Prima mașină de adunare capabilă să efectueze patru operații aritmetice de bază a fost mașina de adunare a celebrului om de știință și filozof francez Blaise Pascal. Elementul principal din acesta a fost roata dințată, a cărei invenție a devenit în sine un eveniment cheie în istorie tehnologie informatică. Aș dori să remarc că evoluția în domeniul tehnologiei informatice este neuniformă, spasmodică: perioadele de acumulare de forță sunt înlocuite cu descoperiri în dezvoltare, după care începe o perioadă de stabilizare, în care rezultatele obținute sunt utilizate practic și la în același timp, cunoștințele și forța sunt acumulate pentru următorul salt înainte. După fiecare revoluție, procesul de evoluție atinge un nou nivel, mai înalt.

În 1671, filozoful și matematicianul german Gustav Leibniz a creat și o mașină de adăugare bazată pe o roată dințată cu un design special - roata dințată Leibniz. Mașina de adunare a lui Leibniz, ca și mașinile de adunare ale predecesorilor săi, a efectuat patru operații aritmetice de bază. Această perioadă s-a încheiat, iar umanitatea, timp de aproape un secol și jumătate, a acumulat forță și cunoștințe pentru următoarea rundă de evoluție a tehnologiei computerelor. Secolele al XVIII-lea și al XIX-lea au fost o perioadă în care diferite științe, inclusiv matematica și astronomia, s-au dezvoltat rapid. Acestea implicau adesea sarcini care necesitau calcule consumatoare de timp și de muncă intensivă.

O altă persoană celebră din istoria computerului a fost matematicianul englez Charles Babbage. În 1823, Babbage a început să lucreze la o mașină pentru calcularea polinoamelor, dar, mai interesant, această mașină, pe lângă producerea directă a calculelor, trebuia să producă rezultate - să le imprime pe o placă negativă pentru imprimare fotografică. Era planificat ca mașina să fie alimentată de un motor cu abur. Din cauza dificultăților tehnice, Babbage nu a putut să-și finalizeze proiectul. Aici, pentru prima dată, a apărut ideea de a folosi un dispozitiv extern (periferic) pentru a scoate rezultatele calculelor. Rețineți că un alt om de știință, Scheutz, a implementat totuși mașina concepută de Babbage în 1853 (s-a dovedit a fi chiar mai mică decât era planificată). Probabil că lui Babbage i-a plăcut mai mult procesul creativ de a căuta idei noi decât de a le traduce în ceva material. În 1834, el a subliniat principiile de funcționare a unei alte mașini, pe care a numit-o „Analitică”. Dificultățile tehnice l-au împiedicat din nou să-și realizeze pe deplin ideile. Babbage a reușit să aducă mașina doar la stadiul experimental. Dar ideea este motorul progresului științific și tehnologic. Următoarea mașinărie a lui Charles Babbage a fost întruchiparea următoarelor idei:

Managementul procesului de productie. Mașina controla funcționarea mașinii de țesut, schimbând modelul țesăturii create în funcție de combinația de găuri pe o bandă de hârtie specială. Această bandă a devenit predecesorul unor astfel de suporturi de informații care ne sunt familiare tuturor ca cărți perforate și benzi perforate.

Programabilitate. Mașina era controlată și de o bandă specială de hârtie cu găuri. Ordinea găurilor de pe el a determinat comenzile și datele procesate de aceste comenzi. Aparatul avea un dispozitiv aritmetic și memorie. Comenzile mașinii au inclus chiar și o comandă de salt condiționat, care a schimbat cursul calculelor în funcție de unele rezultate intermediare.

Contesa Ada Augusta Lovelace, care este considerată primul programator din lume, a luat parte la dezvoltarea acestei mașini.

Ideile lui Charles Babbage au fost dezvoltate și folosite de alți oameni de știință. Așadar, în 1890, la începutul secolului al XX-lea, americanul Herman Hollerith a dezvoltat o mașină care lucra cu tabele de date (primul Excel?). Aparatul era controlat de un program pe carduri perforate. A fost folosit la recensământul din 1890 din SUA. În 1896, Hollerith a fondat compania care a fost predecesorul IBM Corporation. Odată cu moartea lui Babbage, a venit o altă pauză în evoluția tehnologiei de calcul până în anii 30 ai secolului XX. Ulterior, întreaga dezvoltare a omenirii a devenit de neconceput fără computere.

În 1938, centrul dezvoltării s-a mutat pentru scurt timp din America în Germania, unde Konrad Zuse a creat o mașină care, spre deosebire de predecesorii săi, nu funcționa cu numere zecimale, ci cu numere binare. Această mașină era, de asemenea, încă mecanică, dar avantajul ei incontestabil era că implementa ideea procesării datelor în cod binar. Continuându-și munca, Zuse în 1941 a creat o mașină electromecanică, al cărei dispozitiv aritmetic se baza pe un releu. Aparatul poate efectua operații în virgulă mobilă.

În străinătate, în America, se lucra și în această perioadă pentru a crea mașini electromecanice similare. În 1944, Howard Aiken a proiectat o mașină numită Mark-1. Ea, ca și mașina lui Zuse, a funcționat pe un releu. Dar pentru că această mașină a fost creată în mod clar sub influența muncii lui Babbage, a funcționat cu date în formă zecimală.

Bineînțeles, din cauza proporției mari de piese mecanice, aceste mașini au fost condamnate.

Patru generații de calculatoare

Până la sfârșitul anilor treizeci ai secolului al XX-lea, nevoia de automatizare a proceselor de calcul complexe a crescut foarte mult. Acest lucru a fost facilitat de dezvoltarea rapidă a unor industrii precum producția de avioane, fizica nucleară și altele. Din 1945 până în prezent, tehnologia computerelor a trecut prin 4 generații în dezvoltarea sa:

Prima generație

Prima generație (1945-1954) - calculatoare bazate pe tuburi vid Oh. Sunt vremuri preistorice, epoca apariției tehnologiei informatice. Majoritatea mașinilor din prima generație erau dispozitive experimentale și au fost construite pentru a testa anumite principii teoretice. Greutatea și dimensiunea acestor dinozauri computerizati, care adesea necesitau clădiri separate pentru ei înșiși, au devenit de multă vreme o legendă.

Începând din 1943, un grup de specialiști condus de Howard Aitken, J. Mauchly și P. Eckert în SUA a început să proiecteze un computer bazat pe tuburi vid, mai degrabă decât pe relee electromagnetice. Această mașină se numea ENIAC (Electronic Numeral Integrator And Computer) și a funcționat de o mie de ori mai rapid decât Mark-1. ENIAC conținea 18 mii de tuburi vidate, ocupa o suprafață de 9x15 metri, cântărea 30 de tone și consuma o putere de 150 de kilowați. ENIAC avea și un dezavantaj semnificativ - era controlat cu ajutorul unui panou de corecție, nu avea memorie și pentru a seta un program a durat câteva ore sau chiar zile pentru a conecta firele în mod corect. Cel mai grav dintre toate deficiențele a fost nefiabilitatea îngrozitoare a computerului, deoarece aproximativ o duzină de tuburi cu vid au reușit să se defecteze în timpul zilei de funcționare.

Pentru a simplifica procesul de setare a programelor, Mauchly și Eckert au început să proiecteze o nouă mașină care ar putea stoca un program în memoria sa. În 1945, în lucrare a fost implicat celebrul matematician John von Neumann, care a pregătit un raport despre această mașină. În acest raport, von Neumann a formulat clar și simplu principiile generale de funcționare a dispozitivelor de calcul universale, i.e. calculatoare. Aceasta a fost prima mașină operațională construită pe tuburi vidate și a fost dată oficial în funcțiune pe 15 februarie 1946. Au încercat să folosească această mașină pentru a rezolva unele probleme pregătite de von Neumann și legate de proiectul bombei atomice. Apoi a fost transportată la Aberdeen Proving Ground, unde a funcționat până în 1955.

ENIAC a devenit primul reprezentant al primei generații de calculatoare. Orice clasificare este condiționată, dar majoritatea experților au fost de acord că generațiile ar trebui să fie distinse în funcție de baza elementară pe care sunt construite mașinile. Astfel, prima generație pare să fie mașini cu tuburi.

