Глава 2. Компьютер как средство обработки информации

Развитие вычислительной техники

Цифровая вычислительная техника развивается многие тысячелетия. Так, известны, например, счетные палочки, камешки и т.д. Около 2000 лет назад появилось такое устройство как абаки, или счеты, дошедшие до нашего времени.

Идея создания универсальной вычислительной машины (названной аналитическая машина) принадлежит английскому математику Чарльзу Бэббиджу (1831 г.). Она имела программное управление на перфокартах. Но проект машины до конца реализован не был.

И вновь идея создания уже электронных вычислительных машин возникла в конце 30-х - начале 40-х гг. независимо друг от друга в четырех странах: США, Великобритании, Германии и СССР.

В 1936 г. английский математик Алан Тьюрин доказал алгоритмически возможность построения универсального вычислительного устройства (машина Тьюринга). Идея создания автоматической цифровой ЭВМ принадлежит Атанасову (США) 1937 г. В 1945 году группой специалистов под руководством Джона Моучли и Проспера Эккерта в Электротехнической школе Мура (США) была создана машина ЭНИАК на 18000 электронных ламп, которая в 1000 раз превосходила по быстродействию релейные вычислительные машины.

В 1946 г. американский математик, по происхождения венгр, Джон фон Нейман (с соавторами) на основе критического анализа конструкции ЭНИАК предложил ряд новых идей организации ЭВМ, в том числе концепцию хранимой программы в запоминающем устройстве. В результате реализации идей фон Неймана была создана архитектура ЭВМ, во многих чертах сохранившаяся до настоящего времени (см. рис.1).

В СССР работы по созданию универсальной ЭВМ начались под руководством академика С.А. Лебедева в конце 30-х годов, но в 1941 году были прерваны. И только в 1948-50 гг. была создана МЭСМ, а затем в 1953 году - БЭСМ, выполнявшая 10000 операций в секунду и бывшая в то время лучшей в мире.

С момента появления первых ЭВМ прошло 5 поколений их развития:

Поколения	Годы выпуска первых ЭВМ	Макси-мальное быстро-действие оп/с	Элементная база	Средство связи с пользователем	Язык программирования	Мировой парк ЭВМ
I     II     III   IV   V	1953-54     1958-60     1965-66   1976-79   1990-92	10^3-10^4     10^4-10^6     10^5-10^7   10^6-10^8   10^8-10^12	Элект-ронная лампа     Тран- зистор (1 тр.) Малая интег- ральная схема (ИС-2- 5тр)     БИС (10^2-10^3тр)   СБИС (10^4-10^6тр)	Пульт управ- ления и перфокарты Перфо- карты   Алфавитно-цифровой терминал     Цветной графический дисплей Устройство голосовой связи с ЭВМ	Машинный код   Ассемблер     Ассемблер, процедурные языки высокого уровня (ЯВС)   Процедурные ЯВС   Непро-цедурные ЯВС	5 тыс. (1960 г.)   30 тыс. (1965 г.)   300 тыс. (1975 г.)     1,2 млн. (1980 г.)     150 млн. (1990 г.)

У машин 5-го поколения архитектура существенно отличается от архитектуры фон Неймана.

В настоящее время ведутся работы по созданию нейрокомпьютеров и возможно даже биокомпьютеров, имеющих совершенно другую архитектуру.

Принцип работы компьютера

Любая ЭВМ включает в свой состав такие устройства как: арифметическо-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ), запоминающее устройство (ЗУ), которое может быть разделено на оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), и внешние, или периферийные, устройства, к которым относятся устройства вводы (УВв), устройство вывода (УВыв) и ВЗУ. Объединение АЛУ, УУ и нескольких ячеек памяти представляет собой центральный процессор (ЦП). Познакомимся с назначением и функциями каждого из этих устройств.

Процессор - центральной устройство ЭВМ - выполняет программу, обрабатывающую данные. Программа состоит из команд. Каждая команда определяет элементарную частичку процесса обработки данных - элементарную операцию и операнды, т.е. данные, над которыми выполняется операция. Таким образом, команда состоит из кода операции и кода или адреса операндов. По числу одновременно обрабатываемых кодов операндов команды делятся на одно-, двух- и трехадресные. Процессор может выполнять фиксированный набор операций. Среди них арифметические действия (сложение, вычитание, умножение, деление) над двоичными и десятичными числами с фиксированной и плавающей точкой, логические и другие операции.

Оперативная память предназначена для хранения программы и данных - информации для работы процессора. Память ЭВМ представляет собой пронумерованную последовательность ячеек. Обращение к ячейке происходит по ее номеру - адресу. Наименьшей адресуемой единицей памяти является один байт информации, состоящий из 8 бит. Оперативная память отличается от внешних запоминающих устройств большой скоростью доступа, но относительно малым объемом.

Для работы процессор - оперативная память необходимо, чтобы программа и данные находились в оперативной памяти. Функцию заполнения оперативной памяти осуществляют устройства ввода, считывающие информацию с внешних носителей или воспринимающие ее непосредственно, допустим, от человека, работающего за терминалом, в качестве которого чаще всего используется дисплей, или от измерительных приборов, замеряющих параметры некоторого реального объема. Операция передачи результатов работы ЭВМ из оперативной памяти, например, человеку, другой ЭВМ, управляющему станку осуществляется устройствами вывода. Основными устройствами вывода информации для непосредственного восприятия ее человеком являются дисплей и принтер.

Еще одну группу устройств ЭВМ составляют внешние запоминающие устройства (внешняя память) - накопители на магнитных дисках (НМД), лазерные компакт-диски и др. Появление внешней памяти связано с тем, что ЭВМ приходится обрабатывать объемы информации, во много раз превосходящие возможности хранения ее в оперативной памяти. Внешние же запоминающие устройства относительно недороги и позволяют накапливать за счет сменных носителей практически неограниченные объемы информации.

Работа ЭВМ осуществляется под управлением программы, состоящей из хранящихся в оперативной памяти команд. Выполнение каждой команды можно представить как последовательность таких этапов: извлечение команды из оперативной памяти (адрес команды указывается в специальном регистре процессора - регистре счетчика команд); извлечение операндов (данные, необходимые для выполнения команды, выбираются из ячеек памяти, адреса которых указаны в команде); изменение счетчика команд (в регистре счетчика команд заносится адрес очередной команды); выполнение операции над подготовленными операндами в соответствии с кодом операции конкретной команды; занесение результата в указанную в команде ячейку памяти или регистр.