Электронные вычислительные машины

Первая ЭВМ на основе электронных вакуумных ламп с нитью накаливания была создана по заказу артиллеристов в Пенсильванском университете в 1946 году – это машина ENIAC (Electronic Numeral Integrator and Computer). На роль первой вычислительной машины также претендуют созданные в 1943 году вычислитель Collosus, разработанный под руководством Макса Ньюмена и при участии Алана Тьюринга, а также специализированный электронный калькулятор Джорджа Атанасова - ABC (Atanasoff Berry Computer). Это были вычислительные машины с программным управлением, но программа набиралась в них путем шнуровой коммутации, как в табуляторах

В середине 40-х годов появились теоретические разработки, указывающие, что более эффективными могут быть машины с хранимой программой. По этому направлению следует отметить в первую очередь концепцию, выдвинутую в 1944 году американским инженером Дж. Эккертом, легшим в основу рекомендаций Норберта Винера и Джона фон Неймана[1].

Рекомендации по созданию эффективных электронных вычислительных машин были изложены Винером в его книге «Кибернетика». Винер написал: «В настоящее время существует два типа вычислительных машин:

· машины, подобные дифференциальному анализатору Буша, именуемые аналоговыми машинами. В них данные изображаются величинами, измеряемыми по какой либо непрерывной шкале, так что точность машины определяется точностью построения этой шкалы.

· машины, подобные обычному арифмометру, которые называются цифровыми машинами; в них данные изображаются серией выборов из нескольких возможностей, а точность определяется четкостью различения отдельных возможностей при каждом выборе и числом сделанных выборов».

Н.Винер писал: «Мы видим, что для точных вычислений цифровые машины, во всяком случае, лучше, а из них - лучше всего машины с двоичной системой, у которой при каждом выборе представляется лишь две возможности. Употребление нами машин с десятичной шкалой обусловлено просто той исторической случайностью, что десятичная система, основанная на числе пальцев, уже была в употреблении, когда индусы сделали свое великое открытие, выявив значение нуля и преимущество позиционной системы счисления» [с.148]. И чуть дальше: «В случае идеальной вычислительной машины все данные должны быть введены в машину в начале работы, и затем она должна по возможности быть свободна от человеческого вмешательства до конца работы. Это означает, что в машину должны быть введены вначале не толь все цифровые данные, но и все правила их сочетания в виде инструкций, учитывающих любую ситуацию, которая может возникнуть в ходе вычислений. Поэтому вычислительная машина должна быть не только арифметической, но также и логической машиной, и должна комбинировать возможности согласно систематическому алгоритму. Существует много алгоритмов, которые можно использовать для комбинирования возможностей; но простейший из них известен как алгебра логики, или булева алгебра» [с.149].

Широко известная концепция построения ЭВМ, предложенная профессором Принстонского института Дж. фон Нейманом (рис. 2.6) во многом перекликается с концепцией Винера.

Основные принципы Дж. фон Неймана организации ЭВМ:

1. Принцип двоичного кодирования. Электронные машины должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления.

2. Принцип программного управления. Машина выполняет вычисления по программе. Программа состоит из набора команд, которые исполняются автоматически друг за другом в определенной последовательности.

3. Принцип хранимой программы. В процессе решения задачи, программа ее исполнения должна размещаться в запоминающем устройстве машины, обладающем высокой скоростью выборки и записи.

4. Принцип однотипности представления чисел и команд. Программа, так же как и числа, с которыми оперирует машина, записываются в двоичном коде. По форме представления команды и числа однотипны, а это дает возможность машине исполнять операции над командами программы.

5. Принцип иерархичности памяти. Трудности реализации единого емкого быстродействующего запоминающего устройства требует иерархического построения памяти. По меньшей мере должно быть два уровня иерархии: основная память и внешняя память.

6. Принцип адресности основной памяти. Основная память должна состоять из пронумерованных ячеек, каждая из которых доступна программе в любой момент времени по ее двоичному адресу или по присвоенному ей имени (имя ячейке присваивается в программе, и соответствующий этому имени адрес должен храниться в основной памяти на протяжении всего времени выполнения программы).

Структура ЭВМ, предложенная Дж. фон Нейманом, должна содержать следующие устройства: управляющее устройство, арифметическое устройство, основную (оперативную) память, внешнюю память, устройство ввода программ и данных, устройство вывода результатов расчетов, пульт ручного управления (рис. 2.7).

Рисунок 2.9 Структура фон-Неймановской ЭВМ