Este necesar de remarcat rolul enorm al matematicianului american von Neumann în dezvoltarea tehnologiei de prima generație. A fost necesar să se înțeleagă punctele tari și punctele slabe ale ENIAC și să se facă recomandări pentru evoluțiile ulterioare. Raportul lui von Neumann și colegii săi G. Goldstein și A. Burks (iunie 1946) a formulat clar cerințele pentru structura calculatoarelor. Multe dintre prevederile acestui raport au fost numite principii Von Neumann.

Primele proiecte de calculatoare casnice au fost propuse de S.A. Lebedev, B.I. Rameev în 1948 În 1949-51. conform proiectului S.A. Lebedev, MESM (mașină de calcul electronică mică) a fost construită. Prima lansare de probă a modelului de mașină a avut loc în noiembrie 1950, iar mașina a fost pusă în funcțiune în 1951. MESM a lucrat într-un sistem binar, cu un sistem de comandă cu trei adrese, iar programul de calcul a fost stocat într-un dispozitiv de stocare tip operațional. Mașina lui Lebedev cu procesare paralelă a textului a fost o soluție fundamental nouă. A fost unul dintre primele computere din lume și primul de pe continentul european cu un program stocat.

Calculatorul de generația I include și BESM-1 (mașină de calcul electronic mare), a cărui dezvoltare sub conducerea S.A. Lebedeva a fost finalizată în 1952, conținea 5 mii de lămpi, a funcționat fără defecțiuni timp de 10 ore. Performanța a atins 10 mii de operații pe secundă (Anexa 1).

Aproape simultan, computerul Strela a fost proiectat (Anexa 2) sub conducerea lui Yu.Ya. Bazilevski, în 1953. a fost pus in productie. Ulterior, a apărut calculatorul Ural - 1 (Anexa 3), care a marcat începutul unei mari serii de mașini Ural, dezvoltate și puse în producție sub conducerea lui B.I. Rameeva. În 1958 Prima generație de computer M-20 (viteză de până la 20 de mii de operațiuni/s) a fost pus în producție în serie.

Calculatoarele de prima generație aveau viteze de câteva zeci de mii de operații pe secundă. Miezurile de ferită au fost folosite ca memorie internă, iar ALU și unitățile de control au fost construite pe tuburi electronice. Viteza computerului a fost determinată de componenta mai lentă - memorie internă iar acest lucru a redus efectul general.

Calculatoarele din prima generație au fost orientate spre efectuarea de operații aritmetice. Când s-a încercat să le adapteze la sarcinile de analiză, s-au dovedit a fi ineficiente.

Nu existau încă limbaje de programare ca atare, iar programatorii foloseau instrucțiuni ale mașinii sau asamblatori pentru a-și codifica algoritmii. Acest lucru a complicat și a întârziat procesul de programare.

Până la sfârșitul anilor '50, instrumentele de programare sufereau schimbări fundamentale: s-a făcut o tranziție către automatizarea programării folosind limbaje și biblioteci universale. programe standard. Utilizarea limbilor universale a dus la apariția traducătorilor.

Programele au fost executate sarcină cu sarcină, adică. operatorul trebuia să monitorizeze progresul sarcinii și, când s-a ajuns la final, să inițieze următoarea sarcină.

A doua generație

În a doua generație de calculatoare (1955-1964), în locul tuburilor cu vid au fost folosite tranzistori, iar miezurile magnetice și tamburele magnetice au început să fie folosite ca dispozitive de memorie - strămoșii îndepărtați ai computerelor moderne. hard disk-uri. Toate acestea au făcut posibilă reducerea drastică a dimensiunii și costului computerelor, care apoi au început să fie construite pentru vânzare pentru prima dată.

Dar principalele realizări ale acestei epoci aparțin domeniului programelor. Pe a doua generație de computere a apărut pentru prima dată ceea ce se numește acum un sistem de operare. Atunci s-au dezvoltat primele limbi nivel înalt— FORTRAN, ALGOL, COBOL. Aceste două îmbunătățiri importante au făcut scrierea programelor de calculator mult mai ușoară și mai rapidă; Programarea, deși rămâne o știință, capătă caracteristicile unui meșteșug.

În consecință, sfera aplicațiilor informatice sa extins. Acum nu mai erau doar oamenii de știință cei care puteau conta pe accesul la tehnologia de calcul; calculatoarele au fost folosite în planificare și management, iar unele firme mari și-au computerizat chiar contabilitatea, anticipând moda cu douăzeci de ani.

Semiconductorii au devenit baza elementară a celei de-a doua generații. Fără îndoială, tranzistoarele pot fi considerate unul dintre cele mai impresionante miracole ale secolului al XX-lea.

Un brevet pentru descoperirea tranzistorului a fost eliberat în 1948 americanilor D. Bardeen și W. Brattain, iar opt ani mai târziu aceștia, împreună cu teoreticianul V. Shockley, au devenit laureați ai Premiului Nobel. Vitezele de comutare ale primelor elemente de tranzistor s-au dovedit a fi de sute de ori mai mari decât cele ale elementelor tubulare, precum și fiabilitatea și eficiența. Pentru prima dată, memoria de pe miezurile de ferită și peliculele magnetice subțiri a început să fie utilizată pe scară largă și au fost testate elemente inductive - parametrii.

Primul computer de bord pentru instalare pe o rachetă intercontinentală, Atlas, a fost pus în funcțiune în Statele Unite în 1955. Aparatul folosea 20 de mii de tranzistori și diode, consuma 4 kilowați. În 1961, calculatoarele de la sol Barrows controlau zborurile spațiale ale rachetelor Atlas, iar mașinile IBM controlau zborul astronautului Gordon Cooper. Computerul a controlat zborurile navelor spațiale fără pilot de tip Ranger către Lună în 1964, precum și navele spațiale Mariner către Marte. Funcții similare Calculatoarele sovietice au îndeplinit și ele această sarcină.

În 1956, IBM a dezvoltat capete magnetice plutitoare pe o pernă de aer. Invenția lor a făcut posibilă crearea unui nou tip de memorie - dispozitive de stocare pe disc, a căror importanță a fost pe deplin apreciată în deceniile următoare ale dezvoltării tehnologiei de calcul. Primele dispozitive de stocare pe disc au apărut în mașinile IBM-305 și RAMAC (Anexa 4). Acesta din urmă avea un pachet format din 50 de discuri metalice acoperite magnetic care se roteau cu o viteză de 12.000 rpm. Suprafața discului conținea 100 de piste pentru înregistrarea datelor, fiecare conținând 10.000 de caractere.

Primele calculatoare mainframe produse în serie cu tranzistori au fost lansate în 1958 simultan în SUA, Germania și Japonia.

Apar primele minicalculatoare (de exemplu, PDP-8 (Anexa 5)).

În Uniunea Sovietică, primele mașini fără lampă „Setun”, „Razdan” și „Razdan-2” au fost create în 1959-1961. În anii 60, designerii sovietici au dezvoltat aproximativ 30 de modele de computere cu tranzistori, dintre care majoritatea au început să fie produse în masă. Cel mai puternic dintre ei, Minsk-32, a efectuat 65 de mii de operațiuni pe secundă. Au apărut familii întregi de vehicule: „Ural”, „Minsk”, BESM.

Deținătorul recordului în rândul calculatoarelor din a doua generație a fost BESM-6 (Anexa 6), care avea o viteză de aproximativ un milion de operații pe secundă - una dintre cele mai productive din lume. Arhitectură și multe solutii tehniceîn acest computer au fost atât de progresiste și înaintea timpului lor încât a fost folosit cu succes aproape până în epoca noastră.

În special pentru automatizarea calculelor inginerești la Institutul de Cibernetică al Academiei de Științe a RSS Ucrainei sub conducerea academicianului V.M. Glushkov a dezvoltat calculatoarele MIR (1966) și MIR-2 (1969). O caracteristică importantă a mașinii MIR-2 a fost utilizarea unui ecran de televiziune pentru controlul vizual al informațiilor și a unui stilou luminos, cu ajutorul căruia a fost posibilă corectarea datelor direct pe ecran.

