Устройство и работа компьютера по «принципу фон Неймана».
В отчете фон Неймана и его коллег Г. Голдстайна и А .Беркса (июнь 1946 года) были четко сформулированы требования к структуре компьютеров. Отметим важнейшие из них:
машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления;
программа, как и исходные данные, должна размещаться в памяти машины;
программа, как и числа, должна записываться в двоичном коде;
трудности физической реализации запоминающего устройства, быстродействие которого соответствует скорости работы логических схем, требуют иерархической организации памяти (то есть выделения оперативной, промежуточной и долговременной памяти);
арифметическое устройство (процессор) конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения;
в машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса.
На следующем рисунке показано, каковы должны быть связи между устройствами компьютера согласно принципам фон Неймана (одинарные линии показывают управляющие связи, пунктир — информационные).
Практически все рекомендации фон Неймана впоследствии использовались в машинах первых трех поколений, их совокупность получила название «архитектура фон Неймана». Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 году английским исследователем Морисом Уилксом.
ЭВМ первого поколения, эти жесткие и тихоходные вычислители, были пионерами компьютерной техники. Они довольно быстро сошли со сцены, так как не нашли широкого коммерческого применения из-за ненадежности, высокой стоимости, трудности программирования.
Транзисторы. ЭВМ 2-го поколения.
Элементной базой второго поколения стали полупроводники.
Патент на открытие транзистора был выдан в 1948 году американцам Д. Бардину и У. Браттейну. Скорости переключения уже первых транзисторных элементов оказались в сотни раз выше, чем ламповых, надежность и экономичность – тоже. Впервые стала широко применяться память на ферритовых сердечниках и тонких магнитных пленках, были опробованы индуктивные элементы – параметроны.
В 1956 г. фирмой IBM были разработаны плавающие магнитные головки на воздушной подушке. Изобретение их позволило создать новый тип памяти – дисковые запоминающие устройства, значимость которых была в полной мере оценена в последующие десятилетия развития вычислительной техники. Первые запоминающие устройства на дисках появились в машинах IBM-305 и RAMAC. Последняя имела пакет, состоявший из 50 металлических дисков с магнитным покрытием, которые вращались со скоростью 12000 об/мин. НА поверхности диска размещалось 100 дорожек для записи данных, по 10000 знаков каждая.
Первые серийные универсальные ЭВМ на транзисторах были выпущены в 1958 году одновременно в США, ФРГ и Японии.
В Советском Союзе первые безламповые машины «Сетунь», «Раздан» и «Раздан‑2» были созданы в 1959‑1961 годах.
Специально для автоматизации инженерных расчетов в Институте кибернетики Академии наук УССР под руководством академика В.М. Глушкова были разработаны компьютеры МИР (1966) и МИР-2 (1969). Важной особенностью машины МИР-2 явилось использование телевизионного экрана для визуального контроля информации и светового пера, с помощью которого можно было корректировать данные прямо на экране.
Однако к середине 60-х годов бум в области транзисторного производства достиг максимума – произошло насыщение рынка. Дело в том, что сборка электронного оборудования представляла собой весьма трудоемкий и медленный процесс, который плохо поддавался механизации и автоматизации.
Интегральные схемы. ЭВМ 3-го поколения .
Приоритет в изобретении интегральных схем, ставших элементной базой ЭВМ третьего поколения, принадлежит американским ученым Д. Килби и Р. Нойсу, сделавшим это открытие независимо друг от друга. Массовый выпуск интегральных схем начался в 1962 году, а в 1964 начал быстро осуществляться переход от дискретных элементов к интегральным. Началось перевоплощение электроники в микроэлектронику.
Первая массовая серия машин на интегральных элементах стала выпускаться в 1964 году фирмой IBM. Эта серия, известная под названием IBM-360, оказала значительное влияние на развитие вычислительной техники второй половины 60-х годов. Она объединила целое семейство ЭВМ с широким диапазоном производительности, причем совместимых друг с другом. Последнее означало, что машины стало возможно связывать в комплексы, а также без всяких переделок переносить программы, написанные для одной ЭВМ, на любую другую из этой серии. Таким образом, впервые было выявлено коммерчески выгодное требование стандартизации аппаратного и программного обеспечения ЭВМ.
