Вопрос. Понятие и история развития вычислительной техники. Архитектура фон Неймана

Вычислительная техника (ВТ) - совокупность технических и математических средств, методов и приёмов, используемых для облегчения и ускорения решения трудоёмких задач, связанных с обработкой информации, в частности числовой, путём частичной или полной автоматизации вычислительного процесса.

Развитие вычислительной техники (техники вычислений), следуя общепринятой классификации, можно разделить на следующие этапы:

1. Ручной - с 50-го тысячелетия до н.э.

2. Механический - с средины 17-го века

3. Электромеханический - с 90-х года 19-го века

4. Электронный - с 40-х годов 20-го века.

Ручной этап:

* Пальцевой счет в десятичной или двенадцатиричной системе счисления (четыре пальца руки, в каждой по три фаланги - всего двенадцать).

* Узелковый счет у народов доколумбовой Америки.

* Счет с помощью группировки и перекладывания предметов (предшествовал появлению счет).

* Счет на счетах (Абак - первый развитый счетный прибор). Появились в 15 веке. Последняя попытка усовершенствовать счеты путем объединения их с таблицей умножения относится к 1921 году.

* Открытие логарифмов и логарифмических таблиц Дж. Непером в начале 17 века и внедрение счетных палочек и счетной доски Дж. Непера.

Механический этап:

* Создание вычислительных устройств и приборов, использующих механический принцип вычислений. 1623 г. - первая машина Шиккарда для выполнения арифметический операций над 6-разрядными числами. Она состояла из независимых устройств: суммирующего, множительного и записи чисел.

* Построенная в 1642 г. Блез Паскалем, машина механически выполняющая арифметические операции над 10-разрядными числами.

* Г.В. Лейбниц сконструировал первый арифмометр в 1673 г. Арифмометры получили широкое распространение, неоднократно модифицировались. К ним можно отнести: арифмометр Томаса (томас-машина), машину Болле, арифмометры Орднера и т.д. В связи с появление арифмометром появилась профессия - счетчик, т.е. человек считающий на арифмометре. В 1969 г. выпуск арифмометров в СССР достиг максимума (300 тыс.шт.). Полностью их смогли вытеснить только в 70-х годах 20-го века калькуляторы, элементной базой которых стали интегральные схемы.

* Попытка в первой половине 19 в. Чарльзом Бэббиджем построить универсальную вычислительную машину (аналитическую). Эта машина должна была использовать программы на п/картах. Беббидж разработал основные идеи построения аналитической машины, предназначенной для решения любого алгоритма, с использованием программного принципа управления. Это должна была быть чисто механическая машина, аналогичная ткацкому станку Жаккарда. Однако развитие техники того времени не позволило осуществить данный проект.

Электромеханический этап:

* Первый счетно-аналитический комплекс был создан в США в 1887 г. с использованием идей Беббиджа и Джоккарда, Г. Холлеритом (табулятор Холлерита). Он использовался для переписи населения в России (1897 г.), США (1890 г.) и Канаде (1897 г.), для обработки отчетности на железных дорогах США, в крупных торговых фирмах.

* В 1941 г. Конрад Цузе построил аналогичную машину, с программным управлением и запоминающим устройством.

* В 1944 г. Айкен на предприятии фирмы IBM, с помощью работ Бэббиджа, построил аналитическую машину "МАРК-1" на электромеханическом реле. Скорость вычислений этой машины была в 100-крат быстрее арифмометра с электроприводом. Было создано несколько модификаций этой машины.

* В СССР в 1957 г. была построена релейная вычислительная машина (РВМ-1). Это был последний, крупный проект релейной ВТ. В этот период создаются машинно-счетные станции, которые являлись предприятиями механизированного счета.

Электронный этап:

* С 1943- 45 г. группа под руководством Мочли и Эккерта в США создает первую ЭВМ ENIAC на основе ЭКЕКТРОННЫХ ЛАМП. Это была универсальная машина для решения разного рода задач. Эта ЭВМ превосходила производительностью машину МАРК-1 в 1000 раз и была больше неё в 2 раза (вес- 30 т.). ENIAC содержала 18000 электронных ламп, 150 реле, 70000 резисторов, 10000 конденсаторов, потребляя мощность в 140 кВт. Но у нее не было памяти и для задания программы надо было соединить определенным образом провода.

* В 1945 г. Джон фон Нейман разработал общие принципы построения цифровой вычислительной машины, которые до сих пор используются в современных ПК.

Принципы фон Неймана:

1. Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов (двоичных цифр, битов) и разделяется на единицы, называемые словами.

2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

3. Принцип адресуемости памяти. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к хранящимся в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

4. Принцип последовательного программного управления. Предполагает, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

5. Принцип жесткости архитектуры. Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относят к типу фоннеймановских.

Архитектура фон Неймана: