Концепция машины с хранимой в памяти программой

Эволюция средств вычислительной техники

При описании эволюции средств ВТ обычно используют один из двух подходов: хронологический или технологический. В первом случае – это хронология событий, существенно повлиявших на становление ВТ, во втором – технологический подход, когда развитие вычислительной техники рассматривается в терминах архитектурных решений и технологий.

В качестве узловых моментов, определяющих появление нового поколения ВТ, обычно выбираются революционные идеи или технологические прорывы, кардинально изменяющие дальнейшее развитие средств автоматизации вычислений. Одной из таких идей принято считать концепцию вычислительной машины с хранимой в памяти программой, сформулированную Джоном фон Нейманом. Взяв ее за точку отсчета, историю развития ВТ можно представить в виде трех этапов:

• донеймановского периода;

• эры вычислительных машин и систем с фон-неймановской архитектурой;

• постнеймановской эпохи – эпохи параллельных и распределенных вычислений, где наряду с традиционным подходом все большую роль начинают играть отличные от фон-неймановских принципы организации вычислительного процесса.

Значительно большее распространение, однако, получила привязка поколений к смене технологий. Принято говорить о «механической» эре (нулевое поколение) и последовавших за ней пяти поколениях ВС. Первые четыре поколения традиционно связывают с элементной базой вычислительных систем: электронные: лампы, полупроводниковые приборы, интегральные схемы малой степени интеграции (ИМС), большие (БИС), сверхбольшие (СБИС) и ультрабольшие (УБИС) интегральные микросхемы. Пятое поколение в общепринятой интерпретации ассоциируют не столько с новой элементной базой, сколько с интеллектуальными возможностями ВС. Работы по созданию ВС пятого поколения велись в рамках четырех достаточно независимых программ, осуществлявшихся учеными США, Японии, стран Западной Европы и стран Совета экономической взаимопомощи.

Ввиду того, что ни одна из программ не привела к ожидаемым результатам, разговоры о ВС пятого поколения понемногу утихают. Трактовка пятого поколения явно выпадает из «технологического» принципа. С другой стороны, причисление всех ВС на базе сверхбольших интегральных схем (СБИС) к четвертому поколению не отражает принципиальных изменений в архитектуре ВС, произошедших за последние годы.

Вычислительная машина – совокупность технических средств, служащих для автоматизированной обработки дискретных данных по заданному алгоритму.

Алгоритм – одно из фундаментальных понятий математики и вычислительной техники. Международная организация стандартов (ISO) формулирует понятие алгоритм как «конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством конечного количества операций» (ISO 2382/1-84).

Основными свойствами алгоритма являются: дискретность, определенность, массовость и результативность.

Дискретность – свойство алгоритма, выражающееся в том, что алгоритм описывает действия над дискретной информацией (например, числовой или символьной), причем сами эти действия также дискретны.

Определенность означает – свойство алгоритма, выражающееся в том, что в алгоритме указано все, что должно быть сделано, причем ни одно из действий не должно трактоваться двояко.

Массовость – свойство алгоритма, выражающееся в том, что алгоритм подразумевает его применимость к множеству значений исходных данных, а не только к каким-то уникальным значениям.

Результативность – свойство алгоритма, выражающееся в том, алгоритм состоит в возможности получения результата за конечное число шагов.

В основе архитектуры современных ВМ лежит представление алгоритма решения задачи в виде программы последовательных вычислений. Согласно стандарту ISO 2382/1-84, программа для ВМ – это «упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке».

Вычислительная машина, где определенным образом закодированные команды программы хранятся в памяти называется вычислительной машины с хранимой в памяти программой. Идея создания такой ВМ принадлежит создателям вычислителя ENIAC Эккерту, Мочли и фон Нейману. Относительно авторства существует несколько версий, но поскольку в законченном виде идея впервые была изложена в 1945 году в статье фон Неймана, именно его фамилия фигурирует в обозначении архитектуры подобных машин, составляющих подавляющую часть современного парка ВМ и ВС.

Сущность фон-неймановской концепции вычислительной машины можно свести к четырем принципам:

• двоичного кодирования;

• программного управления;

• однородности памяти;

• адресности.