В СССР первой серийной ЭВМ на интегральных схемах была машина «Наири-3», появившаяся в 1970 году.
Именно в период развития третьего поколения возникла чрезвычайно мощная индустрия вычислительной техники, которая начала выпускать в больших количествах ЭВМ для массового коммерческого применения. Компьютеры все чаще стали включаться в информационные системы или системы управления производствами. Они выступили в качестве очевидного рычага современной промышленной революции.
Дата добавления: 2018-09-22 ; просмотров: 148 ; Мы поможем в написании вашей работы!
Принципы фон Неймана
В основу архитектуры большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом:
- • принцип программного управления — из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды. Так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если после выполнения команды следует перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения результата или выполнения команды «стоп»;
- • принцип однородности памяти — программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины;
- • принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.
Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Существуют и другие классы компьютеров, принципиально отличающиеся от фон-неймановских (не-фон-неймановские). Здесь, например, может не выполняться принцип программного управления, т. е. они могут работать без счетчика (регистра адреса) команд, указывающего на выполняемую команду программы.
ДЖОН ФОН НЕЙМАН
ДЖОН ФОН НЕЙМАН (1903—1957)Венгерский еврей Джон фон Нейман был, пожалуй, последним представителем исчезающей ныне породы математиков, одинаково уютно чувствовавших себя в чистой и прикладной математике (как и в других областях науки и искусства). Принадлежа к
Бабка Слав, baba: др.-русск. баба ‘женщина замужняя’, ‘мать отца или матери’, ‘повивальная бабка’, ‘ворожея’, русск. баба, бабка, укр. баба ‘баба’, ‘бабка, бабушка’, польск. baba ‘баба, жена’, babka ‘бабка, бабушка’, др. — польск. bаbак ‘дед, старик’, baba ‘бабка’, ‘старуха’,
Первый компьютер в котором были воплощены принципы фон неймана был построен в 1949 году
ЭЙКЕН Говард Хатауэй (Aiken Howard Hathaway)
(1900-1973), американский математик, создатель одной из первых электромеханических вычислительных машин «Марк-1».
ЛЕБЕДЕВ Сергей Алексеевич (1902-1974)
Основоположник компьютерной техники в СССР. Под его руководством были созданы 15 типов ЭВМ, начиная с ламповых и заканчивая современными суперкомпьютерами на интегральных схемах.
В 1945 г. Лебедев создал первую в стране электронную аналоговую вычислительную машину для решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений, которые часто встречаются в задачах, связанных с энергетикой.
Среди ученых мира, современников Лебедева, нет человека, который подобно ему обладал бы столь мощным творческим потенциалом, чтобы охватить своей научной деятельностью период от создания первых ламповых ЭВМ, выполняющих лишь сотни и тысячи операций в секунду, до сверхбыстродействующих супер ЭВМ на полупроводниковых, а затем на интегральных схемах с производительностью до миллионов операций в секунду. Научная школа Лебедева, ставшая ведущей в бывшем СССР, по своим результатам успешно соперничала с известной американской фирмой IBM. Под его руководством были созданы и переданы для серийного выпуска 15 типов высокопроизводительных, наиболее сложных ЭВМ, каждая — новое слово в вычислительной технике, более производительная, более надежная и удобная в эксплуатации.
БРУК Исаак Семенович (1902-1974)
В 1925 г. окончил электротехнический факультет МВТУ. С 1935 г. работал в электротехническом институте АН СССР, с 1956 г. возглавлял лабораторию управляющих машин и систем АН СССР. С 1958 г. работал в институте электронных управляющих машин. В 1936 г. защитил докторскую диссертацию. Под его руководством были разработаны: М-1 (1952 г.), М-3 (1956 г.)
АТАНАСОФФ Джон Винсент (Atanasoff, John Vincent)
(1903—1995), американский физик-теоретик, изобретатель первой электронной вычислительной машины.
