головний план висунулася концепція взаємодії. Так виникло нове поняття – архітектура ЕОМ.

Під архітектурою ЕОМ прийнято розуміти сукупність загальних принципів організації апаратно-програмних засобів та їх основних характеристик, що визначає функціональні можливості обчислювальної машини під час вирішення відповідних типів завдань.

Архітектура ЕОМ охоплює значне коло проблем, пов'язаних із створенням комплексу апаратних та програмних засобів та враховують велику кількість визначальних факторів. Серед цих факторів основними є вартість, сфера застосування, функціональні можливості, зручність в експлуатації, а одним з основних компонентів архітектури вважаються апаратні засоби.

Архітектуру обчислювального засобу необхідно відрізняти від структури, так як структура обчислювального засобу визначає його поточний склад певному рівні деталізації та описує зв'язки всередині засобу. Архітектура визначає основні правила взаємодії складових елементів обчислювального засобу, опис яких виконується тією мірою, якою необхідно для формування правил взаємодії. Вона встановлює в повному обсязі зв'язку, лише найбільш необхідні, які мають бути відомі більш грамотного використання застосовуваного кошти.

Так, користувачеві ЕОМ не важливо, на яких елементах виконані електронні схеми, схемно чи програмно виконуються команди тощо. Архітектура ЕОМ дійсно відображає коло проблем, які відносяться до спільного проектування та побудови обчислювальних машин та їхнього програмного забезпечення.

Архітектура ЕОМ включає як структуру, відбиває склад ПК, і програмно – математичне забезпечення. Структура ЕОМ - сукупність елементів та зв'язків між ними. Основним принципом побудови всіх сучасних ЕОМ є програмне управління.

Основи вчення про архітектуру обчислювальних машин було закладено Джоном фон Нейманом. Сукупність цих принципів породила класичну (фон-нейманівську) архітектуру ЕОМ.

Основні засади архітектури Джона фон Неймана

Джон фон Нейман (1903 – 1957) – американський математик, який зробив великий внесок у створення перших ЕОМ та розробку методів їх застосування. Саме він заклав основи вчення про архітектуру обчислювальних машин, підключившись до створення першої у світі лампової ЕОМ ENIAC у 1944 році, коли її конструкцію було вже обрано. У процесі роботи, під час численних дискусій зі своїми колегами Г. Голдстайном та А. Берксом, Джон фон Нейман висловив ідею принципово нової ЕОМ. У 1946 році вчені виклали свої принципи побудови обчислювальних машин у класичній статті, що стала «Попередній розгляд логічної конструкції електронно-обчислювального пристрою». З того часу минуло понад півстоліття, але висунуті в ній положення зберігають свою актуальність і сьогодні.

У статті переконливо обґрунтовується використання двійкової системи для представлення чисел, адже раніше всі обчислювальні машини зберігали оброблювані числа в десятковому вигляді. Автори продемонстрували переваги двійкової системи для технічної реалізації, зручність та простоту виконання у ній арифметичних та логічних операцій. Надалі ЕОМ почали обробляти і нечислові види інформації – текстову, графічну, звукову та інші, але двійкове кодування даних як і становить інформаційну основу будь-якого сучасного комп'ютера.

Ще однією революційною ідеєю, значення якої важко переоцінити, є запропонований Нейманом принцип «збереженої програми». Спочатку програма задавалася шляхом встановлення перемичок на спеціальній комутаційній панелі. Це було дуже трудомістким заняттям: наприклад, для зміни програми машини ENIAC потрібно кілька днів, тоді як власне розрахунок не міг тривати більше кількох хвилин - виходили з ладу лампи, яких було дуже багато. Нейман першим здогадався, що програма може також зберігатися у вигляді набору нулів і одиниць, причому в тій самій пам'яті, що і числа, що нею обробляються. Відсутність принципової різниці між програмою та даними дала можливість ЕОМ самій формувати для себе програму відповідно до результатів обчислень.

Структура ЕОМ

Джон фон Нейман як висунув основні принципи логічного устрою ЕОМ, а й запропонував її структуру, яка відтворювалася протягом перших двох поколінь ЕОМ. Основними блоками по Нейману є пристрій управління (УУ) та арифметико-логічний пристрій (АЛУ), які зазвичай об'єднуються в центральний процесор, який також входить набір регістрів загального призначення (РОН) – для проміжного зберігання інформації в процесі її обробки; пам'ять, зовнішня пам'ять, пристрої введення та виведення. Слід зазначити, що зовнішня пам'ять відрізняється від пристроїв введення та виведення тим, що дані до неї заносяться у вигляді, зручному комп'ютеру, але недоступному для безпосереднього сприйняття людиною.

Архітектура ЕОМ, побудована за принципами Джон фон Неймана.

Суцільні лінії зі стрілками вказують напрямок потоків інформації, пунктирні - сигналів, що управляють.

Як працює машина Джона фон Неймана

Тепер більш детально поговоримо про те, як працює машина побудована на даній архітектурі. Машина фон Неймана складається з запам'ятовуючого пристрою (пам'яті) - ЗУ, арифметико-логічного пристрою - АЛУ, пристрої управління - УУ, а також пристроїв введення та виведення, що видно їх схеми і про що йшлося раніше.

Програми та дані вводяться в пам'ять із пристрою введення через арифметико-логічний пристрій. Всі команди програми записуються в сусідні осередки пам'яті, а дані для обробки можуть утримуватись у довільних осередках. У будь-якій програмі остання команда має бути командою завершення роботи.

Команда складається з вказівки, яку операцію слід виконати та адреси осередків пам'яті, де зберігаються дані, над якими слід виконати зазначену операцію, а також адреси осередку, куди слід записати результат, якщо його потрібно зберегти в ЗП.

Арифметико-логічний пристрій виконує зазначені командами операції над цими даними. З нього результати виводяться у пам'ять чи пристрій виведення.

