3.2. Устройство и работа компьютера по «принципу фон Неймана»
Фон Нейман в июне 1946 года четко сформулировал требования к структуре компьютера. Важнейшие из них:
компьютеры на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления;
программа, как и исходные данные, должна размещаться в памяти компьютера;
программа, как и числа, должна записываться в двоичном коде;
трудности физической реализации запоминающего устройства, быстродействие которого соответствует скорости работы логических схем, требуют иерархической организации памяти (то есть выделения оперативной, промежуточной и долговременной памяти);
арифметическое устройство (процессор) конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения; создание специальных устройств для выполнения других арифметических и иных операций нецелесообразно;
в компьютере используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над числами производятся одновременно по всем разрядам).
На рисунке 3.1 показано, каковы должны быть связи между устройствами компьютера согласно принципам фон Неймана (одинарные линии показывают управляющие связи, пунктир - информационные).
Рис. 3.1. Связи между устройствами
Практически все рекомендации фон Неймана впоследствии использовались в компьютерах первых трех поколений, их совокупность получила название «архитектура фон Неймана».
Возможности машин первого поколения были достаточно скромны. Их быстродействие было малым. Это объяснялось в первую очередь инерционностью вакуумных ламп и несовершенством запоминающих устройств. Объем оперативной памяти был крайне мал – в среднем несколько тысяч чисел (слов), этого не хватало даже для размещения сложных программ, не говоря уже о данных. Промежуточная память организовывалась на громоздких и тихоходных магнитных барабанах сравнительно небольшой емкости. Медленно работали и печатающие устройства, а также блоки ввода данных. Если же остановиться подробнее на устройствах ввода-вывода, то можно сказать, что с начала появления первых компьютеров выявилось противоречие между высоким быстродействием центральных устройств и низкой скоростью работы внешних устройств. Кроме того, выявилось несовершенство и неудобство этих устройств. Первым носителем данных в компьютерах, как известно, была перфокарта. Затем появились перфорационные бумажные ленты или просто перфоленты.
Компьютеры первого поколения, эти жесткие и тихоходные вычислители, были пионерами вычислительной техники. Они довольно быстро сошли со сцены, так как не нашли широкого коммерческого применения из-за ненадежности, высокой стоимости, трудности программирования.
3.3. Компьютеры 2-го поколения
Элементной базой компьютеров второго поколения стали полупроводники. Скорости переключения уже первых транзисторных элементов оказались в сотни раз выше, чем ламповых, надежность и экономичность – тоже. Впервые стала широко применяться память на ферритовых сердечниках и тонких магнитных пленках.
Первый бортовой компьютер для установки на межконтинентальной ракете – «Атлас» – был введен в эксплуатацию в США в 1955 году. В компьютере использовалось 20 тысяч транзисторов и диодов, он потреблял 4 киловатта. В 1961 году наземные компьютеры «стретч» фирмы «Бэрроуз» управляли космическими полетами ракет «Атлас».
В 1956 г. фирмой IBM были разработаны плавающие магнитные головки на воздушной подушке. Изобретение их позволило создать новый тип памяти – дисковые запоминающие устройства, значимость которых была в полной мере оценена в последующие десятилетия развития вычислительной техники.
Первые серийные универсальные компьютеры на транзисторах были выпущены в 1958 году одновременно в США, ФРГ и Японии.
Рекордсменом среди компьютеров второго поколения в СССР был компьютер БЭСМ‑6, имевший быстродействие около миллиона операций с плавающей точкой в секунду – один из самых производительных в мире. Архитектура и многие технические решения в этом компьютере были очень прогрессивными и опережающими свое время.
Специально для автоматизации инженерных расчетов в Институте кибернетики Академии наук УССР под руководством академика В.М. Глушкова были разработаны компьютеры МИР (1966 г.) и МИР-2 (1969 г.). Важной особенностью компьютера МИР-2 явилось использование телевизионного экрана для визуального контроля информации и светового пера, с помощью которого можно было корректировать данные прямо на экране.
К середине 1960-х годов бум в области транзисторного производства достиг максимума – произошло насыщение рынка. Дело в том, что сборка электронного оборудования представляла собой весьма трудоемкий и медленный процесс, который плохо поддавался механизации и автоматизации. Таким образом, созрели условия для перехода к новой технологии, которая позволила бы приспособиться к растущей сложности схем путем исключения традиционных соединений между их элементами.