Изобретение не принесло Атанасоффу никаких дивидендов. Патент на изобретение получили создатели «Эниака», которым Атанасофф демонстрировал свою машину. Вклад Атанасоффа в изобретение был признан лишь в результате судебного разбирательства между Sperry Rand Corporation, владевшего патентом на «Эниак», и Honeywell, Inc. Было доказано, что практически все основные узлы «Эниака» позаимствованы из АВС и той информации, которую Атанасофф передал Джону Мокли в начале 1940-х годов. В 1973 году патент на «Эниак» был признан недействительным по решению Федерального суда.
Машина Атанасоффа оказала огромное влияние на развитие компьютерных технологий. Это был первый компьютер, в котором для операций с двоичными числами были применены электронные устройства (вакуумные трубки). Некоторые идеи Атанасоффа до сих пор остаются актуальными, например, использование конденсаторов в запоминающих устройствах с произвольной выборкой, в том числе в оперативной памяти, регенерация конденсаторов, разделение памяти и процесса вычислений.
НЕЙМАН Джон фон (von Neumann) (1903—1957) — американский математик.
Внес большой вклад в создание первых ЭВМ и разработку методов их применения. В июле 1954 г. фон Нейман подготовил отчет на 101 странице, в котором обобщил планы работы над машиной EDVAC. Этот отчет, озаглавленный «Предварительный доклад о машине EDVAC» представлял собой прекрасное описание не только самой машины, но и ее логических свойств.
Присутствовавший на докладе военный представитель Голдстейн размножил доклад и разослал ученым как США, так и Великобритании.
Благодаря этому «Предварительный доклад» фон Неймана стал первой работой по цифровым электронным компьютерам, с которым познакомились широкие круги научной общественности. Доклад передавали из рук в руки, из лаборатории в лабораторию, из университета в университет, из одной страны в другую. Эта работа обратила на себя особое внимание, поскольку фон Нейман пользовался широкой известностью в ученом мире. С того момента компьютер был признан объектом, представлявшим научный интерес. В самом деле, и по сей день ученые иногда называют компьютер «машиной фон Неймана».
МОКЛИ Джон Уильям (Mauchly John William)
(1907—1980), американский физик и инженер, изобретатель (1946, совместно с Пр. Эккертом) первого универсального компьютера «Эниак» (ENIAC).
ЭККЕРТ Преспер-младший (полное имя Эккерт Джон Преспер Джуниор, Eckert J. Presper, Jr.)
(1919—1995), американский инженер и изобретатель первого универсального компьютера, ставшего прототипом большинства современных компьютеров.
Мокли преподавал электротехнику в Пенсильванском университете в Филадельфии. Во время Второй Мировой войны вместе с Эккертом занялся проблемой ускорения пересчета артиллерийских огневых таблиц для вооруженных сил США.
В результате была предложена конструкция универсального цифрового компьютера, который мог оперировать закодированными данными. Использовав разработки Дж. Атанасоффа, коллеги к 1946 году завершили создание модели «Эниак» (ENIAC), огромной машины, которая состояла из более 18 тысяч электронных ламп. Вес машины составлял 30 тонн, она требовала для размещения 170 м2. Машина оперировала двоичными числами и могла производить 5000 операций сложения или 300 операций умножения в секунду. Впервые эта машина была применена при баллистических военных исследованиях на Абердинском испытательном полигоне в 1947 году.
В 1948 Мокли и Эккерт основали компанию по производству компьютеров, которая через год представила бинарный автоматический вычислитель (BINAC), в котором вместо перфокарт ужеиспользовалась магнитная лента. Мокли предложил идею такой системы кодирования, которая позволяла бы машине воспринимать алгебраические уравнения, записанные в традиционной форме.
Третьим компьютером Мокли и Эккерта стал UNIVAC I, созданный специально для коммерческих расчетов. Он мог свободно обрабатывать как цифровую, так и символьную информацию. Первый экземпляр машины был передан в Бюро переписи населения США. Затем было разработано много различных моделей UNIVAC, которые нашли применение в других сферах деятельности. Таким образом, UNIVAC стал первым серийным компьютером.
БАРДИН Джон, (Bardeen John)
(1908-1991), американский физик и инженер-электрик, совместно с Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли создал первый действующий транзистор.