Керуючий пристрій керує всіма частинами комп'ютера. Від нього на інші пристрої надходять сигнали «що робити», а від інших пристроїв УУ отримує інформацію про їхній стан. Воно містить спеціальний регістр (комірку), який називається «лічильник команд». Після завантаження програми та даних у пам'ять у лічильник команд записується адреса першої команди програми, а УУ зчитує з пам'яті вміст комірки пам'яті, адресу якої перебуває у лічильнику команд, і поміщає їх у спеціальний пристрій - «Регістр команд». УУ визначає операцію команди, «відзначає» у пам'яті дані, адреси яких вказані у команді, та контролює виконання команди.

АЛУ – забезпечує арифметичну та логічну обробку двох змінних, у результаті яких формується вихідна змінна. Функції АЛУ зазвичай зводяться до простих арифметичних та логічних операцій та операцій зсуву. Також формує ряд ознак результату (прапорів), що характеризують отриманий результат та події, що відбулися в результаті його отримання (рівність нулю, знак, парність, переповнення). Прапори можуть аналізувати УУ з метою прийняття рішення про подальшу послідовність виконання команд.

В результаті виконання будь-якої команди лічильник команд змінюється на одиницю і, отже, вказує наступну команду програми. Коли потрібно виконати команду, яка не наступна по порядку за поточною, а віддалену від даної на якусь кількість адрес, то спеціальна команда переходу містить адресу комірки, куди потрібно передати управління.

Висновок

Отже, виділимо ще раз основні принципи, запропоновані фон Нейманом:

· Принцип двійкового кодування.Для представлення даних та команд використовується двійкова система числення.

· Принцип однорідності пам'яті.Як програми (команди), так і дані зберігаються в одній і тій же пам'яті (і кодуються в одній і тій самій системі числення - найчастіше двійковій). Над командами можна виконувати такі самі дії, як і над даними.

· Принцип адресації пам'яті.Структурно основна пам'ять складається з пронумерованих осередків; процесору в довільний момент часу доступна будь-яка комірка.

По суті, Нейману вдалося узагальнити наукові розробки та відкриття багатьох інших вчених та сформулювати на їх основі принципово нове.

Принципи фон Неймана

Використання двійкової системи числення у обчислювальних машинах. Перевага перед десятковою системою числення полягає в тому, що пристрої можна робити досить простими, арифметичні та логічні операції у двійковій системі числення також виконуються досить просто.
Програмне управління ЕОМ. Робота ЕОМ контролюється програмою, що з набору команд. Команди виконуються послідовно один за одним. Створенням машини з програмою, що зберігається в пам'яті, було започатковано те, що ми сьогодні називаємо програмуванням.
Пам'ять комп'ютера використовується як для зберігання даних, а й програм.. У цьому команди програми та дані кодуються в двійковій системі числення, тобто. їх спосіб запису однаковий. Тому в певних ситуаціях над командами можна виконувати ті самі дії, що над даними.
Осередки пам'яті ЕОМ мають адреси, які послідовно пронумеровані. У будь-який момент можна звернутися до будь-якої комірки пам'яті на її адресу. Цей принцип відкрив можливість використовувати змінні у програмуванні.
Можливість умовного переходу у процесі виконання програми. Незважаючи на те, що команди виконуються послідовно, у програмах можна реалізувати можливість переходу до будь-якої ділянки коду.

Найголовнішим наслідком цих принципів можна назвати те, що тепер програма вже була постійною частиною машини (як, наприклад, у калькулятора). Програму можна було легко змінити. А ось апаратура, звичайно ж, залишається незмінною, і дуже простою.

Для порівняння, програма комп'ютера ENIAC (де не було збереженої у пам'яті програми) визначалася спеціальними перемичками на панелі. Щоб перепрограмувати машину (встановити перемички по-іншому), міг знадобитися далеко не один день. І хоча програми для сучасних комп'ютерів можуть писатися роки, вони працюють на мільйонах комп'ютерів після кілька хвилинної установки на жорсткий диск.

Як працює машина фон Неймана

Машина фон Неймана складається з пам'яті - ЗУ, арифметико-логічного пристрою - АЛУ, пристрою управління - УУ, а також пристроїв введення та виведення.

Команда складається з вказівки, яку операцію слід виконати (з можливих операцій на даному «залізі») та адрес осередків пам'яті, де зберігаються дані, над якими слід виконати зазначену операцію, а також адреси осередку, куди слід записати результат (якщо його потрібно зберегти в ЗУ).

Арифметико-логічний пристрій виконує зазначені командами операції над цими даними.

З арифметико-логічного пристрою результати виводяться у пам'ять чи пристрій виведення. Принципова відмінність між ЗУ та пристроєм виведення полягає в тому, що в ЗУ дані зберігаються у вигляді, зручному для обробки комп'ютером, а на пристрої виведення (принтер, монітор та ін) надходять так, як зручно людині.

УУ управляє усіма частинами комп'ютера. Від пристрою, що управляє, на інші пристрої надходять сигнали «що робити», а від інших пристроїв УУ отримує інформацію про їх стан.

Керуючий пристрій містить спеціальний регістр (комірку), який називається лічильник команд. Після завантаження програми та даних у пам'ять у лічильник команд записується адреса першої команди програми. УУ зчитує з пам'яті вміст осередку пам'яті, адреса якої знаходиться в лічильнику команд, і поміщає його в спеціальний пристрій - "Регістр команд". УУ визначає операцію команди, «відзначає» у пам'яті дані, адреси яких вказані у команді, та контролює виконання команди. Операцію виконує АЛП або апаратні засоби комп'ютера.

· Принцип двійкового кодування

· Відповідно до цього принципу, вся інформація, що надходить до ЕОМ, кодується за допомогою двійкових сигналів (двійкових цифр, бітів) і поділяється на одиниці, які називаються словами.

· Принцип однорідності пам'яті

· Програми та дані зберігаються в одній і тій же пам'яті. Тому ЕОМ не розрізняє, що зберігається у цій осередку пам'яті - число, текст чи команда. Над командами можна виконувати такі самі дії, як і над даними.

· Принцип адресації пам'яті

· Структурно основна пам'ять складається з пронумерованих осередків; процесору в довільний момент часу доступна будь-яка комірка. Звідси слід можливість давати імена областям пам'яті, так, щоб до значень, що зберігаються в них, можна було б згодом звертатися або змінювати їх у процесі виконання програми з використанням присвоєних імен.

