Принципы построения ЭВМ. Поколения ЭВМ.

    На протяжении XIXв. было создано много конструкций счетных машин, повысилась точность и надежность их работы, удобство общения. Возникли идеи фиксации результатов счета путем выдачи их на печать, появилась клавиатура, кнопки гашения результатов и т.п. 

    Анализ сильных и слабых сторон первых ЦВМ позволил коллективу исследователей, в состав которого входил выдающийся математик Джон фон-Нейман, сформулировать основные принципы построения и функционирования ЭВМ (1945г.).

    Поскольку впервые публично официально эти идеи озвучил лично фон-Нейман, ЦВМ, созданные на основе этих принципов, часто называют машинами фон-Неймана (рис. 1). 

Рис.1. Схема компьютера фон-Неймана.

    Принцип работы такой машины показан на рисунке 2.

Рис. 2. Принцип работы (а) выборка команды;  б) выполнение команды).

    Перечень основных принципов фон-Неймана включает: 

1. Необходимость использования двоичной системы счисления для представления информации в ЦВМ. 

2. Наличие единого запоминающего устройства ("склада") с последовательно нумеруемыми ячейками. 

3. Отсутствие явного различия между командами и данными (принцип "хранимой программы"). 

4. Строго последовательное выполнение команд (операций) программы. 

5. Назначение данных (их смысл, семантика) не является их составной частью, а определяется только логикой программы, их обрабатывающей.

    Перечисленные принципы являются основными и далеко не исчерпывают всех предложений фон-Неймана. 

    Разработка ЦВМ на основе элементов с двумя устойчивыми состояниями дала возможность широкого применения для построения электронных схем аппарата двоичной (бинарной) логики, разработанной в середине Х1Хв. английским математиком Джорджем Булем. Алгебра логики нашла свое применение и в области программирования (например, разработка алгоритмов). Принцип "хранимой программы" позволяет оперировать с закодированной в двоичном виде программой как с числами, что дает возможность ее модифицировать во время выполнения. Все эти концепции и совершенствование технологии привели к созданию в конце 40-х - начале 50-х годов XX в. первого поколения серийных электронно-вычислительных машин (ЭВМ).

    Один из способов классификации ЭВМ по степени их развития. Каждое “поколение ЭВМ” отличается от других архитектурой, элементной базой, степенью развитости программных средств, производительностью и другими показателями. В настоящее время различают пять поколений ЭВМ:

• ЭВМ первого поколения [first-generation computer ] - использовали ламповую элементную базу, обладали малым быстродействием и объемом памяти, имели неразвитые операционные системы, программирование выполнялось на языках программирования низкого уровня (конец 40-х и 50-е гг.).
• ЭВМ второго поколения [second-generation computer ] - использовали полупроводниковую элементную базу, изменяемый состав внешних устройств, языки программирования высокого уровня и принцип библиотечных программ (конец 50-х, 60-е и начало 70-х гг.).
• ЭВМ третьего поколения [third-generation computer ] - использовали в качестве элементной базы интегральные схемы (ИС), имели развитую конфигурацию внешних устройств и стандартизированные средства сопряжения, обладали большим быстродействием и объемами основной и внешней памяти. Развитая операционная система обеспечивала работу в т.н. “мультипрограммном” (т.е. с использованием многих программ) режиме (70-е, начало 80-х гг.).
• ЭВМ четвертого поколения [fourth-generation computer ] - используют большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС), виртуальную память, многопроцессорный с параллельным выполнением операций принцип построения, развитые средства диалога (середина 80-х гг. по настоящее время).
• ЭВМ пятого поколения [fifth-generation computer ]- характеризуются наряду с использованием более мощных СБИС применением принципа “управления потоками данных” (в отличие от принципа Джона фон Неймана “управления потоками команд”), новыми решениями в архитектуре вычислительной системы и использованием принципов искусственного интеллекта. С ЭВМ пятого поколения связывают наряду с другими особенностями возможность ввода данных и команд голосом. Начало разработки ЭВМ этого поколения можно отнести ко второй половине 80-х гг., внедрения первых образцов - к первой половине 90-х гг.