В 1945 г. Бардин, работая в компании «Белл», совместно с Уильямом Шокли и Уолтером Браттейном, создал полупроводниковые приборы, которые могли как выпрямлять, так и усиливать электрические сигналы. Полупроводники, такие, как германий и кремний, – это материалы, чье электрическое сопротивление занимает промежуточное положение между сопротивлениями металла и изолятора.
Б. разделил в 1956 г. Нобелевскую премию с Шокли и Браттейном «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». «Транзистор во многом превосходит радиолампы», – отметил Е.Г. Рудберг, член Шведской королевской академии наук, при презентации лауреатов. Указав, что транзисторы значительно меньше электронных ламп и в отличие от последних не нуждаются в электрическом токе для накала нити, Рудберг добавил, что «для акустических приборов, вычислительных машин, телефонных станций и многого другого требуется именно такое устройство».
ТЬЮРИНГ Алан Матисон (Turing Alan Mathison)
(1912—1954), английский математик. Основные труды по математической логике, вычислительной математике. В 1936-37 годах ввел математическое понятие абстрактного эквивалента алгоритма, или вычислимой функции, получившее затем название «машины Тьюринга».
Современным математикам, программистам и компьютерным инженерам имя Алана Тьюринга хорошо знакомо еще со студенческой скамьи: всем им приходилось изучать «машину Тьюринга» — «основу основ» теории алгоритмов. Без «машины Тьюринга» не обходится ни один серьезный учебник по математической логике и теории вычислимости.
В возрасте 24 лет Тьюринг написал работу «О вычислимых числах», которой суждено было сыграть исключительно важную роль в развитии вычислительной математики и информатики.
Работа касалась очень трудной проблемы математической логики — описания задач, котороые не удавалось решить даже теоретически. Пытаясь найти такое описание, Тьюринг использовал в качестве вспомогательного средства мощное, хотя и существующее лишь в его воображении, вычислительное устройство, в котором он предвосхитил ключевые свойства современного компьютера.
Тьюринг назвал свое абстрактное механическое устройство «универсальной машиной», поскольку она должна была справляться с любой допустимой, то есть теоретически разрешимой задачей — математической или логической. Данные должны были вводиться в машину на бумажной ленте, поделенной на клетки — ячейки.
Каждая такая ячейка либо содержала символ, либо была пустой. Машина могла не только обрабатывать записанные на ленте символы, но и изменять их, стирая старые и записывая новые в соответствии с инструкциями, хранимыми в ее внутренней памяти. Некоторые идеи Тьюринга были в конечном счете воплощены в реальных машинах.
Алан Тьюринг участвовал в послевоенные годы в создании мощного компьютера — машины с хранимыми в памяти программами, ряд свойств которой он взял от своей гипотетической универсальной машины. Опытный образец компьютера ACE (Automatic Computing Engine — автоматическое вычислительное устройство) вступил в эксплуатацию в мае 1950 г. Тьюринг увлекался проблемами машинного интеллекта (он даже придумал тест, который по его мнению позволял выяснить, может ли машина мыслить).
БАЗИЛЕВСКИЙ Юрий Яковлевич (1912-1983) Главный конструктор одной из первых отечественных ЭВМ «Стрела».
В январе 1950 г. Юрия Яковлевича перевели в СКБ-245 на должность начальника отдела № 3, где предстояла разработка одной из первых ЭВМ страны – ЭВМ «Стрела». Ю. Я. Базилевский был назначен главным конструктором этой ЭВМ, создание которой в 1950–1954 гг. стало главнейшим направлением деятельности СКБ-245.
Будучи старше и опытнее сотрудников отдела в организационных, конструкторских и технологических вопросах, Ю. Я. Базилевский сумел в сжатые сроки организовать отработку принципиальных схем блоков и устройств, подготовку конструкторской и технологической документации, изготовление блоков на заводе САМ, наладку и проведение испытаний ЭВМ в целом. В 1953 г. ЭВМ «Стрела» (см. ЭВМ «Стрела») прошла Государственные испытания и началось ее серийное производство на Московском заводе САМ. Семь машин «Стрела», изготовленных в1953–1956 гг. были установлены в важнейших институтах, вычислительных центрах, предприятиях страны, занятых аэрокосмическими исследованиями и атомной энергетикой.