Construcția unor astfel de sisteme, care includea aproximativ 100 de mii de elemente de comutare, ar fi pur și simplu imposibilă pe baza tehnologiei lămpii. Astfel, a doua generație s-a născut în profunzimea primei, adoptând multe dintre trăsăturile sale. Cu toate acestea, la mijlocul anilor 60, boom-ul în domeniul producției de tranzistori a atins maximul - a avut loc saturarea pieței. Cert este că asamblarea echipamentelor electronice a fost un proces foarte laborios și lent, care nu se preta bine mecanizării și automatizării. Astfel, condițiile sunt coapte pentru trecerea la tehnologie nouă, care ar adapta complexitatea tot mai mare a circuitelor prin eliminarea conexiunilor tradiționale dintre elementele lor.

A treia generație

În cele din urmă, în a treia generație de calculatoare (1965-1974), au început să fie folosite pentru prima dată circuitele integrate - dispozitive întregi și unități de zeci și sute de tranzistori, realizate pe un singur cristal semiconductor (ceea ce acum se numește microcircuite). În același timp, a apărut memoria cu semiconductor, care este încă folosită în computerele personale ca RAM pe tot parcursul zilei. Prioritatea în inventarea circuitelor integrate, care a devenit baza elementară a calculatoarelor din a treia generație, aparține oamenilor de știință americani D. Kilby și R. Noyce, care au făcut această descoperire independent unul de celălalt. Producția de masă a circuitelor integrate a început în 1962, iar în 1964 trecerea de la elementele discrete la cele integrate a început să aibă loc rapid. Menționatul ENIAK, cu dimensiunile 9x15 metri, în 1971 ar fi putut fi asamblat pe o placă de 1,5 centimetri pătrați. A început transformarea electronicii în microelectronice.

În acești ani, producția de calculatoare a căpătat o scară industrială. IBM, care devenise lider, a fost primul care a implementat o familie de calculatoare - o serie de computere care erau pe deplin compatibile între ele, de la cele mai mici, de dimensiunea unui mic dulap (nu făcuseră niciodată ceva mai mic atunci), la cele mai puternice și scumpe modele. Cea mai răspândită în acei ani a fost familia System/360 de la IBM, pe baza căreia a fost dezvoltată seria de calculatoare ES în URSS. În 1973, a fost lansat primul model de computer din seria ES, iar din 1975 au apărut modelele ES-1012, ES-1032, ES-1033, ES-1022, iar mai târziu ES-1060, mai puternic.

Ca parte a celei de-a treia generații, în SUA a fost construită o mașină unică „ILLIAK-4”, care în versiunea sa originală a fost planificată să folosească 256 de dispozitive de procesare a datelor realizate pe circuite integrate monolitice. Proiectul a fost ulterior schimbat din cauza destul cost ridicat(peste 16 milioane de dolari). Numărul de procesoare a trebuit să fie redus la 64 și, de asemenea, trecut la circuite integrate cu un grad scăzut de integrare. O versiune scurtă a proiectului a fost finalizată în 1972, viteza nominală a ILLIAC-4 a fost de 200 de milioane de operații pe secundă. Timp de aproape un an, acest computer a deținut recordul de viteză de calcul.

La începutul anilor ’60, au apărut primele minicalculatoare – computere mici, cu putere redusă, accesibile firmelor sau laboratoarelor mici. Minicalculatoarele au reprezentat primul pas către calculatoarele personale, prototipurile cărora au fost lansate abia la mijlocul anilor '70. Cunoscuta familie de minicalculatoare PDP de la Digital Equipment a servit drept prototip pentru seria de mașini sovietice SM.

Între timp, numărul de elemente și conexiuni dintre ele care se potrivesc într-un singur microcircuit creștea constant, iar în anii 70, circuitele integrate conțineau deja mii de tranzistori. Acest lucru a făcut posibilă combinarea majorității componentelor computerului într-o singură parte mică - ceea ce a făcut Intel în 1971, lansând primul microprocesor, care era destinat calculatoarelor desktop care tocmai apăruseră. Această invenție a fost menită să producă o adevărată revoluție în următorul deceniu - la urma urmei, microprocesorul este inima și sufletul computerului nostru personal.

Dar asta nu este tot - într-adevăr, trecerea anilor 60 și 70 a fost o perioadă fatidică. În 1969, primul global retea de calculatoare- embrionul a ceea ce numim acum Internet. Și în același 1969, a apărut simultan o sală de operație sistem Unixși limbajul de programare C („C”), care a avut un impact uriaș asupra lumii software și își menține în continuare poziția de lider.

A patra generație

O altă schimbare în baza elementului a dus la o schimbare a generațiilor. În anii '70, se lucra în mod activ pentru a crea circuite integrate mari și ultra-mari (LSI și VLSI), care au făcut posibilă plasarea a zeci de mii de elemente pe un singur cip. Acest lucru a dus la o reducere semnificativă suplimentară a dimensiunii și costului computerelor. Lucrul cu software a devenit mai prietenos, ceea ce a dus la o creștere a numărului de utilizatori.

În principiu, cu un astfel de grad de integrare a elementelor, a devenit posibil să se încerce să se creeze un computer complet funcțional pe un singur cip. Au fost făcute încercări adecvate, deși au fost întâmpinați în mare parte cu un zâmbet neîncrezător. Probabil că ar fi mai puține dintre aceste zâmbete dacă ar fi posibil să se prevadă că această idee ar provoca dispariția calculatoarelor mainframe în doar un deceniu și jumătate.

Cu toate acestea, la începutul anilor 70, Intel a lansat microprocesorul (MP) 4004. Și dacă înainte de asta existau doar trei direcții în lumea computerelor (supercalculatoare, mainframe și minicalculatoare), acum li s-a adăugat o alta - microprocesor. În general, un procesor este înțeles ca o unitate funcțională a unui computer concepută pentru prelucrarea logică și aritmetică a informațiilor bazată pe principiul controlului microprogramelor. Pe baza implementării hardware, procesoarele pot fi împărțite în microprocesoare (toate funcțiile procesorului sunt complet integrate) și procesoare cu integrare scăzută și medie. Structural, acest lucru se exprimă prin faptul că microprocesoarele implementează toate funcțiile procesorului pe un singur cip, în timp ce alte tipuri de procesoare le implementează prin conectarea unui număr mare de cipuri.

Așadar, primul microprocesor 4004 a fost creat de Intel la începutul anilor 70. Era un dispozitiv de calcul paralel pe 4 biți, iar capacitățile sale erau sever limitate. 4004 putea efectua patru operații aritmetice de bază și a fost utilizat inițial numai în calculatoare de buzunar. Ulterior, domeniul său de aplicare a fost extins pentru a include utilizarea în diverse sisteme control (de exemplu, pentru a controla semafoare). Intel, după ce a prevăzut corect promisiunea microprocesoarelor, a continuat dezvoltarea intensivă, iar unul dintre proiectele sale a dus în cele din urmă la un succes major, care a predeterminat calea viitoare de dezvoltare a tehnologiei de calcul.

Acesta a fost proiectul de dezvoltare a procesorului 8080 pe 8 biți (1974). Acest microprocesor avea un sistem de comandă destul de dezvoltat și era capabil să împartă numere. A fost folosit pentru a crea computerul personal Altair, pentru care tânărul Bill Gates a scris unul dintre primii săi interpreți în limbajul BASIC. Probabil că din acest moment ar trebui numărată a 5-a generație.

A cincea generație

Tranziția la calculatoare de generația a cincea a implicat o tranziție la noi arhitecturi menite să creeze inteligenţă artificială.

Se credea că arhitectura de computer de a cincea generație va conține două blocuri principale. Unul dintre ele este computerul în sine, în care comunicarea cu utilizatorul este realizată de o unitate numită „interfață inteligentă”. Sarcina interfeței este de a înțelege textul scris în limbaj natural sau de vorbire și de a traduce enunțul problemei astfel enunțat într-un program de lucru.

Cerințe de bază pentru calculatoarele din generația a 5-a: Crearea unei interfețe om-mașină dezvoltate (recunoaștere vorbire, recunoaștere imagini); Dezvoltarea programării logice pentru crearea bazelor de cunoștințe și a sistemelor de inteligență artificială; Crearea de noi tehnologii în producția de echipamente informatice; Crearea de noi arhitecturi de calculatoare și sisteme de calcul.

