Глава 1.Изучение теоретического материала
Историческая справка
Первый вопрос, который встаёт перед нами, «А как же был создан компьютер?». Попытка создать компьютер была осуществлена английским математиком Чарльзом Беббиджом, которую он назвал Аналитическая машиной. Именно Беббидж впервые додумался до того, что компьютер должен содержать память и управляться с помощью программы. Беббидж хотел построить свой компьютер как механическое устройство, а программы собрался задавать посредством перфокарт– карт из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий (они в то время уже широко употреблялись в ткацких станках). В следствие того, что эта работа оказалась слишком сложной для техники того времени, она не была доведена до конца.
В дальнейшем, в 40-х годах ХХ века, сразу несколько групп исследователей повторили попытку Беббиджа на основе техники ХХ века – электромеханических реле. Некоторые из этих исследователей ничего не знали о работах Беббиджа и переоткрыли его идеи заново. Первым из них был немецкий инженер Конрад Цузе, который в 1941 году построил небольшой компьютер на основе нескольких электромеханических реле. Но из-за войны работа Цузе не были публикованы. А в США в 1943 году на одном из предприятий фирмы IBM американец ГовардЭйкен создал более мощный компьютер под названием «Марк-1». Он уже позволял проводить вычисления в сотни раз быстрее, чем вручную (с помощью арифмометра), и реально использовался для военных расчетов.
В виду того, что электромеханические реле работали весьма медленно и недостаточно надёжно, начиная с 1943 года в США, группа специалистов под руководством Джона Мочли и ПреспераЭкерта начала конструировать компьютер ENIAC(Рисунок 1) на основе электромагнитных ламп. Созданный ими компьютер работал в тысячу раз быстрее, чем Марк-1. Однако обнаружилось, что большую часть времени этот компьютер простаивал – ведь для задания метода расчётов (программы) в этом компьютере приходилось в течение нескольких часов или даже нескольких дней присоединять нужным образом провода. А сам расчёт после этого мог занять всего лишь несколько минут или даже секунд.
Рисунок 1. Компьютер ENIAC
Для того, чтобы упростить и убыстрить процесс задания программ, Мочли и Экерт стали конструировать новый компьютер, который мог хранить программу в своей памяти. В 1945 году, к работе был привлечён знаменитый математик Джон фон Нейман, который подготовил доклад об этом компьютере. Доклад был разослан многим учёным и получил широкую известность, поскольку в нём фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования компьютеров, т.е. универсальных вычислительных устройств. Исходя из вышесказанного, можно сделать заключение, что до сих пор в основу построения подавляющего большинства компьютеров положены общие принципы, сформулированные в 1945 году Джоном фон Нейманом.
1.2 Принципы фон Неймана
Изложенные в отчёте принципы сводились к следующему:
1. Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов (двоичных цифр, битов) и разделяется на единицы, называемые словами.
2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.Следовательно,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.
3. Принцип адресуемости памяти. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к хранящимся в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.
4. Принцип последовательного программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти.
Если 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.
5. Принцип жёсткости архитектуры. Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.
Прежде всего, компьютер, согласно принципам фон Неймана, должен иметь следующие устройства (Рисунок 2.):
1. Арифметическо-логическое устройство, выполняющее логические и арифметические операции;
2. Устройство управления, которое организует процесс выполнения программ;
3. Запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных;
4. Внешние устройства для ввода-вывода информации.
Рисунок 2. Устройства компьютера