Лекция 2. Технические предпосылки и практические потребности создания ЭВМ

Основными техническими предпосылками создания ЭВМ являются развитие электроники и опыт, накопленный в процессе разработки счетных и счетно-аналитических машин на перфокартах.

2.1 Механические счетные машины

Первые попытки облегчить процесс вычислений человечество предприняло уже в самом начале своей сознательной деятельности. Сначала выполнялся «счет на пальцах», затем на смену пальцам пришли палочки, косточки на проволоке (счеты), а позже более удобные для вычислений счетные механизмы, механические счетные машинки и т. д. Можно назвать десятки имен конструкторов таких механических приспособлений для облегчения счета и десятки наименований самих устройств. Счет на пальцах сыграл громадную роль не только для облегчения вычислений, но и в развитии математики.

Эта несколько видоизмененная система дошла до нас в виде «римских» цифр. На смену пальцам, и в первую очередь с целью обеспечения возможности запоминать числа, пришел счет на бирках, зарубках, палочках, узелках и др.

Широкое распространение у древних народов получил абак – счетный прибор, на котором отмечены места (колонки или строчки) для разных разрядов чисел. Косточки, жетоны, камешки, размещенные на этих местах, имеют различное числовое значение, то есть в абаке используется позиционная система счисления. Самым распространенным абаком, широко используемым и в настоящее время, являются счеты.

2.2 Электромеханические счетные машины

В конце XIX века в связи с развитием науки и техники потребность в счетных машинах настолько возросла, что ее перестали удовлетворять и арифмометры и другие типы механических счетных машин. Последним и решающим толчком к созданию более производительных машин послужили потребности по обработке переписей населения, которые стали проводиться регулярно во многих странах.

Поскольку к этому времени достаточно хорошее развитие получила теория электричества, и в частности теория слабых токов, перспективным направлением развития счетных машин стало использование в них электрических и электромеханических компонентов.

Наступила эра электромеханических машин, развитие которых пошло по двум направлениям:

1. Использование электричества как движущей силы внутри счетных машин. Это направление привело к созданию класса электрических, а затем электронных клавишных машин, информация в которые вводилась вручную с помощью клавиатуры (повысилась скорость и точность вычислений, но недостаточной оставалась степень автоматизации вычислений).
2. Использование электричества в устройствах ввода и вывода информации при использовании перфокарт (повысилась скорость ввода и вывода информации и автоматизация вычислений, поскольку на перфокарты наносилась не только числовая, но и программная информация).

2.3 Электронные вычислительные машины

Первая электронная вычислительная машина на основе электронных вакуумных ламп с нитью накаливания была создана по заказу артиллеристов в Пенсильванском университете в 1946 году – машина ENIAC (Electronic Numeral Integrator and Computer).

Основные принципы организации ЭВМ по Дж. фон Нейману:

1. Принцип двоичного кодирования. Электронные машины должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления.
2. Принцип программного управления. Машина выполняет вычисления по программе. Программа состоит из набора команд, которые исполняются автоматически друг за другом в определенной последовательности.
3. Принцип хранимой программы. В процессе решения задачи программа ее исполнения должна размещаться в запоминающем устройстве машины, обладающем высокой скоростью выборки и записи.
4. Принцип однотипности представления чисел и команд. Программа, так же как и числа, с которыми оперирует машина, записывается в двоичном коде. Таким образом, по форме представления команды и числа однотипны, а это дает возможность машине исполнять операции над командами программы.
5. Принцип иерархичности памяти. Трудности реализации единого емкого быстродействующего запоминающего устройства требуют иерархического построения памяти. Должно быть по меньшей мере два уровня иерархии: основная память и внешняя память.
6. Принцип адресности основной памяти. Основная память должна состоять из пронумерованных ячеек, каждая из которых доступна программе в любой момент времени по ее двоичному адресу или по присвоенному ей имени (имя ячейке присваивается в программе, и соответствующий этому имени адрес должен храниться в основной памяти на протяжении всего времени выполнения программы).

Структура ЭВМ, предложенная Дж. фон Нейманом, должна содержать следующие устройства: управляющее устройство, арифметическое устройство, основную (оперативную) и внешнюю память, устройство ввода программ и данных, устройство вывода результатов расчетов, пульт ручного управления.

Структура фон-неймановской ЭВМ показана на рис. 1.

В начале 50-х по заказу атомщиков в 1951 году в Киеве под руководством академика С.А.Лебедева была создана первая отечественная машина МЭСМ (малая электронная счетная машина); в 1952 году БЭСМ (большая ЭСМ, имевшая позже продолжения БЭСМ-2, БЭСМ-4, БЭСМ-6, рис. 2).