Принципы фон Неймана

История ЭВМ и основные определения

История создания ЭВМ

Как был изобретен компьютер.

Слово «компьютер» означает «вычислитель», т.е. устройство для вычислений Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно — сразу же, как только люди стали продавать и покупать товары. Многие тысячи лет назад для счета использовались счетные палочки, камешки и т.д. Одно из первых устройств — абак, похожее на русские счеты, было создано около пяти тысяч лет назад в Вавилоне (на территории нынешних Ирана и Ирака).

Специальные числа.

В 1614 г. шотландский математик Джон Непер (1550—1617) изобрел таблицы логарифмов. Принцип их заключается в том, что каждому числу соответствует свое специальное число — логарифм. Логарифмы очень упрощают деление и умножение. Например, для умножения двух чисел достаточно сложить их логарифмы. Результат находят в таблице логарифмов.

Старинный калькулятор.

В 1642 г. французский математик Блез Паскаль (1623—1662) скон­струировал счетное устройство, чтобы облегчить труд своего отца — налогового инспектора, которому приходилось делать немало сложных вычислений. Данное устройство представляло собой смонтированную в деревянном корпусе систему зубчатых колес вращающих наборные диски с цифрами. Результат вычислений считывался в специально прорезанных в корпусе окошечках. Веря, что это изобретение принесет удачу, отец с сыном вложили в создание своего устройства большие деньги. Но против счетного устройства Паскаля выступили клерки — они опасались потерять из-за него работу, а также работодатели, считавшие, что лучше нанять дешевых счетоводов, чем покупать дорогую машину.

В 1673 г. Готфрид Вильгельм Лейбниц сконструировал арифмометр, позволяющий механически выполнять четыре арифметических действия. Начиная с XIX в. арифмометры получили очень широкое применение. На них выполняли даже очень сложные расчеты, например расчеты баллистических таблиц для артиллерийских стрельб. Существовала и специальная профессия — счетчик — человек, работающий с арифмометром, быстро и точно соблюдающий определенную последовательность инструкций (такую последовательность инструкций впоследствии стали называть программой). Но многие расчеты производились очень медленно — даже десятки счетчиков должны были работать по несколько недель и месяцев. Причина проста — при таких расчетах выбор выполняемых действий и запись результатов производились человеком, а скорость его работы весьма ограничена.

В 1833 г. английский математик Чарльз Бэббидж детально разработал проект аналитической машины ("вычислительного помощника"). Чарльз Бэббидж (1792-1871) был сыном богатого банкира из Девона (Англия) и очень талантливым математиком. Он обнаружил погрешности в таблицах логарифмов

Рисунок 1.1 - 1834 г. Машина Баббиджа 25 тыс. деталей 17470 ф.с.

Непера и в 1821 г приступил к разработке своей вычислительной машины. Это было очень сложное, большое устройство Оно предназначалось для автоматического вычисления логарифмов. Особенно трудно, оказалось, добиться точных расчетов. Британское правительство десять лет финансировало работы Бэббиджа, но затем потеряло к нему доверие и прекратило давать деньги. Следующей работой Бэббиджа как раз и стало создание аналитической машины, которая должна была стать первой универсальной вычислительной машиной выполняющей вычисления без участия человека. Для этого она должна была уметь исполнять программы, вводимые с помощью перфокарт (карт из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий, они в это время уже широко употреблялись в ткацких станках), и иметь «склад» для запоминания данных и промежуточных результатов (в современной терминологии — память). Бэббиджу помогала математик Ада Ловлас (1815—1852) - первый программист леди. Она создала для машины несколько программ, которые хранились на специальных перфорированных картах. Последние 37 лет жизни Бэббидж посвятил усовершенствованию аналитической машины. Он вкладывал в ее создание большие деньги и тяжело переносил полное отсутствие интереса со стороны общественности к своим работам. Умер Бэббидж в 1871 г, так и не закончив свой труд. Его машина намного опережала технические возможности своего времени, и довести ее создание до конца было практически невозможно, однако он разработал все основные идеи.

В XIX в. в США перепись населения проводилась каждые 10 лет. С ростом населения это стало весьма сложным процессом. Так, в 1887 г чиновники все еще подводили итоги переписи 1880 г. Многие разрабатывали методы более быстрого подсчета итогов. Победу в этом соревновании одержал инженер Герман Холлерит (1860 — 1929). Он создал электрическую счетную машину, табулятор. Данные о каждом жителе хранились на особой перфокарте. Расположение и число отверстий соответствовало таким сведениям, как возраст, семейное положение и т. д. Карта вставлялась в машину, где на нее нажимали концы проводов. Когда провод попадал на отверстие, он замыкал цепь тока и счетчик передвигался на одно деление. Изобретение Холлерита настолько ускорило методы обработки данных, что итоги переписи 1890 г. были подведены всего через 6 недель

Электронные счетные машины

В 1937 г. Алан Тьюринг предложил универсальную схему вычислений. Его результаты были сформулированы в терминах гипотетической "машины" с удивительно простой структурой, которая обладала всеми необходимыми признаками универсальной вычислительной машины.

В 1943 г. американец Говард Эйкен с помощью работ Бэббиджа на основе техники XX в. - электромеханических реле - смог построить на одном из предприятий фирмы IBM (International Business Machine corp.) вычислительную машину под названием «Марк-1». Еще раньше идеи Бэббиджа были переоткрыты немецким инженером Конрадом Цузе, который в 1941 г. построил аналогичную машину.

В 1946 г.Джон П. Экерт (род. 1919) и Джон В. Могли (1907-1980) разработали один из первых компьютеров для армии США- ENIAC (электронный числовойинтегратор и калькулятор) на электронных лампах.

Рисунок 1.2 - ENIAC - первый цифровой ламповый компьютер Electronic Numerical Integrator and Computer 1944 (18000 электронных ламп 70000 резисторов 160 кВт потребляемая мощность)

По сравнению с современными ЭВМ он был очень громоздок - занимал целый зал и при этом выполнял гораздо меньше операций. ENIAC работал в 1000 раз быстрее чем «Марк-1», однако, для задания программы приходилось в течении нескольких часов или даже дней подсоединять нужным образом провода. Чтобы упростить этот процесс, Могли и Экерт стали конструировать ЭВМ, которая могла бы хранить программу в своей памяти.

В 1945 г. к работе Могли и Экерта был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который подготовил доклад об этой машине. Доклад был разослан многим ученым и получил широкую известность, поскольку в нем фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, т.е. компьютеров.

Рисунок 1.3 - Джон Фон Нейман (1903-1957) Electronic Discrete Variable Automatic Computer (EDVAC)

В 1949 г. английским исследователем Морисом Уилксом был построен первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана.

Технология ЭВМ постепенно совершенствовалась, габариты компьютеров уменьшались, а их возможности увеличивались. На первых компьютерах применялись электронные лампы. В 1948 г их заменили транзисторы, которые изобрели трое американских ученых - Джон Бардин (род. 1908), Уолтер Браттэйн (1902-1987) и Уильям Шокли (1910-1989). За свое изобретение они получили в 1956 г Нобелевскую премию по физике. В наши дни компактные калькуляторы и компьютеры используют микросхемы, состоящие из многих тысяч транзисторов. Они стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 г. Джон фон Нейман.

принципы фон Неймана

В своем докладе Джон фон Нейман описал, как должен быть устроен компьютер для того, чтобы он был универсальным и эффективным устройством для обработки информации.