· Принцип послідовного програмного управління

· Припускає, що програма складається з набору команд, які виконуються процесором автоматично один за одним у певній послідовності.

· Принцип жорсткості архітектури

· Незмінність у процесі роботи топології, архітектури, списку команд.

· Комп'ютери, побудовані цих принципах, відносять до типу фон-неймановских.

Найголовнішим наслідком цих принципів можна назвати те, що тепер програма вже не була постійною частиною машини (наприклад, у калькулятора). Програму можна було легко змінити. А ось апаратура, звичайно ж, залишається незмінною, і дуже простою.

· Для порівняння, програма комп'ютера ENIAC (де не було збереженої в пам'яті програми) визначалася спеціальними перемичками на панелі. Щоб перепрограмувати машину (встановити перемички по-іншому), міг знадобитися далеко не один день. І хоча програми для сучасних комп'ютерів можуть писатися роки, вони працюють на мільйонах комп'ютерів після кілька хвилинної установки на жорсткий диск.

· Машина фон Неймана складається з пам'яті - ЗУ, арифметико-логічного пристрою - АЛУ, пристрої управління - УУ, а також пристроїв введення та виведення.

· Програми та дані вводяться в пам'ять із пристрою введення через арифметико-логічний пристрій. Всі команди програми записуються в сусідні осередки пам'яті, а дані для обробки можуть утримуватись у довільних осередках. У будь-якій програмі остання команда має бути командою завершення роботи.

· Команда складається з вказівки, яку операцію слід виконати (з можливих операцій на даному «залізі») та адрес осередків пам'яті, де зберігаються дані, над якими слід виконати зазначену операцію, а також адреси осередку, куди слід записати результат (якщо його потрібно зберегти у ЗУ).

· Арифметико-логічний пристрій виконує зазначені командами операції над вказаними даними.

· З арифметико-логічного пристрою результати виводяться у пам'ять чи пристрій виведення. Принципова відмінність між ЗУ та пристроєм виведення полягає в тому, що в ЗУ дані зберігаються у вигляді, зручному для обробки комп'ютером, а на пристрої виведення (принтер, монітор та ін) надходять так, як зручно людині.

· УУ управляє усіма частинами комп'ютера. Від пристрою, що управляє, на інші пристрої надходять сигнали «що робити», а від інших пристроїв УУ отримує інформацію про їх стан.

· Керуючий пристрій містить спеціальний регістр (комірку), який називається «лічильник команд». Після завантаження програми та даних у пам'ять у лічильник команд записується адреса першої команди програми. УУ зчитує з пам'яті вміст осередку пам'яті, адреса якої знаходиться в лічильнику команд, і поміщає його в спеціальний пристрій - "Регістр команд". УУ визначає операцію команди, «відзначає» у пам'яті дані, адреси яких вказані у команді, та контролює виконання команди. Операцію виконує АЛП або апаратні засоби комп'ютера.

· В результаті виконання будь-якої команди лічильник команд змінюється на одиницю і, отже, вказує на наступну команду програми. Коли потрібно виконати команду, яка не наступна по порядку за поточною, а віддалену від даної на якусь кількість адрес, то спеціальна команда переходу містить адресу комірки, куди потрібно передати управління.

16) Структура та архітектура обчислювальної системи

Система (від грецького systema - ціле, складене з частин з'єднання) - це сукупність елементів, що взаємодіють один з одним, що утворюють певну цілісність, єдність.
Обчислювальна система - це сукупність одного або кількох комп'ютерів чи процесорів, програмного забезпечення та периферійного обладнання, організована для спільного виконання інформаційно-обчислювальних процесів.
Відмінною особливістю ЗС по відношенню до ЕОМ є наявність у них кількох обчислювачів, що реалізують паралельну обробку.
Основні принципи побудови, що закладаються під час створення ВС:
можливість роботи у різних режимах;
модульність структури технічних та програмних засобів, що дозволяє вдосконалювати та модернізувати обчислювальні системи без корінних їх переробок;
уніфікація та стандартизація технічних та програмних рішень;
ієрархія у створенні управління процесами;
здатність систем до адаптації, самоналаштування та самоорганізації;
забезпечення необхідним сервісом користувачів під час виконання обчислень
За призначенням ВС ділять на
універсальні,
проблемно-орієнтовані
спеціалізовані.
Універсальні призначаються на вирішення широкого класу завдань. Проблемно орієнтовані використовуються для вирішення певного кола завдань у порівняно вузькій сфері. Спеціалізовані орієнтовані рішення вузького класу завдань
За типом ВС розрізняються на
багатомашинні
багатопроцесорні.
Обчислювальна система може будуватися на основі або цілих комп'ютерів (багатомашинна ЗС), або на основі окремих процесорів (багатопроцесорна ЗС).
За типом ЕОМ чи процесорів розрізняють
однорідні – будуються з урахуванням однотипних комп'ютерів чи процесорів.
неоднорідні системи – включає у собі різні типи комп'ютерів чи процесорів.
Територіально ЗС поділяються на:
зосереджені (всі компоненти розташовуються у безпосередній близькості один від одного);
розподілені (компоненти можуть розташовуватися на значній відстані, наприклад, обчислювальні мережі);
За методами керування елементами ВС розрізняють
централізовані,
децентралізовані
зі змішаним керуванням.

За режимом роботи ВС розрізняють системи, що працюють у
оперативному
неоперативний часовий режим.
Крім цього, ЗС можуть бути структурно
однорівневими (є лише один загальний рівень обробки даних);
Багаторівневими (ієрархічними) структурами. У ієрархічних НД машини або процесори розподілені за різними рівнями обробки інформації, деякі машини (процесори) можуть спеціалізуватися на виконанні певних функцій.
Структура обчислювальної системи.
Структура ВС - це сукупність комплексованих елементів та його зв'язків. Як елементи ВС виступають окремі ЕОМ та процесори.
В описаній багаторівневій структурі реалізується класична фон-неймановська організація ВС і передбачає послідовну обробку інформації за заздалегідь складеною програмою.
Архітектура обчислювальних систем. Класифікація архітектур обчислювальних систем.
Архітектура системи – сукупність властивостей системи, суттєвих для користування.
Архітектурою комп'ютера називається його опис на певному загальному рівні, що включає опис можливостей програмування, системи команд, системи адресації, організації пам'яті і т.д.
Класична архітектура (архітектура фон Неймана) – один арифметико-логічний пристрій (АЛУ), через який проходить потік даних, та один пристрій управління (УУ), через який проходить потік команд – програма. Це однопроцесорний комп'ютер.
Багатомашинна обчислювальна система. Тут кілька процесорів, які входять у обчислювальну систему, немає загальної оперативної пам'яті, а мають кожен свою (локальну). Кожен комп'ютер у багатомашинній системі має класичну архітектуру, і така система застосовується досить широко.
Найранішою і найвідомішою є класифікація архітектур обчислювальних систем, запропонована 1966 року М.Флінном.

· Класифікація базується на понятті потоку, під яким розуміється послідовність елементів, команд чи даних, що обробляється процесором. На основі числа потоків команд і потоків даних Флін виділяє чотири класи архітектур: SISD, MISD, SIMD, MIMD.
SISD (single instruction stream / single data stream) - одиночний потік команд та одиночний потік даних. До цього класу відносяться, перш за все, класичні послідовні машини, або інакше, машини фон-нейманівського типу, наприклад PDP-11 або VAX 11/780. У таких машинах є лише один потік команд, всі команди обробляються послідовно одна за одною і кожна команда ініціює операцію з одним потоком даних. Не має значення той факт, що для збільшення швидкості обробки команд і швидкості виконання арифметичних операцій може застосовуватися конвеєрна обробка - як CDC 6600 машина зі скалярними функціональними пристроями, так і CDC 7600 з конвеєрними потрапляють в цей клас.
SIMD (single instruction stream/multiple data stream) - одиночний потік команд та множинний потік даних. В подібних архітектурах зберігається один потік команд, що включає, на відміну від попереднього класу, векторні команди. Це дозволяє виконувати одну арифметичну операцію відразу над багатьма даними елементами вектора. Спосіб виконання векторних операцій не обумовлюється, тому обробка елементів вектора може проводитися процесорною матрицею, як в ILLIAC IV, або за допомогою конвеєра, як, наприклад, в машині CRAY-1.
MISD (multiple instruction stream/single data stream) - множинний потік команд і одиночний потік даних. Визначення має на увазі наявність в архітектурі багатьох процесорів, які обробляють один і той же потік даних. Однак ні Флінн, ні інші фахівці в галузі архітектури комп'ютерів досі не змогли подати переконливий приклад реально існуючої обчислювальної системи, побудованої на цьому принципі. Ряд дослідників відносять конвеєрні машини до цього

Першим арифмометром, здатним виконувати чотири основні арифметичні дії, став арифмометр знаменитого французького вченого та філософа Блеза Паскаля. Основним елементом у ньому було зубчасте колесо, винахід якого вже сам собою став ключовою подією в історії обчислювальної техніки. Хотілося б відзначити, що еволюція в галузі обчислювальної техніки носить нерівномірний, стрибкоподібний характер: періоди накопичення сил змінюються проривами в розробках, після чого настає період стабілізації, під час якого досягнуті результати використовуються практично і одночасно накопичуються знання та сили для чергового ривка вперед. Після кожного витка процес еволюції виходить на новий, більш високий щабель.

У 1671 році німецький філософ і математик Густав Лейбніц також створює арифмометр на основі зубчастого колеса особливої конструкції - зубчастого колеса Лейбніца. Арифмометр Лейбніца, як і арифмометри його попередників, виконував чотири основні арифметичні дії. На цьому цей період закінчився, і людство протягом майже півтора століття накопичувало сили та знання для наступного витка еволюції обчислювальної техніки. XVIII і XIX століття були часом, коли бурхливо розвивалися різні науки, зокрема математика та астрономія. Вони часто виникали завдання, потребують тривалих і трудомістких обчислень.

Ще однією відомою людиною в історії обчислювальної техніки став англійський математик Чарльз Беббідж. У 1823 році Беббідж почав працювати над машиною для обчислення поліномів, але, що цікавіше, ця машина мала, окрім безпосереднього виробництва обчислень, видавати результати - друкувати їх на негативній пластині для фотодруку. Планувалося, що машина приводитиметься в дію паровим двигуном. Через технічні труднощі Беббідж до кінця не вдалося реалізувати свій проект. Тут уперше виникла ідея використати деякий зовнішній (периферійний) пристрій для видачі результатів обчислень. Зазначимо, що інший вчений, Шойц, у 1853 році все ж таки реалізував машину, задуману Беббіджем (вона вийшла навіть менше, ніж планувалася). Напевно, Бэббиджу більше подобався творчий процес пошуку нових ідей, ніж втілення в щось матеріальне. В 1834 він виклав принципи роботи чергової машини, яка була названа ним «Аналітичної». Технічні проблеми знову дозволили йому остаточно реалізувати свої ідеї. Беббідж зміг довести машину лише до стадії експерименту. Але саме ідея є рушієм науково-технічного прогресу. Чергова машина Чарльза Бебіджа була втіленням наступних ідей:

Управління виробничим процесом. Машина керувала роботою ткацького верстата, змінюючи візерунок створюваної тканини в залежності від поєднання отворів на спеціальній паперовій стрічці. Ця стрічка стала попередницею таких знайомих нам усім носіїв інформації, як перфокарти та перфострічки.

Програмованість. Роботою машини також керувала спеціальна паперова стрічка з отворами. Порядок проходження отворів на ній визначав команди та оброблювані цими командами дані. Машина мала арифметичний пристрій та пам'ять. До складу команд машини входила навіть команда умовного переходу, що змінює перебіг обчислень залежно від деяких проміжних результатів.

У розробці цієї машини брала участь графиня Ада Августа Лавлейс, яку вважають першою програмістом у світі.

