1. Общие сведения о структурной организации, классификации, хронологии разработки и основных характеристиках вычислительных машин и систем

1.1. Теоретические и технические предпосылки разработки электронных вычислительных устройств

Предшественниками вычислительных машин были механические и электромеханические счетные устройства. Одним из первых прототипов механической счетной машины была суммирующая машина, сконструированная знаменитым французским ученым Блезом Паскалем в 1642 году. В этой машине, состоящей из движущихся дисков с прорезями, при суммировании чисел использовалась десятичная система исчисления. Известны и более ранние описания и чертежи подобных суммирующих машин. В 1673 году выдающийся немецкий математик и философ Готфрид Лейбниц усовершенствовал машину Паскаля, что позволило перемножать и делить числа. Существенным достижением стала разработка петербургским инженером Вильгодтом Однером в 1874 году так называемого механического «арифмометра», который мог производить четыре основных арифметических действия. Конструкция «арифмометров» неоднократно совершенствовалась, и эта механическая счетная машина достаточно эффективно использовалась для широкого круга практических расчетов вплоть до 70-х годов XX века.

Одной из первых технических предпосылок современных автоматически работающих вычислительных машин следует считать идею английского математика Чарльза Бэббиджа, который в 1822 году предложил проект машины для решения дифференциальных уравнений. Для повторения операций в ходе вычислений в машине Бэббиджа использовалась энергия пара, таким образом, процесс работы был автоматизирован и проходил без участия человека. В дальнейшем Бэббиджом была предложена модель так называемой «аналитической машины», которая имела много основных черт современных вычислительных машин. Эта машина включала устройство ввода информации, блок управления, запоминающее устройство и устройство вывода результатов. Аналитическая машина Бэббиджа могла выполнять набор инструкций, который был записан на «перфокартах» – прямоугольных картонных карточках с определенным набором отверстий, соответствующих выполняемой инструкции.

Практическая реализация и дальнейшее развитие идей Бэббиджа были осуществлены американским изобретателем Германом Холлеритом. В 1890 году им было сконструировано электрическое перфокарточное устройство для решения статистических задач. На перфокартах кроме инструкций хранились также данные. Вычислительная машина Холлерита была для своего времени весьма производительным устройством обработки информации. В 1896 году ее автор основал корпорацию по производству подобных электромеханических вычислительных устройств, которая после ряда преобразований превратилась в 1924 году во всемирно известную и процветающую до сих пор корпорацию по производству компьютеров IBM (International Business Machines).

Наряду с механическими и электромеханическими вычислительными машинами получило развитие направление так называемых аналоговых вычислительных машин, в которых обработка информации происходит с помощью специально подобранного физического процесса, моделирующего вычисляемую закономерность. В аналоговых вычислительных машинах обрабатываемая информация представляется в непрерывной (аналоговой) форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины: электрического тока, напряжения, угла поворота механизма и т. п. Простейшей аналоговой вычислительной машиной являются механические часы. Первыми аналоговыми машинами были устройства, в которых главными элементами являлись интегрирующие и дифференцирующие устройства, позволяющие практически мгновенно вычислять интеграл и производную заданной функции, отслеживая ее изменение во времени. На аналоговых машинах эффективно решаются математические задачи, содержащие несложные дифференциальные уравнения. Однако точность вычислений на этих машинах относительно низкая (с погрешностью до 1–2%), а повышение точности связано со значительным ростом стоимости вычислений. Кроме того, круг задач, которые может решать аналоговая машина, строго ограничен рамками тех физических процессов, которые она в состоянии моделировать. В настоящее время аналоговые машины обычно используются в узко специальных целях для управления сложными техническими объектами и при проведении научно-исследовательских работ, а по своему назначению могут быть отнесены к специализированному классу приборов вычислительной техники, и далее нами рассматриваться не будут.

