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.