Ідеї Чарльза Беббіджа розвивалися та використовувалися іншими вченими. Так, у 1890 році, на рубежі XX століття, американець Герман Холлеріт розробив машину, що працює з таблицями даних (перший Excel?). Машина керувалась програмою на перфокартах. Вона використовувалася під час проведення перепису населення США 1890 року. У 1896 році Холлеріт заснував фірму, яка стала попередницею корпорації IBM. Зі смертю Беббіджа в еволюції обчислювальної техніки настала чергова перерва аж до 30-х років XX століття. Надалі весь розвиток людства став немислимим без комп'ютерів.

В 1938 центр розробок ненадовго зміщується з Америки до Німеччини, де Конрад Цузе створює машину, яка оперує, на відміну від своїх попередниць, не десятковими числами, а двійковими. Ця машина також була все ще механічною, але її безперечною перевагою було те, що в ній була реалізована ідея обробки даних у двійковому коді. Продовжуючи свої роботи, Цузе в 1941 створив електромеханічну машину, арифметичне пристрій якої було виконано на базі реле. Машина вміла виконувати операції з плаваючою точкою.

За океаном, в Америці, у цей період також точилися роботи зі створення подібних електромеханічних машин. В 1944 Говард Ейкен спроектував машину, яку назвали Mark-1 . Вона, як і машина Цузе, працювала на реле. Але через те, що ця машина була створена під впливом робіт Беббіджа, вона оперувала з даними в десятковій формі.

Звичайно, через велику питому вагу механічних елементів ці машини були приречені.

Чотири покоління ЕОМ

До кінця тридцятих років XX століття потреба в автоматизації складних обчислювальних процесів сильно зросла. Цьому сприяв бурхливий розвиток таких галузей, як літакобудування, атомна фізика та інші. З 1945 року по наші дні обчислювальна техніка пройшла 4 покоління у своєму розвитку:

Перше покоління

Перше покоління (1945-1954) – комп'ютери на електронних лампах. Це доісторичні часи, епоха становлення обчислювальної техніки. Більшість машин першого покоління були експериментальними пристроями та будувалися з метою перевірки тих чи інших теоретичних положень. Вага та розміри цих комп'ютерних динозаврів, які нерідко вимагали для себе окремих будівель, давно стали легендою.

Починаючи з 1943 року, група фахівців під керівництвом Говарда Айткена, Дж. Моучлі та П. Еккерта у США почала конструювати обчислювальну машину на основі електронних ламп, а не на електромагнітних реле. Ця машина була названа ENIAC (Electronic Numeral Integrator And Computer) і працювала вона у тисячу разів швидше, ніж "Марк-1". ENIAC містив 18 тисяч вакуумних ламп, займав площу 9х15 метрів, важив 30 тонн та споживав потужність 150 кіловат. ENIAC мав і істотний недолік - управління ним здійснювалося за допомогою комутаційної панелі, у нього була відсутня пам'ять, і для того, щоб задати програму, доводилося протягом декількох годин або навіть днів під'єднувати потрібним чином дроти. Найгіршим із усіх недоліків була жахлива ненадійність комп'ютера, оскільки за день роботи встигало вийти з ладу близько десятка вакуумних ламп.

Щоб спростити процес завдання програм, Моучлі та Еккерт стали конструювати нову машину, яка могла б зберігати програму у своїй пам'яті. У 1945 році до роботи було залучено знаменитого математика Джона фон Неймана, який підготував доповідь про цю машину. У цьому доповіді фон Нейман ясно і сформулював загальні принципи функціонування універсальних обчислювальних пристроїв, тобто. комп'ютерів. Це перша машина, що діє, побудована на вакуумних лампах, офіційно була введена в експлуатацію 15 лютого 1946 року. Цю машину намагалися використати для вирішення деяких завдань, підготовлених фон Нейманом та пов'язаних із проектом атомної бомби. Потім її було перевезено на Абердинський полігон, де працювала до 1955 року.

ENIAC став першим представником 1-го покоління комп'ютерів. Будь-яка класифікація умовна, але більшість фахівців погодилося з тим, що розрізняти покоління слід, виходячи з тієї елементної бази, на основі якої будуються машини. Таким чином, перше покоління є ламповими машинами.

Необхідно відзначити величезну роль американського математика фон Неймана у становленні техніки першого покоління. Потрібно було осмислити сильні та слабкі сторони ENIAC та дати рекомендації для подальших розробок. У звіті фон Неймана та його колег Г. Голдстайна та А.Беркса (червень 1946 року) було чітко сформульовано вимоги до структури комп'ютерів. Багато положень цього звіту отримали назву принципів Фон Неймана.

Перші проекти вітчизняних ЕОМ було запропоновано С.А. Лебедєвим, Б.І. Рамєєвим у 1948р. У 1949-51гг. за проектом С.А. Лебедєва було побудовано МЭСМ (мала електронно-лічильна машина). Перший пробний запуск макету машини відбувся в листопаді 1950 року, а в експлуатацію машина була здана в 1951 році. МЭСМ працювала в двійковій системі, з триадресною системою команд, причому програма обчислень зберігалася в пристрої оперативного типу. Машина Лебедєва з паралельною обробкою слів була принципово новим рішенням. Вона була однією з перших у світі і першою на європейському континенті ЕОМ із програмою, що зберігається в пам'яті.

До ЕОМ 1-го покоління належить і БЭСМ-1 (велика електронно-лічильна машина), розробка якої під керівництвом С.А. Лебедєва було закінчено 1952 р., вона містила 5 тис. ламп, працювала без збоїв протягом десяти годин. Швидкодія досягала 10 тис. операцій на секунду (Додаток 1).

Майже одночасно проектувалась ЕОМ «Стріла» (Додаток 2) під керівництвом Ю.Я. Базилевського, 1953р. вона була запущена у виробництво. Пізніше з'явилася ЕОМ "Урал - 1" (Додаток 3), що започаткувала велику серію машин "Урал", розроблених і впроваджених у виробництво під керівництвом Б.І. Рамєєва. У 1958р. запущено в серійне виробництво ЕОМ першого покоління М - 20 (швидкість до 20 тис. операцій / с).

ЕОМ першого покоління мали швидкодію кілька десятків тисяч операцій на секунду. Як внутрішній пам'яті застосовувалися феритові сердечники, а АЛУ і УУ були побудовані на електронних лампах. Швидкодія ЕОМ визначалося повільнішим компонентом – внутрішньої пам'яттю і це знижувало загальний ефект.