Noile capacități tehnice ale tehnologiei informatice ar fi trebuit să extindă gama de sarcini de rezolvat și să facă posibilă trecerea la sarcinile de creare a inteligenței artificiale. Una dintre componentele necesare pentru crearea inteligenței artificiale este bazele de cunoștințe (bazele de date) în diverse domenii ale științei și tehnologiei. Crearea și utilizarea bazelor de date necesită sisteme de calcul de mare viteză și o cantitate mare de memorie. Calculatoare de uz general capabile să efectueze calcule de mare viteză, dar nu sunt potrivite pentru efectuarea de operațiuni de comparare și sortare de mare viteză pe volume mari de înregistrări stocate de obicei pe discuri magnetice. Pentru a crea programe care asigură completarea, actualizarea bazelor de date și lucrul cu acestea, au fost create limbaje de programare logice și orientate pe obiecte care oferă cele mai mari oportunități comparativ cu limbajele procedurale convenționale. Structura acestor limbaje necesită o tranziție de la arhitectura computerizată tradițională von Neumann la arhitecturi care țin cont de cerințele sarcinilor de creare a inteligenței artificiale.

Clasa de supercalculatoare include calculatoare care au performanța maximă la momentul lansării lor, sau așa-numitele computere din generația a 5-a.

Primele supercalculatoare au apărut deja în rândul calculatoarelor de a doua generație (1955 - 1964, vezi calculatoare de a doua generație au fost concepute pentru a rezolva probleme complexe care necesitau calcule de mare viteză); Acestea sunt LARC de la UNIVAC, Stretch de la IBM și „CDC-6600″ (familia CYBER) de la Control Data Corporation, au folosit metode de procesare paralelă (creșterea numărului de operațiuni efectuate pe unitatea de timp), pipelining de comandă (când în timpul execuției o comandă a doua este citită din memorie și pregătită pentru execuție) și procesare paralelă cu ajutorul procesorului structura complexa, constând dintr-o matrice de procesoare de date și un procesor de control special care distribuie sarcini și controlează fluxul de date în sistem. Calculatoarele care rulează mai multe programe în paralel folosind mai multe microprocesoare sunt numite sisteme multiprocesoare. Până la mijlocul anilor 80 pe listă cei mai mari producatori Supercalculatoarele din lume au fost Sperry Univac și Burroughs. Primul este cunoscut, în special, pentru sistemele sale centrale UNIVAC-1108 și UNIVAC-1110, care au fost utilizate pe scară largă în universități și organizații guvernamentale.

În urma fuziunii dintre Sperry Univac și Burroughs, UNISYS combinat a continuat să susțină ambele linii mainframe, menținând în același timp compatibilitatea ascendentă în fiecare. Acesta este un indiciu clar al regulii imuabile care a susținut dezvoltarea mainframe-urilor - păstrarea funcționalității software-ului dezvoltat anterior.

În lumea supercalculatoarelor este cunoscut și Compania Intel. Calculatoare multiprocesor Paragon de la Intelîn familia multiprocesoarelor structurile de memorie distribuită au devenit la fel de clasice.

principiile von Neumann

În 1946, D. von Neumann, G. Goldstein și A. Berks, în articolul lor comun, au conturat noi principii pentru construcția și funcționarea computerelor. Ulterior, pe baza acestor principii au fost produse primele două generații de calculatoare. Au existat unele schimbări în generațiile ulterioare, deși principiile lui Neumann sunt și astăzi relevante. De fapt, Neumann a reușit să rezumă evoluțiile și descoperirile științifice ale multor alți oameni de știință și să formuleze principii fundamental noi pe baza lor:
1. Principiul reprezentării și stocării numerelor.
Sistemul de numere binar este folosit pentru a reprezenta și stoca numere. Avantajul față de sistemul numeric zecimal este că bitul este ușor de implementat, memoria mare de biți este destul de ieftină, dispozitivele pot fi realizate destul de simplu, iar operațiile aritmetice și logice în sistemul de numere binar sunt, de asemenea, efectuate destul de simplu.
2. Principiul controlului programelor de calculator.
Funcționarea computerului este controlată de un program format dintr-un set de comenzi. Comenzile sunt executate secvenţial una după alta. Comenzile procesează datele stocate în memoria computerului.
3. Principiul programului stocat.
Memoria computerului este folosită nu numai pentru stocarea datelor, ci și a programelor. În acest caz, atât comenzile programului, cât și datele sunt codificate în sistemul de numere binar, adică metoda lor de înregistrare este aceeași. Prin urmare, în anumite situații, puteți efectua aceleași acțiuni asupra comenzilor ca și asupra datelor.
4. Principiul accesului direct la memorie.
Celulele RAM Calculatoarele au adrese numerotate secvenţial. În orice moment, puteți accesa orice celulă de memorie după adresa sa.
5. Principiul ramificarii si calculelor ciclice.
Comenzile de salt condiționate vă permit să implementați o tranziție la orice secțiune de cod, oferind astfel capacitatea de a organiza ramificarea și de a reexecuta anumite secțiuni ale programului.
Cea mai importantă consecință a acestor principii este că acum programul nu mai era o parte permanentă a mașinii (cum ar fi, de exemplu, un calculator). A devenit posibil să se schimbe ușor programul. Dar echipamentul, desigur, rămâne neschimbat și foarte simplu. Prin comparație, programul computerului ENIAC (care nu avea un program stocat) a fost determinat de jumperi speciali de pe panou. Ar putea dura mai mult de o zi pentru a reprograma aparatul (setati jumperii diferit).
Și deși programele pentru computerele moderne pot dura luni de dezvoltare, instalarea lor (instalarea pe un computer) durează câteva minute, chiar și pentru programele mari. Un astfel de program poate fi instalat pe milioane de computere și rulat pe fiecare dintre ele ani de zile.

Aplicații

Anexa 1

Anexa 2

Computer „Ural”

Anexa 3

Computer „Strela”

Anexa 4

IBM-305 și RAMAC

Anexa 5

minicalculator PDP-8

Anexa 6

Literatură:

1) Broido V.L. Sisteme de calcul, rețele și telecomunicații. Manual pentru universități. a 2-a ed. – Sankt Petersburg: Peter, 2004

2) Zhmakin A.P. Arhitectura computerului. – Sankt Petersburg: BHV - Petersburg, 2006

3) Semenenko V.A. si altele. Calculatoare electronice. Manual pentru școli profesionale - M.: Liceu, 1991

Drept și CCA

Lecția 9. Principiul dorsal-modular al construcției calculatoarelor.

Temă: folosind textul educațional, răspundeți la următoarele întrebări (scrieți în caiet).

1. Cine a fost fondatorul principiului modular al arhitecturii PC moderne.

2. Arhitectura computerului este...

3. Enumerați principiile de bază care stau la baza construcției modulare a arhitecturii PC.

4. Din ce părți este formată autostrada?

5. Pentru ce este interfața dispozitivului?

6. Ce se folosește pentru a negocia interfețele? Cum funcționează această coordonare (desenați o diagramă)?

7. Cum sunt prelucrate datele pe un computer?

8. Desenați o diagramă schematică a principiului schelet-modular al unui PC.

9. Autostrada este...

10. Care este scopul magistralei de control, magistralei de adrese, magistralei de date?

12. Ce permite principiul modular utilizatorului de PC? Enumerați principalele avantaje ale principiului modular-backbone.

D/z. Răspundeți la întrebări, pregătiți-vă să răspundeți la textul educațional.

Text educativ

Principiul coloană-modular al construcției calculatoarelor

Să ne amintim informațiile primite în lecțiile anterioare:

Computerul este dispozitiv electronic, conceput pentru a lucra cu informații și anume introducerea, prelucrarea, stocarea, ieșirea și transmiterea informațiilor.În plus, un PC este o singură entitate formată din două entități - hardware și software.

Arhitectura computerului este o descriere a organizării sale logice, a resurselor și a principiilor de funcționare ale elementelor sale structurale. Include principalele dispozitive informatice și structura conexiunilor dintre ele.

