Роль Джона фон Неймана в истории создания вычислительной техники

В конце 1945 г., когда  ENIAC был наконец собран и готов к проведению первого официального испытания, война, нуждам которой он был призван служить, окончилась. Однако сама задача, выбранная для проверки машины, - расчеты, которые должны были ответить на вопрос о принципиальной возможности создания водородной бомбы, - указывала на то, что роль компьютера в послевоенные годы и годы «холодной войны» не снижалась, а скорее возрастала. 

 

 

 

ENIAC успешно выдержал испытания, обработав около миллиона перфокарт фирмы IBM. Спустя два месяца машину продемонстрировали представителям прессы. По своим размерам (около 6 м в высоту и 26 м в длину) этот компьютер более чем вдвое превосходил Марк-1 Говарда Эйкена. Однако двойное увеличение в размерах сопровождалось тысячекратным увеличением в быстродействии. По словам одного восхищенного репортера, ENIAC работал «быстрее мысли».  

 

Не успел Эниак вступить в эксплуатацию, как Мочли и Экерт уже работали по заказу военных над новым компьютером. Главным недостатком компьютера ENIAC были трудности, возникавшие при изменении вводимых в него инструкций, т. е. программы. Объема внутренней памяти машины едва хватало для хранения числовых данных, используемых в расчетах. Это означало, что программы приходилось буквально «впаивать» в сложные электронные схемы машины. Если требовалось перейти от вычислений баллистических таблиц к расчету параметров аэродинамической трубы, то приходилось бегать по комнате, подсоединяя и отсоединяя сотни контактов, как на ручном телефонном коммутаторе. В зависимости от сложности программы такая работа занимала от нескольких часов до двух дней. Это было достаточно веским аргументом, чтобы отказаться от попыток использовать ENIAC в качестве универсального компьютера.

 

А вот в создании следующей машины - EDVAK(электронный автоматический вычислитель с дискретными переменными) фон Нейман принял более активное участие. Ее более вместительная внутренняя память содержала не только данные, но и программу. Алгоритмы вычислений теперь не «зашивались» в схемы аппаратуры, а записывались электронным способом в специальные устройства памяти. EDVAK кодировал данные не в десятичной системе, а в двоичной, что позволило значительно сократить количество электронных ламп Также фон Нейман предложил использовать в качестве элементов памяти не линии задержки, а электронно-лучевой трубки (электростатическая запоминающая система), что должно было сильно повысить быстродействие. При этом можно было обрабатывать все разряды машинного слова параллельно. Физически, компьютер состоял из следующих компонентов:

-устройство чтения/записи  с магнитной ленты;

-контролирующее устройство  с осциллографом; 
устройство-диспетчер, принимающее инструкции от контролирующего устройства и из памяти и направляющее их в другие устройства; 
вычислительное устройство, выполняющее за раз одну арифметическую операцию над парой чисел и посылающее результат в память; 
таймер; 
устройство памяти, состоящее из двух наборов по 64 ртутных акустических линий задержки, в каждой линии хранилось по 8 слов; 
три временных регистра, в каждом из которых хранилось одно слово. 
Время операции сложения — 864 микросекунды, умножения — 2900 микросекунд (2,9 миллисекунды). 
Компьютер состоял из почти 6000 электровакуумных ламп, и 12000 диодов, и потреблял 56 кВт энергии. Занимаемая площадь — 45,5 м2, масса — 7850 кг. Полный состав обслуживающего персонала — 30 человек на каждую 8-часовую смену

 

С помощью были осуществленны EDVAK важные расчеты при создании водородной бомбы.

 

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического  устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений  ЭВМ. Основными блоками, по Нейману, являются устройство управления (УУ) и  арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяемые в центральный  процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Схема  устройства такой ЭВМ представлена на рис. 3.7.

Устройство управления и арифметико-логическое устройство в современных компьютерах объединены в один блок – процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей  из памяти и внешних устройств (сюда относятся выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение различных, в том числе и арифметических, операций, согласование работы узлов  компьютера).

Архитектура ЭВМ, построенной на принципах  фон Неймана. (Сплошные линии со стрелками  указывают направление потоков  информации, пунктирные - управляющих  сигналов от процессора к остальным  узлам ЭВМ).

Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее устройство у современных компьютеров "многоярусно" и включает оперативное  запоминающее устройство (ОЗУ), хранящее ту информацию, с которой компьютер  работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть  необходимых для нее данных, некоторые  управляющие программы), и внешние  запоминающие устройства (ВЗУ) гораздо  большей емкости, чем ОЗУ, но с  существенно более медленным  доступом. На ОЗУ и ВЗУ классификация  устройств памяти не заканчивается  – определенные функции выполняют  и СОЗУ (сверхоперативное запоминающее устройство), и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), и другие подвиды компьютерной памяти.

Внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком. Так, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти, а клавиатура – устройство ввода, дисплей и печать – устройства вывода.

Для построения запоминающих устройств в качестве физических элементов используют электронные  схемы, ферритовые магнитные материалы, магнитные ленты и диски, оптические запоминающие элементы и т. д.

В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой  будет извлечена следующая команда  программы, указывается специальным  устройством – счетчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков  рассматриваемой архитектуры. Архитектура первых двух поколений ЭВМ с последовательным выполнением команд в программе получила название "фон Неймановской архитектуры ЭВМ".

 

В 1946 году трое ученых Артур  Беркс, Герман Голдстайн и Джон фон Нейман  — опубликовали статью «Предварительное рассмотрение логического конструирования электронного вычислительного устройства»^]. В статье обосновывалось использование двоичной системы для представления данных в ЭВМ выдвигалась идея использования общей памяти для программы и данных. Имя фон Неймана было достаточно широко известно в науке того времени, что отодвинуло на второй план его соавторов, и данные идеи получили название «принципы фон Неймана».

Использование двоичной системы счисления в  вычислительных машинах. Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.

Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.

Память  компьютера используется не только для  хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.

Ячейки  памяти ЭВМ имеют адреса, которые  последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.

Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.

 

 Принцип  адресности.

Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена  областям памяти, так, чтобы к запомненным  в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен. 

 

Принцип программного управления.

Этот принцип обеспечивает автоматизацию  процессов вычислений на ЭВМ.

Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором  автоматически друг за другом в определенной последовательности.  
Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды.  Так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды “стоп”. Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

 

Принцип однородности памяти.

Отсутствие принципиальной разницы  между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать  для себя программу в соответствии с результатом вычислений.

Программы и данные хранятся в одной  и той же памяти. Поэтому компьютер  не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или  команда. Над командами можно  выполнять такие же действия, как  и над данными. Это открывает  целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой  программе правила получения  некоторых ее частей (так в программе  организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы  могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции — перевода текста программы с  языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

 

 

 Принцип  адресности.

Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена  областям памяти, так, чтобы к запомненным  в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен. 

Самым главным следствием этих принципов можно назвать  то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как  например, у калькулятора). Программу  стало возможно легко изменить. А  вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.

Архитектура будущего компьютера    В своем историческом докладе, опубликованном в 1945 г., Джон фон Нейман выделил и детально описал пять ключевых компонентов того, что ныне называют «архитектурой фон Неймана» современного компьютера. Чтобы компьютер был и эффективным, и универсальным инструментом, он должен включать следующие структуры: центральное арифметико-логическое устройство (АЛУ), центральное устройство управления, «дирижирующее» операциями, запоминающее устройство, или память, а также устройство ввода-вывода информации. Фон Нейман отмечал, что эта система должна работать с двоичными числами, быть электронным, а не механическим устройством и выполнять операции последовательно, одну за другой.    Принципы, сформулированные фон Нейманом, стали общепринятыми только потому, что широко применялись все время; они были положены в основу как больших ЭВМ первых поколений, так и более поздних мини ЭВМ и микро ЭВМ.

 

Подавляющее большинство  вычислительных машин на сегодняшний  день – фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности  систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик  команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются  другие существенные принципиальные отличия  от классической модели (примерами  могут служить потоковая и  редукционная вычислительные машины).

Благодаря фирме IBM идеи фон Неймана реализовались  в виде широко распространенного  в наше время принципа открытой архитектуры  системных блоков компьютеров. Согласно этого принципа компьютер не является единым неразъемным устройством, а состоящим из независимо изготовленных частей, причем методы сопряжения устройств с компьютером не являются секретом фирмы-производителя, а доступны всем желающим. Таким образом, системные блоки можно собирать по принципу детского конструктора, то есть менять детали на другие, более мощные и современные, модернизируя свой компьютер ( апгрейд , upgrade — "повышать уровень"). Новые детали полностью взаимозаменяемы со старыми. «Открыто архитектурными» персональные компьютеры делает также системная шина, это некая виртуальная общая дорога или жила, или канал, в который выходят все выводы ото всех узлов и деталей системного блока. Надо сказать, что большие компьютеры (не персональные) не обладают свойством открытости, в них нельзя просто так что-то заменить другим, более совершенным, например, в самых современных компьютерах могут отсутствовать даже соединительные провода между элементами компьютерной системы: мышью, клавиатурой ("keyboard"– "клавишная доска") и системным блоком. Они могут общаться между собой при помощи инфракрасного излучения, для этого в системном блоке есть специальное окошко приема инфракрасных сигналов (по типу пульта дистанционного управления телевизора).