ЕОМ першого покоління була орієнтація виконання арифметичних операцій. При спробах пристосування завдань аналізу вони виявлялися неефективними.

Мови програмування як таких ще не було, і для кодування своїх алгоритмів програмісти використовували машинні команди або асемблери. Це ускладнювало та затягувало процес програмування.

До кінця 50-х років засоби програмування зазнають принципових змін: здійснюється перехід до автоматизації програмування за допомогою універсальних мов та бібліотек стандартних програм. Використання універсальних мов спричинило виникнення трансляторів.

Програми виконували завдання завданням, тобто. оператору треба було стежити за ходом розв'язання задачі та при досягненні кінця самому ініціювати виконання наступного завдання.

Друге покоління

У другому поколінні комп'ютерів (1955-1964) замість електронних ламп використовувалися транзистори, а як пристрої пам'яті стали застосовуватися магнітні сердечники і магнітні барабани - далекі предки сучасних жорстких дисків. Все це дозволило різко зменшити габарити та вартість комп'ютерів, які тоді вперше почали будуватися на продаж.

Але головні здобутки цієї епохи належать до галузі програм. На другому поколінні комп'ютерів уперше з'явилося те, що сьогодні називають операційною системою. Тоді ж було розроблено перші мови високого рівня — Фортран, Алгол, Кобол. Ці два важливі вдосконалення дозволили значно спростити та прискорити написання програм для комп'ютерів; програмування, залишаючись наукою, набуває рис ремесла.

Відповідно, розширювалася і сфера застосування комп'ютерів. Тепер уже не лише вчені могли розраховувати на доступ до обчислювальної техніки; комп'ютери знайшли застосування в плануванні та управлінні, а деякі великі фірми навіть комп'ютеризували свою бухгалтерію, передбачаючи моду на двадцять років.

Елементною базою другого покоління стали напівпровідники. Безперечно, транзистори можна вважати одним із найбільш вражаючих чудес XX століття.

Патент на відкриття транзистора було видано 1948 року американцям Д.Бардіну та У.Браттейну, а через вісім років вони разом із теоретиком В. Шоклі стали лауреатами Нобелівської премії. Швидкості перемикання вже перших транзисторних елементів виявилися в сотні разів вищими, ніж лампових, надійність та економічність – теж. Вперше стала широко застосовуватися пам'ять на феритових сердечниках та тонких магнітних плівках, були випробувані індуктивні елементи – параметрони.

Перша бортова ЕОМ для установки на міжконтинентальній ракеті - "Атлас" - була введена в експлуатацію в 1955 році. У машині використовувалося 20 тисяч транзисторів і діодів, вона споживала 4 кіловати. У 1961 році наземні комп'ютери "стретч" фірми "Берроуз" керували космічними польотами ракет "Атлас", а машини фірми IBM контролювали політ астронавта Гордона Купера. Під контролем ЕОМ проходили польоти безпілотних кораблів типу «Рейнджер» до Місяця 1964 року, і навіть корабля «Марінер» до Марса. Аналогічні функції виконували і радянські комп'ютери.

У 1956 р. фірмою IBM було розроблено плаваючі магнітні головки на повітряній подушці. Винахід їх дозволило створити новий тип пам'яті - дискові пристрої, значимість яких була повною мірою оцінена в наступні десятиліття розвитку обчислювальної техніки. Перші пристрої на дисках з'явилися в машинах IBM-305 і RAMAC (Додаток 4). Остання мала пакет, що складався з 50 металевих дисків з магнітним покриттям, що оберталися зі швидкістю 12000 об/хв. На поверхні диска розміщувалося 100 доріжок для запису даних, 10000 знаків кожна.

Перші серійні універсальні ЕОМ на транзисторах було випущено 1958 року одночасно у США, ФРН та Японії.

З'являються перші міні-ЕОМ (наприклад, PDP-8 (Додаток 5)).

У Радянському Союзі перші безлампові машини "Сетунь", "Роздан" та "Раздан-2" були створені у 1959-1961 роках. У 60-х роках радянські конструктори розробили близько 30 моделей транзисторних комп'ютерів, більшість яких почали випускатись серійно. Найпотужніший із них – «Мінськ-32» виконував 65 тисяч операцій на секунду. З'явилися цілі родини машин: "Урал", "Мінськ", БЕСМ.

Рекордсменом серед ЕОМ другого покоління стала БЭСМ-6 (Додаток 6), що мала швидкодію близько мільйона операцій на секунду – одна з найпродуктивніших у світі. Архітектура та багато технічних рішень у цьому комп'ютері були настільки прогресивними та випереджаючими свій час, що він успішно використовувався майже до нашого часу.

Спеціально для автоматизації інженерних розрахунків Інституту кібернетики Академії наук УРСР під керівництвом академіка В.М. Глушкова були розроблені комп'ютери МИР (1966) та МИР-2 (1969). Важливою особливістю машини МИР-2 стало використання телевізійного екрану для візуального контролю інформації та світлового пера, за допомогою якого можна було коригувати дані прямо на екрані.

Побудова таких систем, що мали у своєму складі близько 100 тисяч перемикальних елементів, була б просто неможлива на основі лампової техніки. Таким чином, друге покоління народжувалося в надрах першого, переймаючи багато його рис. Однак до середини 60-х років бум у галузі транзисторного виробництва досяг максимуму – відбулося насичення ринку. Справа в тому, що складання електронного обладнання являло собою дуже трудомісткий і повільний процес, який погано піддавався механізації та автоматизації. Таким чином, дозріли умови для переходу до нової технології, яка дозволила б пристосуватися до складності схем, що зростає, шляхом виключення традиційних з'єднань між їх елементами.

Третє покоління

Нарешті, у третьому поколінні ЕОМ (1965-1974) вперше стали використовуватися інтегральні схеми — цілі пристрої та вузли з десятків і сотень транзисторів, виконані одному кристалі напівпровідника (те, що зараз називають мікросхемами). В цей же час з'являється напівпровідникова пам'ять, яка і по всій день використовується в персональних комп'ютерах як оперативна. Пріоритет у винаході інтегральних схем, що стали елементною базою ЕОМ третього покоління, належить американським ученим Д. Кілбі та Р.Нойсу, які зробили це відкриття незалежно один від одного. Масовий випуск інтегральних схем почався 1962 року, а 1964 почав швидко здійснюватися перехід від дискретних елементів до інтегральним. Згадуваний ENIAK, розмірами 9х15 метрів, 1971 року міг би бути зібраний на пластині 1,5 квадратних сантиметра. Почалося перетворення електроніки на мікроелектроніку.

У ці роки виробництво комп'ютерів набуває промислового розмаху. Фірма IBM, що пробилася в лідери, першою реалізувала сімейство ЕОМ — серію повністю сумісних один з одним комп'ютерів від найменших, розміром з невелику шафу (менше тоді ще не робили), до найпотужніших і найдорожчих моделей. Найбільш поширеним у роки було сімейство System/360 фірми IBM, з урахуванням якого у СРСР розробили серія ЄС ЕОМ. У 1973 була випущена перша модель ЕОМ серії ЄС, а з 1975 з'явилися моделі ЄС-1012, ЄС-1032, ЄС-1033, ЄС-1022, а пізніше потужніша ЄС-1060.

У рамках третього покоління в США було побудовано унікальну машину «ІЛЛІАК-4», у складі якої в первісному варіанті планувалося використовувати 256 пристроїв обробки даних, виконаних на монолітних інтегральних схемах. Пізніше проект було змінено через досить високу вартість (понад 16 мільйонів доларів). Число процесорів довелося скоротити до 64, а також перейти до інтегральних схем з малим ступенем інтеграції. Скорочений варіант проекту було завершено 1972 року, номінальна швидкодія «ІЛЛІАК-4» склала 200 мільйонів операцій на секунду. Майже рік цей комп'ютер був рекордсменом у швидкості обчислень.

Ще на початку 60-х з'являються перші мінікомп'ютери - невеликі малопотужні комп'ютери, доступні за ціною невеликих фірм або лабораторій. Мінікомп'ютери були першим кроком на шляху до персональних комп'ютерів, пробні зразки яких були випущені лише в середині 70-х років. Відоме сімейство мінікомп'ютерів PDP фірми Digital Equipment послужило прототипом для радянської серії машин РМ.

Тим часом кількість елементів і з'єднань між ними, що уміщаються в одній мікросхемі, постійно зростала, і в 70-ті роки інтегральні схеми містили тисячі транзисторів. Це дозволило об'єднати в єдиній маленькій детальці більшість компонентів комп'ютера - що і зробила в 1971 р. фірма Intel, випустивши перший мікропроцесор, який призначався для щойно з'явилися настільних калькуляторів. Цьому винаходу судилося зробити в наступному десятилітті справжню революцію — адже мікропроцесор є серцем і душею нашого з вами персонального комп'ютера.

Але й це ще не все — воістину, рубіж 60-х та 70-х років був доленосним часом. 1969 р. зародилася перша глобальна комп'ютерна мережа — зародок того, що ми називаємо Інтернетом. І в тому ж 1969 р. одночасно з'явилися операційна система Unix і мова програмування С («Сі»), які вплинули на програмний світ і досі зберігають своє передове положення.

Четверте покоління

Ще одна зміна елементної бази призвела до зміни поколінь. У 70-ті роки активно ведуться роботи зі створення великих та надвеликих інтегральних схем (ВІС та НВІС), які дозволили розмістити на одному кристалі десятки тисяч елементів. Це спричинило подальше істотне зниження розмірів та вартості ЕОМ. Робота з програмним забезпеченням стала більш дружньою, що спричинило зростання кількості користувачів.

В принципі, за такого ступеня інтеграції елементів стало можливим спробувати створити функціонально повну ЕОМ на одному кристалі. Відповідні спроби було зроблено, хоча вони й зустрічалися здебільшого недовірливою усмішкою. Напевно, цих усмішок стало б менше, якби можна було передбачити, що саме ця ідея стане причиною вимирання великих ЕОМ через півтора десятка років.

Тим не менш, на початку 70-х років фірмою Intel був випущений мікропроцесор (МП) 4004. І якщо до цього у світі обчислювальної техніки були тільки три напрямки (супер-ЕОМ, великі ЕОМ (мейнфрейми) та міні-ЕОМ), то тепер до них додалося ще одне - мікропроцесорне. Загалом під процесором розуміють функціональний блок ЕОМ, призначений для логічної та арифметичної обробки інформації на основі принципу мікропрограмного управління. По апаратної реалізації процесори можна поділити на мікропроцесори (повністю інтегровані всі функції процесора) та процесори з малою та середньою інтеграцією. Конструктивно це виявляється у тому, що мікропроцесори реалізують всі функції процесора одному кристалі, а процесори інших типів реалізують їх шляхом з'єднання великої кількості мікросхем.

Отже, перший мікропроцесор 4004 створили фірмою Intel межі 70-х. Він був 4-розрядним паралельним обчислювальним пристроєм, і його можливості були сильно обмежені. 4004 міг проводити чотири основні арифметичні операції та застосовувався спочатку лише в кишенькових калькуляторах. Пізніше сфера його застосування була розширена за рахунок використання в різних системах керування (наприклад, керування світлофорами). Фірма Intel, правильно передбачивши перспективність мікропроцесорів, продовжила інтенсивні розробки, і один з її проектів зрештою призвів до великого успіху, який визначив майбутній шлях розвитку обчислювальної техніки.

Ним став проект із розробки 8-розрядного процесора 8080 (1974 р.). Цей мікропроцесор мав досить розвинену систему команд та вмів ділити числа. Саме він був використаний при створенні персонального комп'ютера "Альтаїр", для якого молодий Білл Гейтс написав один зі своїх перших інтерпретаторів мови BASIC. Напевно, саме з цієї миті слід вести відлік 5-го покоління.

П'яте покоління

Єрохід до комп'ютерів п'ятого покоління передбачав перехід до нових архітектур, орієнтованих створення штучного інтелекту.