De obicei, atunci când se descrie arhitectura unui computer, se acordă o atenție deosebită acelor principii ale organizării acestuia care sunt caracteristice majorității mașinilor aparținând familiei descrise și, de asemenea, care influențează capacitățile de programare.

Arhitectura computerelor moderne se bazează pe principiile lui John von Neumann și principiul coloana vertebrală-modulară.

În 1946, D. von Neumann, G. Goldstein și A. Berks, în articolul lor comun, au conturat noi principii pentru construcția și funcționarea computerelor. Ulterior, pe baza acestor principii au fost produse primele două generații de calculatoare. Au existat unele schimbări în generațiile ulterioare, deși principiile lui Neumann sunt și astăzi relevante.

De fapt, Neumann a reușit să rezumă evoluțiile și descoperirile științifice ale multor alți oameni de știință și să formuleze ceva fundamental nou pe baza lor.

principiile lui Von Neumann

1. Utilizare sistem binar socotind in calculatoare . Avantajul față de sistemul numeric zecimal este că dispozitivele pot fi realizate destul de simplu, iar operațiile aritmetice și logice în sistemul numeric binar sunt, de asemenea, efectuate destul de simplu.

2. Control software de calculator. Funcționarea computerului este controlată de un program format dintr-un set de comenzi. Comenzile sunt executate secvenţial una după alta. Crearea unei mașini cu un program stocat a fost începutul a ceea ce numim astăzi programare.

3. Memoria computerului este folosită nu numai pentru stocarea datelor, ci și a programelor.. În acest caz, atât comenzile programului, cât și datele sunt codificate în sistemul de numere binar, adică metoda lor de înregistrare este aceeași. Prin urmare, în anumite situații, puteți efectua aceleași acțiuni asupra comenzilor ca și asupra datelor.

4. Celulele de memorie ale computerului au adrese care sunt numerotate secvenţial. În orice moment, puteți accesa orice celulă de memorie prin adresa sa. Acest principiu a deschis posibilitatea utilizării variabilelor în programare.

5. Posibilitatea de salt condiționat în timpul execuției programului. În ciuda faptului că comenzile sunt executate secvenţial, programele pot implementa capacitatea de a sări la orice secţiune de cod.

6. Disponibilitatea dispozitivelor de intrare și ieșire a informațiilor. Aceste dispozitive sunt de bază și suficiente pentru funcționarea computerului la nivel de utilizator.

7. Principiul arhitecturii deschise– reguli pentru construirea unui calculator, conform cărora fiecare bloc nou trebuie să fie compatibil cu cel vechi și să fie ușor de instalat în același loc în calculator. Într-un computer, puteți înlocui la fel de ușor blocurile vechi cu altele noi, oriunde s-ar afla, drept urmare funcționarea computerului nu numai că nu este perturbată, ci devine și mai productivă. Acest principiu vă permite să nu aruncați, ci să modernizați un computer achiziționat anterior, înlocuind cu ușurință unitățile învechite din el cu altele mai avansate și mai convenabile, precum și achiziționarea și instalarea de noi unități. Mai mult, în toate, conectorii pentru conectarea lor sunt standard și nu necesită nicio modificare în designul computerului în sine.

Cea mai importantă consecință a acestor principii este că acum programul nu mai era o parte permanentă a mașinii (cum ar fi, de exemplu, un calculator). A devenit posibil să se schimbe ușor programul. Dar echipamentul, desigur, rămâne neschimbat și foarte simplu.

Un computer nu este un obiect indivizibil, integral. Este format dintr-un număr de dispozitive - module.(Utilizatorul își poate completa computerul din aceste module la cererea sa). Pentru fiecare dispozitiv de pe computer există circuit electronic care o controlează. Acest circuit se numește controler sau adaptor. Unele controlere pot controla mai multe dispozitive simultan. Toate controlerele și adaptoarele interacționează cu procesorul și RAM prin magistrala de sistem (un set de linii electronice. O magistrală este un cablu format din multe fire.

Coloana vertebrală asigură schimbul de date între dispozitivele computerizate.

Autostrada este formată din trei părți:

1. Autobuz de adrese, pe care este setată adresa celulei de memorie sau a dispozitivului necesar cu care vor fi schimbate informații.

2. Autobuz de date, prin care vor fi transmise informațiile necesare.

3. Autobuz de control reglementarea acestui proces. (semnale sunt transmise prin magistrala de control care determină natura schimbului de informații de-a lungul autostrăzii. Aceste semnale indică ce operațiune trebuie efectuată).

Pentru ca un computer să funcționeze corect, este necesar ca toate dispozitivele sale să funcționeze împreună, să se „înțeleagă” între ele și să „nu intre în conflict”. Acest lucru este asigurat datorită aceleiași interfețe pe care o au toate dispozitivele computerizate.
O interfață este un mijloc de conectare a două dispozitive, în care toți parametrii fizici și logici sunt consecvenți unul cu celălalt.

Deoarece schimbul de date între dispozitive are loc prin intermediul magistralei, pentru a coordona interfețele, toate dispozitivele externe sunt conectate la magistrală nu direct, ci prin controlerele (adaptoarele) și porturile lor.

Porturile pot fi seriale sau paralele. LA porturi seriale dispozitivele lente sau la distanță (mouse, modem) sunt conectate, iar cele mai rapide (scaner, imprimantă) sunt conectate la cele paralele. Tastatura și monitorul sunt conectate la porturi specializate.

Pentru a evita conectarea unui dispozitiv la portul altcuiva din greșeală sau ignoranță, fiecare dispozitiv are o formă de fișă individuală care nu se potrivește în conectorul „străin”.

Informațiile prezentate în formă digitală și prelucrate pe un computer se numesc date.

Se apelează secvența de comenzi pe care un computer le execută în timpul procesării datelor program.

Prelucrarea datelor pe un computer:

1. Utilizatorul lansează un program stocat în memoria pe termen lung, acesta este încărcat în memoria operațională și începe să se execute.

2. Execuție: Procesorul citește instrucțiunile și le execută. Datele necesare sunt încărcate în RAM din memoria pe termen lung sau introduse folosind dispozitive de intrare.

3. Datele de ieșire (primite) sunt scrise de procesor în RAM sau în memoria pe termen lung și sunt, de asemenea, furnizate utilizatorului folosind dispozitive de ieșire a informațiilor.

Pentru a asigura schimbul de informații între diverse dispozitive trebuie asigurat un fel de coloană vertebrală pentru mișcarea fluxurilor de informații.

Trunchi (autobuz de sistem) include trei magistrale multi-biți: magistrală de date, magistrală de adrese și magistrală de control, care sunt linii cu mai multe fire. Procesorul și RAM, precum și dispozitivele periferice de intrare, ieșire și stocare a informațiilor care fac schimb de informații în limbajul mașinii (secvențe de zerouri și unități sub formă de impulsuri electrice) sunt conectate la coloana vertebrală.

Autobuz de date. Acest bus transferă date între diferite dispozitive. De exemplu, datele citite din RAM pot fi trimise la procesor pentru procesare, iar apoi datele primite pot fi trimise înapoi la RAM pentru stocare. Astfel, datele de pe magistrala de date pot fi transferate de la dispozitiv la dispozitiv în orice direcție, adică magistrala de date este bidirecțională. Principalele moduri de operare ale procesorului care utilizează magistrala de date includ următoarele: scrierea/citirea datelor din RAM, scrierea/citirea datelor din memoria externă, citirea datelor de la un dispozitiv de intrare, trimiterea datelor către un dispozitiv de ieșire.

Lățimea magistralei de date este determinată de capacitatea de biți a procesorului, adică de numărul de biți binari care pot fi procesați sau transmiși de procesor simultan. Capacitatea procesoarelor este în continuă creștere pe măsură ce tehnologia computerelor se dezvoltă.

Autobuz de adrese. Alegerea dispozitivului sau a celulei de memorie către care sunt trimise sau citite datele prin magistrala de date este făcută de procesor. Fiecare dispozitiv sau celulă RAM are propria sa adresă. Adresa este trimisă de magistrala de adrese, iar semnalele sunt transmise printr-o singură direcție - de la procesor la RAM și dispozitive (bus unidirecțional).