В 1954 г. за разработку и создание автоматической быстродействующей вычислительной математической машины Ю. Я. Базилевскому присвоено звание Героя Социалистического Труда и присуждена Сталинская премия первой степени. Это был звездный год в творческой жизни Базилевского. В этом же году начальник СКБ-245, директор НИИСчетмаш и Московского завода САМ М. А. Лесечко был назначен заместителем министра машиностроения и приборостроения. Начальником СКБ-245 стал В. В. Александров, а заместителем начальника по научно-технической работе – Ю. Я. Базилевский.
ДЖОБС Стивен (Jobs Steven) (род. в 1955), американский предприниматель в области компьютеров, соучредитель фирмы Apple и ее временный председатель и главный исполнительный директор, соучредитель компании NeXT Software, председатель и главный исполнительный директор компании Pixar Animation Studios.
ВОЗНЯК Стивен (Wozniak Stephen) (род. в 1950), американский дизайнер в области компьютеров, соучредитель фирмы Apple.
Возняк учился в Калифорнийском университете в Беркли. Не закончив учебу, был принят на работу в компанию Hewlett-Packard. Все свое свободное время проводил в клубе «Самодельный компьютер» (Homebrew) в компании таких же молодых энтузиастов в Пало-Альто. В 1975 году к ним присоединился Стив Джобс, предложивший Возняку начать работу над новым компьютером, который мог бы хорошо продаваться. В гараже, принадлежавшем родителям Джобса, они сообща разработали и построили компьютерную плату, прототип компьютера Apple I. Местный торговец электронным оборудованием заказал им 25 таких устройств, и тогда Возняк оставил свою работу, чтобы стать вице-президентом нового предприятия.
1 апреля 1976 года Джобс и Возняк основали компанию Apple Computer, которая была зарегистрирована в 1977 году. Ее первой продукцией стал компьютер Apple I ценою в 666,66 долларов. Этот компьютер, отличавшийся простотой и компактностью, предназначался главным образом для любителей и энтузиастов. Всего было продано 600 таких машин. Появившийся вскоре Apple II стал еще более компактным и удобным в пользовании. Успех компании оказался феноменальным, и в 1980 году она стала акционерным обществом.
ГЕЙТС (Gates) Уильям (Билл) Генри III (род. в 1955), американский предприниматель и изобретатель в области электронно-вычислительной техники, председатель и CEO ведущей компании в мире в области программного обеспечения Microsoft.
В 1975 году, бросив Гарвардский университет, где он готовился стать правоведом, как его отец, Гейтс совместно со своим школьным товарищем Полом Алленом основал компанию Microsoft. Первой задачей новой фирмы стала адаптация языка Бейсик для использования в одном из первых коммерческих микрокомпьютеров — «Альтаире» Эдварда Робертса.
В 1980 году Microsoft разработала операционную систему MS-DOS (Microsoft Disk Operation System) для первого IBM PC, ставшую к середине 1980-х годов основной операционной системой на американском рынке микрокомпьютеров. Затем Гейтс приступил к разработке прикладных программ — электронных таблиц Excel и текстового редактора Word, и к концу 1980-х Microsoft стала лидером и в этой области.
В 1986 году, выпустив акции компании в свободную продажу, Гейтс в возрасте 31 года стал миллиардером. В 1990 году компания представила оболочку Windows 3.0, в которой вербальные команды были заменены на пиктограммы, выбираемые с помощью «мыши», что значительно облегчило пользование компьютером. В начале 1990-х годов «Окна» продавались в количестве 1 миллиона копий в месяц. К концу 1990-х годов около 90% всех персональных компьютеров в мире были оснащены программным обеспечением Microsoft.
О работоспособности Билла Гейтса, а также его уникальном качестве эффективно включиться в работу на любом ее этапе ходят легенды. Безусловно, Гейтс принадлежит к когорте самых незаурядных бизнесменов новой генерации. В 1995 году он выпустил книгу «Дорога в будущее», которая стала бестселлером.
