Джон Фон- Нейман

     "Поскольку  наше устройство должно быть  вычислительной машиной, в нем должен иметься арифметический орган" — "устройство, способное складывать, вычитать, умножать, делить. Мы увидим также, что оно может выполнять и другие операции, которые встречаются довольно часто". "Наконец, должен существовать орган ввода и вывода, с помощью которого осуществляется связь между оператором и машиной".

     Таким образом, первые ЭВМ проектировались  из самых необходимых узлов, существование  которых является наиболее естественным и необходимым. Однако наиболее замечательным является то, что современные компьютеры сохранили такую же самую структуру. Давайте сравним приведенное выше описание со строением современных компьютеров. Итак, компьютеры, которыми мы сейчас пользуемся, состоят из следующих функциональных частей:

• устройство, в котором производятся все операции по 
  обработке всех видов информации; по современной терминологии оно называется арифметико-логическим устройством (АЛУ);
• устройство, обеспечивающее организацию выполнения 
  программы обработки информации и согласованное взаимодействие всех узлов машины в ходе этого процесса, — устройство управления (УУ); АЛУ и УУ в настоящее время удается выполнить в виде единой интегральной схемы, которая называется микропроцессором;
• устройство, предназначенное для хранения исходных 
  данных, промежуточных величин и результатов обработки информации, а также, что очень важно, самой программы обработки информации; данное устройство принято называть памятью; существуют различные виды памяти, 
  в том числе оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 
  и внешняя память на магнитных или оптических дисках;
• разнообразные устройства, способные преобразовывать информацию в форму, доступную компьютеру, — устройства ввода;
• и, наконец, устройства, преобразующие результаты работы в доступную человеку форму, — устройства вывода.

     Мы  видим, что, несмотря на активные поиски в области создания все новых и новых вычислительных машин, большинство компьютеров по-прежнему построено согласно классическим идеям, предложенным в середине XX века.

     Для дальнейшего сопоставления полезно  рассмотреть функциональную схему предложенной фон Нейманом ЭВМ. К сожалению, в явном виде она в статье не нарисована, хотя все сведения для ее построения в тексте имеются. На рис. 1 приведена такая схема:

     Рис.1

     Память  машины предполагалась состоящей из 4096 слов (ячеек), каждое из которых содержало по 40 бит. Для обозначения массива ячеек в оригинальной работе использован весьма специфический термин "селектрон" (selectron) — от англ. select, т.е. выбирать. Адреса ячеек представляли собой целые числа от 0 до 4095 = 2'² - 1, и для их записи, как вы уже поняли из показателя степени, требуется 12 бит.

     В предлагаемой конструкции система  команд была одноадресной, так что в одну стандартную 40-разрядную ячейку вполне помещались две 20-битные команды. Каждая из них содержала 12-битный адрес информации и 6-битный код операции (потенциально возможно до 2⁶ - 64 различных операций; реально требовалось значительно меньше ). Оставшиеся 2 бита просто не использовались.

     Внутри  арифметико-логического устройства находился специальный 40-разрядный регистр — аккумулятор, предназначенный для осуществления арифметических действий. Через этот же регистр производился обмен с внешними устройствами, что имело четкое обоснование: "поскольку уже существует канал передачи чисел между селектронами и аккумулятором, то аккумулятор может быть использован для передачи чисел с проволоки и на проволоку" (магнитная проволока — это носитель внешней памяти, прообраз будущих накопителей на магнитной ленте). Интересно, что Нейман отвергал арифметику с плавающей запятой, считая ее техническую реализацию слишком сложной, и еще потому, "что любой сведущий математик был способен держать плавающую запятую в голове»

     Мы  видим, что наиболее существенной особенностью данной реализации ЭВМ является центральное положение процессора (АЛУ + УУ) в схеме. Во-первых, через него проходят все информационные потоки, а во-вторых, он управляет согласованной работой всех устройств машины.

     Некоторые подробности функционирования архитектуры, приведенной нa puc. 3.1, будут рассмотрены позднее.

     Развитие

     Что же изменилось за полвека? Прежде всего, обычно бросается в глаза совершенствование производственных технологий и как следствие — резкое уменьшение размеров и повышение быстродействия вычислительной техники. Но не менее важно и еще одно изменение, которое мы сейчас рассмотрим подробнее. Это совершенствование структуры ЭВМ и изменение принципов взаимодействия ее основных узлов. Начало названных изменений относится к третьему поколению ЭВМ.

     Как известно, появление третьего поколения  ЭВМ было обусловлено переходом от транзисторов к интегральным микросхемам. Значительные успехи в миниатюризации электронных схем не просто способствовали уменьшению размеров базовых функциональных узлов ЭВМ, но и создали предпосылки для заметного роста быстродействия процессора. Возникло существенное противоречие между высокой скоростью обработки информации внутри машины и медленной работой устройств ввода-вывода, в большинстве своем содержащих механически движущиеся части. Если бы процессор руководил работой внешних устройств по классической схеме (как описано выше), то значительную часть времени он был бы вынужден простаивать в ожидании информации "из внешнего мира", что существенно снижало бы эффективность работы всей ЭВМ в целом. Для решения этой проблемы возникла тенденция к освобождению центрального процессора от функций обмена информацией и к передаче их специальным электронным схемам управления работой внешних устройств.