Lățimea magistralei de adrese determină cantitatea de memorie adresabilă (spațiu de adrese), adică numărul de celule RAM de un octet care pot avea adrese unice.

Numărul de celule de memorie adresabile poate fi calculat folosind formula:

N=2 I, unde I este lățimea magistralei de adrese.

Fiecare magistrală are propriul spațiu de adrese, adică cantitatea maximă de memorie adresabilă:

2 16 = 64 KB

2 20 = 1 MB

2 24 = 16 MB

2 32 = 4 GB

Autobuz de control. Autobuzul de control transmite semnale care determină natura schimbului de informații de-a lungul autostrăzii. Semnalele de control indică ce operație - citirea sau scrierea informațiilor din memorie - trebuie efectuată, sincronizează schimbul de informații între dispozitive și așa mai departe.

Principiul modular permite consumatorului să asambleze configurația computerului de care are nevoie și, dacă este necesar, să o facă upgrade. Fiecare funcție individuală a computerului este implementată de unul sau mai multe module - unități electronice complete din punct de vedere structural și funcțional într-un design standard. Organizarea unei structuri de computer pe o bază modulară este similară cu construirea unei case de bloc.

Principiul coloana vertebrală-modulară are o serie de avantaje:

1. Pentru a lucra cu dispozitive externe, se folosesc aceleași comenzi de procesor ca și pentru lucrul cu memoria.

2. Conectarea dispozitivelor suplimentare la coloana vertebrală nu necesită modificări ale dispozitivelor, procesorului sau memoriei existente.

3. Schimbând compoziția modulelor, puteți modifica puterea și scopul computerului în timpul funcționării acestuia.

Arhitectura computerului și principiile von Neumann

Termenul „arhitectură” este folosit pentru a descrie principiul de funcționare, configurare și interconectare a principalelor noduri logice ale unui computer. Arhitectură este o ierarhie pe mai multe niveluri de hardware și software din care este construit un computer.

Bazele doctrinei arhitecturii computerelor au fost puse de remarcabilul matematician american John von Neumann. Primul computer Eniak a fost creat în SUA în 1946. Grupul de creatori inclus von Neumann, care a sugerat principiile de bază ale construcției calculatoarelor: trecerea la sistemul de numere binar pentru reprezentarea informaţiei şi principiul unui program stocat.

S-a propus plasarea programului de calcul într-un dispozitiv de stocare computerizat, care să asigure modul automat executarea comenzilor și, ca urmare, o creștere a vitezei computerului. (Reamintim că anterior toate computerele stocau numere procesate în formă zecimală, iar programele erau specificate prin instalarea de jumperi pe un panou de corecție special.) Neumann a fost primul care a ghicit că un program poate fi stocat și ca un set de zerouri și unu și în aceeași memorie ca și numerele pe care le prelucrează.

Principii de bază ale construcției calculatoarelor:

1. Orice computer este format din trei componente principale: procesor, memorie și dispozitiv. intrare-ieșire (I/O).

2. Informațiile cu care funcționează computerul sunt împărțite în două tipuri:

un set de comenzi de procesare (programe); datele de prelucrat.

3. Atât comenzile, cât și datele sunt introduse în memorie (RAM) – principiul programului stocat .

4. Prelucrarea este controlată de procesor, a cărui unitate de control (CU) selectează comenzile din RAM și organizează execuția acestora, iar unitatea aritmetico-logică (ALU) efectuează operații aritmetice și logice asupra datelor.

5. Dispozitivele de intrare/ieșire (I/O) sunt conectate la procesor și RAM.

Von Neumann nu numai că a prezentat principiile fundamentale ale structurii logice a computerelor, dar a propus și o structură care a fost reprodusă în timpul primelor două generații de calculatoare.

Orez. 1. Arhitectura computerului Sfârșitul formularului,

von Neumann

- direcția fluxurilor de informații; - direcția semnalelor de control de la procesor către alte noduri de calculator

Fundamentele arhitecturii dispozitivelor de calcul dezvoltate de von Neumann s-au dovedit a fi atât de fundamentale încât au primit numele de „arhitectură von Neumann” în literatură. Marea majoritate a VM-urilor de astăzi sunt mașini von Neumann.

Apariția celei de-a treia generații de calculatoare s-a datorat trecerii de la tranzistori la circuite integrate, ceea ce a dus la creșterea vitezei procesorului. Acum procesorul a fost forțat să rămână inactiv, așteptând informații de la dispozitivele de intrare/ieșire mai lente, iar acest lucru a redus eficiența întregului computer în ansamblu. Pentru a rezolva această problemă, au fost create scheme speciale de management al muncii dispozitive externe, sau doar controlorii.

Arhitectura computerelor personale moderne se bazează pe coloana vertebrală-principiu modular. Comunicarea informaționalăîntre dispozitivele computerizate se realizează prin magistrala de sistem(un alt nume este autostrada de sistem).

O magistrală este un cablu format din mai mulți conductori. Un grup de conductori - magistrala de date informațiile prelucrate sunt transmise, pe de altă parte - magistrala de adrese- adrese de memorie sau dispozitive externe accesate de procesor. A treia parte a autostrăzii - magistrala de control, prin acesta sunt transmise semnale de control (de exemplu, un semnal că dispozitivul este gata de funcționare, un semnal de pornire a funcționării dispozitivului etc.).

Cum funcționează magistrala de sistem? Am spus deja că biții unu și zero există doar în capul programatorilor. Pentru un procesor, doar tensiunile la contactele sale sunt reale. Fiecare pin corespunde unui bit, iar procesorul trebuie doar să facă distincția între două niveluri de tensiune: da/nu, mare/scăzut. Prin urmare, adresa procesorului este o secvență de tensiuni contacte speciale, numit magistrala de adrese. Vă puteți imagina că, după ce tensiunile sunt setate pe contactele magistralei de adrese, tensiunile apar pe contactele magistralei de date, codificând numărul stocat la adresa specificată. Această imagine este foarte dură, deoarece este nevoie de timp pentru a prelua datele din memorie. Pentru a evita confuzia, funcționarea procesorului este controlată de un generator de ceas special. Produce impulsuri care împart munca procesorului în etape separate. Unitatea de timp a procesorului este un ciclu de ceas, adică intervalul dintre două impulsuri ale generatorului de ceas.

Tensiunile care apar pe magistrala de adrese a procesorului se numesc adresa fizica. ÎN modul real Procesorul funcționează doar cu adrese fizice. Dimpotrivă, modul protejat al procesorului este interesant deoarece programul funcționează cu adrese logice, iar procesorul le convertește invizibil în adrese fizice. sistem Windows folosește modul procesor protejat. Sistemele de operare și programele moderne necesită atât de multă memorie încât modul protejat al procesorului a devenit mult mai „real” decât modul său real.

Busul de sistem este caracterizat ceas frecvența și adâncimea de biți. Se apelează numărul de biți transmiși simultan pe magistrală lățimea autobuzului. Frecvența ceasului caracterizează numărul de operațiuni elementare de transfer de date pe secundă. Lățimea magistralei este măsurată în biți, frecvența ceasului– în megaherți.

Orice informație transmisă de la procesor către alte dispozitive prin intermediul magistralei de date este însoțită de adresa transmis prin magistrala de adrese. Aceasta poate fi adresa unei celule de memorie sau adresa dispozitiv periferic. Este necesar ca lățimea magistralei să permită transmiterea adresei celulei de memorie. Astfel, în cuvinte, lățimea magistralei limitează cantitatea de RAM al computerului, aceasta nu poate fi mai mare decât , unde n este lățimea magistralei. Este important ca performanța tuturor dispozitivelor conectate la magistrală să fie consecventă. Nu este înțelept să aveți un procesor rapid și o memorie lentă, sau un procesor și memorie rapide, ci un hard disk lent.

Orez. 2. Diagrama unui computer construit pe principiul coloana vertebrală

În calculatoarele moderne este implementat principiul arhitecturii deschise, permițând utilizatorului să monteze configurația computerului de care are nevoie și, dacă este necesar, să o facă upgrade.

Configurare Un computer se referă la colecția reală de componente ale computerului care alcătuiesc un computer. Principiul arhitecturii deschise vă permite să schimbați compoziția dispozitivelor computerizate. Dispozitivele periferice suplimentare pot fi conectate la autostrada informațională, iar unele modele de dispozitive pot fi înlocuite cu altele.

Conectarea hardware a unui dispozitiv periferic la coloana vertebrală activată nivel fizic realizat printr-un bloc special - controlor(alte denumiri - adaptor, placă, card). Pentru a instala controlere pe placa de baza există conectori speciali - sloturi.

Controlul software al funcționării unui dispozitiv periferic se realizează prin programul - şofer, care este o componentă sistem de operare. Deoarece există o mare varietate de dispozitive care pot fi instalate pe un computer, fiecare dispozitiv vine de obicei cu un driver care interacționează direct cu acest dispozitiv.

Computerul comunică cu dispozitivele externe prin porturi– conectori speciali pe panoul din spate al computerului. Distinge secvenţialŞi paralel porturi. Seriale (COM – porturi) sunt folosite pentru a conecta manipulatoare, un modem și pentru a transmite cantități mici de informații pe distanțe lungi. Paralele (LPT - porturi) sunt folosite pentru a conecta imprimante, scanere și pentru a transmite cantități mari de informații către distante scurte. Recent, s-au răspândit pe scară largă porturile seriale universale (USB), la care puteți conecta diverse dispozitive.

În 1946, trei oameni de știință - Arthur Burks, Herman Goldstein și John von Neumann - au publicat articolul „A Preliminary Consideration of the Logical Design of an Electronic Computing Device”. Articolul a fundamentat utilizarea sistemului binar pentru a reprezenta datele într-un computer (în principal pentru implementare tehnică, ușurință în efectuarea operațiilor aritmetice și logice - înainte de aceasta, mașinile stocau date în formă zecimală) și a prezentat ideea de folosind memoria partajată pentru program și date. Numele lui von Neumann era destul de cunoscut în știință la acea vreme, ceea ce ia relegat pe coautorii săi pe fundal, iar aceste idei au fost numite „principiile lui von Neumann”.

Principiul codificării binare

Conform acestui principiu, toate informațiile care intră într-un computer sunt codificate folosind semnale binare (cifre binare, biți) și sunt împărțite în unități numite cuvinte.

Principiul omogenității memoriei

Programele și datele sunt stocate în aceeași memorie. Prin urmare, computerul nu distinge ceea ce este stocat într-o anumită celulă de memorie - un număr, text sau comandă. Puteți efectua aceleași acțiuni asupra comenzilor ca și asupra datelor.

Principiul adresei memoriei

Din punct de vedere structural, memoria principală este formată din celule numerotate; Orice celulă este disponibilă procesorului în orice moment. Aceasta implică capacitatea de a denumi zonele de memorie, astfel încât valorile stocate în ele să poată fi accesate sau modificate ulterior în timpul execuției programului folosind numele atribuite.

Principiul controlului programului secvenţial

Se presupune că un program constă dintr-un set de comenzi care sunt executate de procesor automat una după alta într-o anumită secvență.

Principiul rigidității arhitecturale

Imutabilitatea topologiei, arhitecturii și listei de comenzi în timpul funcționării.

Calculatoarele construite pe aceste principii sunt clasificate ca computere von Neumann.

Calculatorul trebuie să aibă:

• unitate aritmetică logică, efectuând operații aritmetice și logice. În zilele noastre acest dispozitiv se numește CPU. CPU(unitate centrală de procesare) - un microprocesor de computer, care este un microcircuit care controlează toate procesele care au loc în computer;
• dispozitiv de control, care organizează procesul de execuție a programului. În calculatoarele moderne, unitatea aritmetic-logică și unitatea de control sunt combinate într-un procesor central;
• memorie(memorie) pentru stocarea programelor și datelor;
• dispozitive externe de intrare/ieșire a informațiilor.

Memoria computerului reprezintă un număr de celule numerotate, fiecare dintre acestea putând conține fie date procesate, fie instrucțiuni de program. Toate celulele de memorie trebuie să fie la fel de ușor accesibile altor dispozitive computerizate.

Principiul de funcționare:

• Folosind un dispozitiv extern, un program este introdus în memoria computerului.
• Dispozitivul de control citește conținutul celulei de memorie în care se află prima instrucțiune (comandă) a programului și organizează execuția acestuia. Comanda poate specifica:
  • efectuarea de operații logice sau aritmetice;
  • citirea datelor din memorie pentru a efectua operații aritmetice sau logice;
  • înregistrarea rezultatelor în memorie;
  • introducerea datelor de la un dispozitiv extern în memorie;
  • ieșirea datelor din memorie către un dispozitiv extern.
• Dispozitivul de control începe să execute comanda din celula de memorie care se află imediat după comanda tocmai executată. Cu toate acestea, această ordine poate fi modificată folosind instrucțiunile de transfer de control (sărire). Aceste comenzi indică dispozitivului de control că trebuie să continue executarea programului, începând cu comanda conținută într-o celulă de memorie diferită.
• Rezultatele execuției programului sunt transmise pe un dispozitiv extern de pe computer.
• Computerul intră în modul de așteptare a unui semnal de la un dispozitiv extern.

Unul dintre principii Arhitectura Von Neumann" citeste: computerul nu va trebui să schimbe conexiunile cablurilor dacă toate instrucțiunile sunt stocate în memoria sa. Și de îndată ce această idee a fost pusă în practică în cadrul „arhitecturii von Neumann”, calculator modern.

Ca orice tehnologie, computerele au evoluat spre creșterea funcționalității, utilității și frumuseții. În general, există o afirmație care se pretinde a fi o lege: un dispozitiv perfect nu poate fi urât la aspect și, dimpotrivă, tehnologia frumoasă nu este niciodată rea. Computerul devine nu numai util, ci și un dispozitiv decorativ pentru cameră. Aspect a unui computer modern, desigur, se corelează cu schema lui von Neumann, dar în același timp diferă de aceasta.

Datorită IBM, ideile lui von Neumann au fost implementate sub forma principiului arhitecturii deschise a unităților sistemelor informatice, răspândit în epoca noastră. Conform acestui principiu, un computer nu este un singur dispozitiv dintr-o singură bucată, ci este format din piese fabricate independent, iar metodele de asociere a dispozitivelor cu un computer nu sunt un secret al producătorului, ci sunt disponibile pentru toată lumea. Astfel, unitățile de sistem pot fi asamblate după principiul unui set de construcție pentru copii, adică puteți schimba piese cu altele, mai puternice și mai moderne, upgradându-vă computerul (upgrade, upgrade - „ridicați nivelul”). Piesele noi sunt complet interschimbabile cu cele vechi. De asemenea, magistrala de sistem face computerele personale „deschis arhitecturale” acesta este un fel de drum sau nucleu virtual comun, sau canal în care merg toate ieșirile de la toate nodurile și părțile unității de sistem. Trebuie spus că calculatoarele mari (nu cele personale) nu au proprietatea de deschidere nu pot înlocui pur și simplu ceva cu altul, mai avansat de exemplu, în cele mai moderne calculatoare poate să nu existe nici fire de legătură între elemente; sistem informatic: mouse, tastatură („tastatură”) și unitate de sistem. Ele pot comunica între ele folosind radiații infraroșii, pentru aceasta, unitatea de sistem are o fereastră specială pentru recepția semnalelor infraroșii (similar cu o telecomandă telecomanda TELEVIZOR).

Momentan normal computer personal este un complex format din:

• de bază placa electronica(sistem, mamă) pe care sunt amplasate acele blocuri care procesează informații de calcul;
• circuite care controlează alte dispozitive computerizate, introduse în conectori standard pe placa de sistem – sloturi;
• Discuri de stocare a informațiilor;
• o unitate de alimentare de la care este alimentată toate circuitele electronice;
• corp ( unitate de sistem), în care totul dispozitive interne calculatoarele sunt instalate pe un cadru comun;
• tastaturi;
• monitor;
• alte dispozitive externe.

  Calculatoare construite pe principiile von Neumann

  La mijlocul anilor 1940, la Moore School of Electrical Engineering a fost dezvoltat un design pentru un computer care își stoca programele într-o memorie partajată. Școala de Inginerie Electrică Moore ) la Universitatea de Stat din Pennsylvania. Abordarea descrisă în acest document a devenit cunoscută sub numele de arhitectură von Neumann, după singurul autor numit al proiectului, John von Neumann, deși de fapt paternitatea proiectului a fost colectivă. Arhitectura lui Von Neumann a rezolvat problemele inerente calculatorului ENIAC, care era creat la acea vreme, prin stocarea programului computerului în propria memorie. Informațiile despre proiect au devenit disponibile altor cercetători la scurt timp după

Bazele doctrinei arhitecturii computerelor au fost puse de remarcabilul matematician american John von Neumann. S-a implicat în crearea primului computer cu tub din lume, ENIAC, în 1944, când designul acestuia fusese deja selectat. În timpul muncii sale, în timpul numeroaselor discuții cu colegii săi G. Goldstein și A. Berks, von Neumann a exprimat ideea unui computer fundamental nou. În 1946, oamenii de știință și-au subliniat principiile pentru construirea computerelor în articolul acum clasic „Considerarea preliminară a designului logic al unui dispozitiv de calcul electronic”. De atunci a trecut o jumătate de secol, dar prevederile prezentate în acesta rămân actuale și astăzi.

Articolul fundamentează în mod convingător utilizarea sistemului binar pentru a reprezenta numere (merită să reamintim că anterior toate computerele stocau numerele procesate în formă zecimală). Autorii au demonstrat în mod convingător avantajele sistemului binar pentru implementarea tehnică, comoditatea și ușurința de a efectua operații aritmetice și logice în acesta. Ulterior, computerele au început să prelucreze tipuri nenumerice de informații - text, grafică, sunet și altele, dar codarea binară a datelor este încă baza de informatii orice calculator modern.

O altă idee cu adevărat revoluționară, a cărei importanță este greu de supraestimat, este principiul „programului stocat” propus de Neumann. Inițial, programul a fost setat prin instalarea de jumperi pe un panou de corecție special. Aceasta a fost o sarcină foarte intensă de muncă: de exemplu, a fost nevoie de câteva zile pentru a schimba programul mașinii ENIAC (în timp ce calculul în sine nu putea dura mai mult de câteva minute - lămpile au eșuat). Neumann a fost primul care a realizat că un program poate fi stocat și ca o serie de zerouri și unu, în aceeași memorie cu numerele procesate. Absența unei diferențe fundamentale între program și date a făcut posibil ca computerul să formeze un program pentru el însuși în conformitate cu rezultatele calculelor.

Von Neumann nu numai că a prezentat principiile fundamentale ale structurii logice a unui computer, dar a propus și structura acestuia, care a fost reprodusă în timpul primelor două generații de calculatoare. Blocurile principale conform lui Neumann sunt o unitate de control (CU) și o unitate aritmetic-logică (ALU) (de obicei combinată într-un procesor central), memorie, memorie externă, dispozitive de intrare și ieșire. Trebuie remarcat faptul că memoria externă diferă de dispozitivele de intrare și ieșire prin faptul că datele sunt introduse în ea în formular convenabil pentru computerul dvs, dar inaccesibile percepției umane directe. Astfel, o unitate de disc magnetică se referă la memoria externă, iar o tastatură este un dispozitiv de intrare, afișajul și imprimarea sunt dispozitive de ieșire.

Dispozitivul de control și unitatea aritmetică-logică din computerele moderne sunt combinate într-o singură unitate - procesorul, care este un convertor de informații care provin din memorie și dispozitive externe (aceasta include preluarea instrucțiunilor din memorie, codificare și decodare, efectuarea diverselor, inclusiv aritmetice). , operațiuni, coordonarea funcționării nodurilor de calculator). Funcțiile procesorului vor fi discutate mai detaliat mai jos.

Memoria (memoria) stochează informații (date) și programe. Dispozitivul de stocare din computerele moderne este „multi-tiered” și include memorie cu acces aleatoriu (RAM), care stochează informațiile cu care computerul lucrează direct la un moment dat (un program executabil, o parte din datele necesare pentru acesta, unele programe de control) și dispozitive de stocare externe (ESD) cu o capacitate mult mai mare decât RAM. dar cu acces semnificativ mai lent (și costuri semnificativ mai mici pe 1 octet de informații stocate). Clasificarea dispozitivelor de memorie nu se termină cu RAM și VRAM - anumite funcții sunt îndeplinite atât de SRAM (memorie cu acces super-aleatoriu), ROM (memorie doar pentru citire), cât și de alte subtipuri de memorie de computer.

Într-un computer construit conform schemei descrise, comenzile sunt citite secvenţial din memorie şi executate. Numărul (adresa) următoarei celule de memorie. din care va fi extrasă următoarea comandă de program este indicată de un dispozitiv special - un contor de comenzi în unitatea de control. Prezența sa este, de asemenea, una dintre trăsături caracteristice arhitectura luata in considerare.

Fundamentele arhitecturii dispozitivelor de calcul dezvoltate de von Neumann s-au dovedit a fi atât de fundamentale încât au primit numele de „arhitectură von Neumann” în literatură. Marea majoritate a calculatoarelor de astăzi sunt mașini von Neumann. Singurele excepții sunt anumite tipuri de sisteme pentru calcul paralel, în care nu există contor de program, conceptul clasic de variabilă nu este implementat și există alte diferențe fundamentale semnificative față de modelul clasic (exemplele includ calculatoarele de streaming și de reducere).

Aparent, o abatere semnificativă de la arhitectura von Neumann va avea loc ca urmare a dezvoltării ideii de mașini de generația a cincea, în care procesarea informațiilor se bazează nu pe calcule, ci pe concluzii logice.

principiile lui Von Neumann

Principiul omogenității memoriei - Comenzile și datele sunt stocate în aceeași memorie și nu se pot distinge din memorie extern. Ele pot fi recunoscute numai după metoda de utilizare; adică aceeași valoare dintr-o celulă de memorie poate fi folosită ca date, ca comandă și ca adresă, în funcție doar de modul în care este accesată. Acest lucru vă permite să efectuați aceleași operații asupra comenzilor ca și asupra numerelor și, în consecință, deschide o serie de posibilități. Astfel, prin schimbarea ciclică a părții de adresă a comenzii, este posibil să se acceseze elemente succesive ale matricei de date. Această tehnică se numește modificarea comenzii și nu este recomandată din punctul de vedere al programării moderne. Mai utilă este o altă consecință a principiului omogenității, când instrucțiunile dintr-un program pot fi obținute ca urmare a execuției unui alt program. Această posibilitate stă la baza traducerii - traducerea textului programului dintr-o limbă de nivel înalt în limba unui anumit computer.

Principiul adresei - Structural, memoria principală este formată din celule numerotate, iar orice celulă este disponibilă procesorului în orice moment. Codurile binare de comenzi și date sunt împărțite în unități de informații numite cuvinte și stocate în celule de memorie, iar pentru a le accesa se folosesc numerele celulelor corespunzătoare - adrese.

Principiul controlului programului - Toate calculele prevăzute de algoritmul pentru rezolvarea unei probleme trebuie prezentate sub forma unui program format dintr-o succesiune de cuvinte de control - comenzi. Fiecare comandă prescrie o operațiune dintr-un set de operații implementate de computer. Comenzile programului sunt stocate în celulele de memorie secvențiale ale computerului și sunt executate într-o secvență naturală, adică în ordinea poziției lor în program. Dacă este necesar, folosind echipe speciale, această secvență poate fi schimbată. Decizia de modificare a ordinii de execuție a comenzilor programului se ia fie pe baza unei analize a rezultatelor calculelor anterioare, fie necondiționat.

Principiul codării binare - Conform acestui principiu, toate informațiile, atât datele, cât și comenzile, sunt codificate cu cifre binare 0 și 1. Fiecare tip de informație este reprezentat printr-o secvență binară și are propriul format. O secvență de biți într-un format care are o semnificație specifică se numește câmp. În informațiile numerice, există de obicei un câmp cu semne și un câmp cu cifre semnificative. În formatul de comandă se pot distinge două câmpuri: câmpul cod de operare și câmpul adrese.