Вважалося, що архітектура комп'ютерів п'ятого покоління міститиме два основні блоки. Один із них — власне комп'ютер, у якому зв'язок із користувачем здійснює блок, який називають «інтелектуальним інтерфейсом». Завдання інтерфейсу - зрозуміти текст, написаний природною мовою або мовлення, і викладена таким чином умова завдання перевести в програму, що працює.

Основні вимоги до комп'ютерів 5-го покоління: створення розвиненого людино-машинного інтерфейсу (розпізнавання мови, образів); Розвиток логічного програмування для створення баз знань та систем штучного інтелекту; створення нових технологій у виробництві обчислювальної техніки; Створення нових архітектур комп'ютерів та обчислювальних комплексів.

Нові технічні можливості обчислювальної техніки мали розширити коло розв'язуваних завдань, і дозволити перейти до завдань створення штучного інтелекту. Як одна з необхідних для створення штучного інтелекту складових є бази знань (бази даних) з різних напрямів науки і техніки. Для створення та використання баз даних потрібна висока швидкодія обчислювальної системи та великий обсяг пам'яті. Універсальні комп'ютери здатні виконувати високошвидкісні обчислення, але не придатні для виконання з високою швидкістю операцій порівняння та сортування великих обсягів записів, які зазвичай зберігаються на магнітних дисках. Для створення програм, що забезпечують заповнення, оновлення баз даних та роботу з ними, були створені спеціальні об'єктно орієнтовані та логічні мови програмування, що забезпечують найбільші можливості, порівняно із звичайними процедурними мовами. Структура цих мов вимагає переходу від традиційної фон-нейманівської архітектури комп'ютера до архітектур, які враховують вимоги створення штучного інтелекту.

До класу суперкомп'ютерів відносять комп'ютери, які мають максимальну на час їхнього випуску продуктивність, або так звані комп'ютери 5-го покоління.

Перші суперкомп'ютери з'явилися вже серед комп'ютерів другого покоління (1955 - 1964, див. комп'ютери другого покоління), вони були призначені для вирішення складних завдань, що вимагали високої швидкості обчислень. Це LARC фірми UNIVAC, Stretch фірми IBM і "CDC-6600" (родина CYBER) фірми Control Data Corporation, в них були застосовані методи паралельної обробки (що збільшують кількість операцій, що виконуються в одиницю часу), конвеєризація команд (коли під час виконання однієї команди друга зчитується з пам'яті і готується до виконання) і паралельна обробка за допомогою процесора складної структури, що складається з матриці процесорів обробки даних та спеціального процесора керуючого, який розподіляє завдання і управляє потоком даних в системі. Комп'ютери, що виконують паралельно кілька програм за допомогою кількох мікропроцесорів, отримали назву мультипроцесорних систем. До середини 80-х у списку найбільших виробників суперкомп'ютерів у світі були фірми Sperry Univac та Burroughs. Перша відома, зокрема, своїми мейнфреймами UNIVAC-1108 та UNIVAC-1110, які широко використовувалися в університетах та державних організаціях.

Після злиття Sperry Univac та Burroughs об'єднана фірма UNISYS продовжувала підтримувати обидві лінії мейнфреймів зі збереженням сумісності знизу догори в кожній. Це є яскравим свідченням непорушного правила, яке підтримувало розвиток мейнфреймів — збереження працездатності раніше розробленого програмного забезпечення.

У світі суперкомп'ютерів відома компанія Intel. Багатопроцесорні комп'ютери Paragon фірми Intel у сімействі багатопроцесорних структур із розподіленою пам'яттю стали такою ж класикою.

Принципи Фон-Неймана

У 1946 році Д. фон Нейман, Г. Голдстайн і А. Беркс у своїй спільній статті виклали нові принципи побудови та функціонування ЕОМ. У результаті основі цих принципів вироблялися перші два покоління комп'ютерів. У пізніших поколіннях відбувалися деякі зміни, хоча принципи Неймана є актуальними й сьогодні. По суті, Нейману вдалося узагальнити наукові розробки та відкриття багатьох інших учених та сформулювати на їх основі принципово нові засади:
1. Принцип подання та зберігання чисел.
Для представлення та зберігання чисел використовується двійкова система числення. Перевага перед десятковою системою числення полягає в тому, що біт легко реалізується, пам'ять на бітах великого обсягу досить дешева, пристрої можна робити досить простими, арифметичні та логічні операції у двійковій системі числення також виконуються досить просто.
2. Принцип програмного управління ЕОМ.
Роботою ЕОМ управляє програма, що з набору команд. Команди виконуються послідовно один за одним. Команди обробляють дані, що зберігаються у пам'яті комп'ютера.
3. Принцип програми, що зберігається.
Пам'ять комп'ютера використовується як для зберігання даних, а й програм. У цьому команди програми та дані кодуються в двійковій системі числення, тобто. їх спосіб запису однаковий. Тому в певних ситуаціях над командами можна виконувати ті самі дії, що над даними.
4. Принцип прямого доступу до пам'яті.
Осередки оперативної пам'яті ЕОМ мають послідовно пронумеровані адреси. У будь-який момент можна звернутися до будь-якої комірки пам'яті на її адресу.
5. Принцип розгалуження та циклічних обчислень.
Команди умовного переходу дозволяють реалізувати перехід до будь-якої ділянки коду, забезпечуючи цим можливість організації розгалуження та повторного виконання деяких ділянок програми.
Найголовнішим наслідком цих принципів можна назвати те, що тепер програма вже була постійною частиною машини (як, наприклад, у калькулятора). Програму можна було легко змінити. А ось апаратура, звичайно ж, залишається незмінною, і дуже простою. Для порівняння, програма комп'ютера ENIAC (де не було збереженої у пам'яті програми) визначалася спеціальними перемичками на панелі. Щоб перепрограмувати машину (встановити перемички по-іншому), міг знадобитися далеко не один день.
І хоча програми для сучасних комп'ютерів можуть розроблятися місяцями, їх установка (установка на комп'ютері) займає навіть для великих програм кілька хвилин. Така програма може бути встановлена на мільйонах комп'ютерів і працювати на кожному з них роками.