     На  рис. 2 приведена функциональная схема одной из младших моделей серии "Ряд-2" [5]. По своей архитектуре и набору команд ЭВМ этой серии "были близки" к серии IBM/370 (серия "Ряд-1" — к 1ВМ/360). Центральными устройствами ЕС ЭВМ являются процессор и оперативная память. Они соединяются с остальными (периферийными) устройствами с помощью специальных каналов — мультиплексного для медленных устройств (типа перфокарточных или алфавитно-цифрового печатающего устройства АЦПУ) и нескольких селекторных, обслуживающих магнитные диски и ленты. "Мультиплексный и селекторный каналы представляли собой небольшие вычислительные машины, управляющие выполнением процедур ввода-вывода параллельно с работой центрального процессора" . Благодаря принципиально новой архитектуре данные теперь способны поступать в память без участия центрального процессора. Наличие автономно работающих интеллектуальных каналов ввода-вывода стало важной отличительной чертой машин третьего и в дальнейшем четвертого поколений.

     Рис.2. Название  

     Еще одной чертой, характерной для  внутренней структуры ЭВМ четвертого поколения, является то, что для связи между отдельными функциональными узлами появилось принципиально новое устройство — общая шина (часто ее называют магистралью). Работа такой архитектуры подробно описана в широко известном (самом первом) учебнике информатики. Отметим, что магистральная архитектура, как и рассмотренная выше архитектура ЕС ЭВМ, позволяет организовать поток данных от некоторых устройств в память, минуя центральный процессор. Такой режим называется прямым доступом к памяти и осуществляется под руководством специального контроллера ПДП. Важно подчеркнуть, что ПДП не является единственным способом ввода информации и даже возможен не для всех устройств (например, по своей сути он не может быть реализован для клавиатуры).

     Таким образом, хотя состав функциональных узлов, предложенный в "Предварительном рассмотрении..,", до сих пор сохранился, их связи и взаимодействие были существенным образом усовершенствованы. 

     2.1.Принцип двоичного кодирования 

     В повседневной жизни для записи чисел  мы пользуемся набором из 10 цифр, и поэтому подобный способ записи чисел принято по-научному называть десятичной системой счисления. Наверняка вам известно, что такое количество цифр во многом случайно и обязано своим происхождением первому счетному инструменту древних людей — пальцам рук, которых по прихоти природы было именно десять. С тех пор прошло много лет, математика существенно продвинулась в своем развитии, и пользоваться пальцами для счета, не рискуя поймать на себе удивленные взгляды окружающих, уже никто не будет. А к десятичной системе все настолько привыкли, что интуитивно считают ее наиболее удобной, хотя это, разумеется, совсем не так.

         При создании механических счетных устройств использовались зубчатые колеса с десятью нарисованными цифрами, так что проблем с представлением чисел не возникало. Они начались при переходе к электронным вычислительным машинам. Дело в том, что создать электронное устройство с десятью состояниями гораздо сложнее, чем изготовить колесико с произвольным количеством зубчиков. И тем не менее первые ЭВМ для удобства человека все же были десятичными. В частности, ENIAC тоже "не использовал двоичную систему, упрощая работу операторов, читающих результаты сразу же, без преобразования из двоичных кодов".

     Классика

     В свете приведенных сведений, обоснование  преимуществ двоичной системы было во времена Д. фон Неймана далеко не тривиальным решением. В качестве главного аргумента в пользу двоичной системы названо техническое удобство создания устройств с двумя состояниями для запоминания цифр числа: гораздо легче определить наличие или отсутствие какой-либо электрической величины, чем надежно измерить одно из десяти ее возможных значений.

     "Элементарная  ячейка нашей памяти естественно  подходит для двоичной системы, так как мы не собираемся измерять уровни зарядов в отдельной точке селектрона, а довольствуемся различием двух состояний. Триггер тоже является чисто двоичным устройством. На магнитной проволоке или ленте и в акустических линиях задержки мы также ограничиваемся распознаванием наличия или отсутствия импульса или (при использовании несущей частоты) пачки импульсов или знака импульса".

     Еще раз внимательнее рассмотрим ситуацию с наглядностью представления чисел. Мы уже говорили, что двоичные числа, получаемые из нулей и единиц, оказываются очень длинными. В шестнадцатеричной системе эти же числа существенно (точнее говоря, в 4 раза) короче, зато необходимо уже 16 различных цифр. Очевидно, что чем короче представление числа, тем больше при этом должно использоваться различных цифр. Легко догадаться, что даже суперкороткое число в 60-ричной системе будет читаться с трудом, поскольку необходимо будет постоянно помнить значения и написание 60 различных цифр.

     Итак, при небольшом числе цифр в  системе счисления числа получаются слишком длинными, а если взять много цифр, то, несмотря на короткие результирующие числа, воспринимать их будет неудобно из-за чрезмерного разнообразия цифр. Очевидно, что должна существовать ''золотая середина". Интересно, где она?

     Сформулированная  проблема называется в математике экономичностью систем счисления. Под экономичностью системы счисления понимается "то количество чисел, которое можно записать в данной системе с помощью определенного числа цифр". Следуя предложенной  методике, возьмем небольшое фиксированное число цифр — 12 и посмотрим, сколько чисел удастся записать с их помощью в различных системах счисления. В двоичной системе, где есть только 2 различные цифры: 0 и 1, из 12 цифр получится 6 разрядов, что позволит представить 2⁶ = 64 неповторяющихся числа. В троичной системе 12 цифр придется разбить на 4 разряда, но количество чисел будет больше: З⁴ = 81. Результаты для некоторых систем счисления представлены в таблице 1.

     Таб

     Назва