Лекция 3. Архитектура ЭВМ. Технические средства реализации информационных процессов

Архитектура ЭВМ. Технические средства реализации информационных процессов.

Основные этапы развития вычислительной техники представлены в таблице:

Этап	Период развития
Ручной	не установлен
Механический	с середины VII
Электромеханический	с 90-х годов XIX в
Электронный	с 40-х годов XX в

Рассмотрим основные моменты каждого этапа.

Более трех тысяч лет назад в Средиземноморье было распространено простейшее приспособление для счета: доска, разделенная на полосы, где перемещались камешки или кости. Такая счетная дощечка называлась абак и использовалась для ручного счета. В Древнем Риме абак назывался calculi или abaculi и изготавливался из бронзы, камня, слоновой кости и цветного стекла. Слово calculus означает «галька», «голыш». От этого слова произош­ло латинское слово calculatore (вычис­лять), а затем слово «калькуляция». Абак позволял лишь запоминать результат, а все арифметические действия должен был выполнять человек.

Первая механическая машина была построена немецким ученым Вильгельмом Шиккардом(предположительно в 1623 г.). Машина была реализована в единственном экземпляре и предназнача­лась для выполнения арифметических операций. Из-за недостаточной извест­ности машины Шиккарда более 300 лет считалось, что первую суммирующую машину сконструировал Блез Паскаль.

Блез Паскаль(французский математик, физик, религиозный философ и писатель) в 1642 г. изобрел механическую счетную машину, выполнявшую сложение, а в 1674 г. Готфрид Лейбницрасширил возможности машины Паскаля, добавив операции умножения, деления и извлечения квадратного корня. Специально для своей машины Лейбниц применил систему счисления, использующую вместо привычных для человека десяти цифр две: 1 и 0. Двоичная система счислений широко используется в современных ЭВМ.

Ни одна из этих машин не была автоматической и требовали непре­рывного вмешательства человека. В 1834 г. Чарлз Бэббидж(Charles Babbage) первым разработал подробный проект автоматической вычисли­тельной машины. Он так и не построил свою машину, так как в то время не­возможно было достичь требуемой точности изготовления ее узлов.

Ч. Бэббидж выделял в своей машине следующие составные части:

• «склад» для хранения чисел (по современной терминологии память);

• «мельницу» для производства арифметических действий (арифметическое устройство, процессор);

• устройство, управляющее последовательностью выполнения операций (устройство управления);

• устройства ввода и вывода данных.

Первые программы для вычислительной машины Бэббиджа создавала Ада Лавлейс(Ada Lovelace) — дочь известного поэта Джорджа Байрона, в честь которой впоследствии был назван один из языков программирования. Выражаясь современным языком, Лавлейс составила программу вычисления' чисел Бернулли. Ада Лавлейс разработала основные принципы программирования, которые остаются актуальными до настоящего момента времени. Ряд терминов, введенных Адой Лавлейс, используются и сейчас, например, «цикл», «рабочие ячейки».

Теоретические основы современных цифровых вычислительных машин заложил английский математик Джордж Буль(1815—1864). Он разработал алгебру логики, ввел в обиход логические операторы И, ИЛИ и НЕ.

В 1888 г. Германом Холлеритом(Herman Hollerith) была сконструи­рована первая электромеханическая машина для сортировки и подсчета пер­фокарт. Эта машина, названная табулятором, содержала реле, счетчики, сортировочный ящик. Изобретение Холлерита было использовано при под­ведении итогов переписи населения в США.

Успех вычислительных машин с перфокартами был феноменален. То, чем за десять лет до этого занимались 500 сотрудников в течение семи лет, Холлерит сделал с 43 помощниками на 43 вычислительных машинах за 4 недели.

В 1896 г. Герман Холлерит основал фирму Computing Tabulation Company. Спустя несколько лет это предприятие переименовали в извест­нейшую теперь фирму International Business Machine Corporation (IBM).

Немецкий инженер Конрад Цузе(Konrad Zuse) был первым, кто успешно осуществил идею создания автоматической электромеханической вы­числительной машины на основе двоичной системы счисления. В 1936 г. он начал конструировать вычислительный аппарат, работающий в двоичной системе счисления, который впоследствии был назван Zuse I(Z1).

В 1941 г. Цузе сумел построить действующую модель Zuse 3, которая состояла из 600 реле счетного устройства и 2000 реле устройства памяти.

В 1944 г. (по другим источникам, в 1943 г.) в Англии было разработа­но полностью автоматическое вычислительное устройство Colossus II. Ос­новным его назначением была дешифровка перехваченных сообщений воен­ного противника.

Еще одна полностью автоматическая вычислительная машина, изо­бретенная профессором Гарвардского университета Говардом Айкеном(Aiken Howard, 1900—1973), при участии группы инженеров фирмы IBM, была построена в 1944 г. Она была названа ASCC (другое название Mark1) и была электромеханической (построена на реле), состоящей приблизительно из 750 тысяч компонентов. На умножение она тратила около 4 секунд. До знакомства с работами Цузе научная общественность считала машину ASCC первой электромеханической машиной.

В 1937 г. в США Дж. Атанасовначал работы по созданию электронной вычислительной машины. Им были созданы и запатентованы первые электронные схемы отдельных узлов ЭВМ. Совместно с К. Берри к 1942 г. была построена электронная машина ABC (Atanasoff-Berry Computer).

Электроннаявычислительная машина, разработанная Эккертом и Маучли(John W. Mauchly and J. Presper Eckert, Jr.) в США в 1946 г., была названа ENIAC. При создании этой машины Эккерт и Маучли заимствовали основные идеи у Дж. Атанасова. ENIAC была примерно в 1000 раз быстрее, чем ASCC. Она состояла из 18 тысяч электронных ламп, 1,5 тысячи реле, имела вес более 30 тонн, потребляла мощность более 150 кВт.

Первоначально ENIAC программировалась путем соединения прово­дами соответствующих гнезд на коммутационной панели, что делало состав­ление программы очень медленным и утомитель­ным занятием. Амери­канский математик и фи­зик венгерского проис­хождения Джон фон Нейман(1903—1957) предложил хранить про­грамму — последова­тельность команд управ­ления ЭВМ— в памяти ЭВМ, что позволяло опе­рировать с программой так же, как с данными.

Последующие ЭВМ строились с большим объемом памяти, с учетом того, что там будет храниться программа.

В докладе фон Неймана, посвященном описанию ЭВМ, выделено пять базовых элементов компьютера:

• арифметико-логическое устройство (АЛУ);

• устройство управления (УУ);

• запоминающее устройство (ЗУ);

• система ввода информации;

• система вывода информации.
Описанную структуру ЭВМ принято называть архитектурой фон Неймана.

Дата добавления: 2014-01-06