Наибольшее распространение в науке, технике и экономике получили цифровые вычислительные машины с электрическим представлением дискретной (прерывной во времени) информации, которые получили наименование ЭЦВМ (электронная цифровая вычислительная машина) или просто ЭВМ без упоминания об их цифровом характере. В последнее время для обозначения ЭВМ чаще применяется укороченная аббревиатура ВМ (см. Введение), которую мы и будем использовать в дальнейшем изложении.

Основополагающей теоретической предпосылкой для создания вычислительных машин в их современном представлении стала работа английского математика Алана Тьюринга, который в 1936 году заложил основы теории алгоритмов. Публикация Тьюринга стимулировала возникновение абстрактной теории автоматов и во многом определила ее особенности. В своей работе Тьюринг описал абстрактную вычислительную машину, которая получила название машины Тьюринга. Машина Тьюринга представляет собой автоматическое устройство, способное находится в конечном числе внутренних состояний и снабженное бесконечной внешней памятью – лентой. Среди состояний выделяются два: начальное и конечное. Лента разделена на клетки. В каждую клетку может быть записана любая из букв некоторого алфавита. В каждый момент времени машина Тьюринга находится в одном из своих состояний и, рассматривая одну из клеток ленты, воспринимает записанный в ней символ. В неконечном состоянии машина Тьюринга совершает шаг, который определяется ее текущим состоянием и символом на ленте, воспринимаемым в данный момент. Перечисление всех возможных шагов машины Тьюринга называется программой данной машины. Конфигурация машины Тьюринга определяется конкретным заполнением клеток ленты символами и внутренним состоянием, в котором машина находится. Если зафиксировать какую-либо неконечную конфигурацию машины в качестве исходной, то работа машины будет заключаться в последовательном преобразовании исходной конфигурации в соответствии с программой машины до тех пор, пока не будет достигнуто конечное состояние. Хотя Тьюринг не преследовал цели изобретения вычислительной машины, описанные им абстрактные принципы определили ряд особенностей конструктивного исполнения и функционирования современных вычислительных машин. Например, бесконечная лента Тьюринга является явным аналогом оперативной памяти вычислительной машины.

В 1938 году немецкий инженер К. Цузе построил электромеханический цифровой программируемый вычислитель, названный автором Z1. В последнее время именно Z1 называют первым в мире компьютером.

В 1940 году американские инженеры Дж. Атанасов и К. Берри разработали модель полностью электронного вычислительного устройства, в математическую основу функционирования которого были заложены двоичная система исчисления Готфрида Лейбница и символическая логика английского математика XIX века Джорджа Буля (так называемая «Булева алгебра»). Атанасов и Берри применили эти концепции для электронных устройств, в качестве памяти была впервые использована модель Тьюринга.

С 1940 по 1946 год было разработано несколько конструкций работающих и используемых для различных практических целей вычислительных устройств. В основном это были специализированные аппараты, работающие главным образом на принципах электромеханического реле.

Чаще всего годом появления первой электронной вычислительной машины считается 1946 год, когда американцами Джоном Мочли и Преспером Эккертом была сконструирована цифровая машина ENIAC (Electronic Numeral Integrator and Computer – «электронный цифровой сумматор и вычислитель), работающая на электронных вакуумных лампах. Эта машина во многом была прообразом современных универсальных вычислительных машин.

Огромный вклад в теорию и практику создания ВМ на начальном этапе их развития внес выдающийся американский математик Джон фон Нейман, участвовавший в разработке ENIAC и опубликовавший в 1945 году отчет, в котором были изложены основные принципы построения ВМ, ставшие классическими. Совокупность знаменитых «принципов фон Неймана» породило классическую архитектуру ВМ. В нашей стране в 1947–1948 годах советским ученым С. А. Лебедевым независимо от фон Неймана были сформулированы более детальные и полные принципы построения электронных цифровых вычислительных машин, которые были применены при создании первых отечественных разработок ВМ (см. подраздел 1.3). Однако в силу засекреченности проводимых в СССР в то время работ, связанных с оборонной тематикой, соответствующих публикаций в открытой печати не последовало.