Прямой доступ к памяти по адресу (организация вычислений сразу по всем разрядам данного).
Cтруктура ЭВМ, предложенная Джоном фон Нейманом.
С этого момента начинается развитие и совершенствование ЭВМ. Ее структура уточняется и становится основой любой ЭВМ, независимо от дизайна и архитектуры. Устройство управления и арифметико-логическое устройство соединяются в единый блок, который называется процессор. Большой вклад в развитие отечественных ЭВМ и программных средств для ЭВМ внесли: русский математик и механик П. Л. Чебышев, советские ученые - академик С. А. Лебедев, академик В. М. Глушков, А. А. Ляпунов, М. Р. Шура-Бура, А. П. Ершов и многие другие.
В 1946 году в США, в университете города Пенсильвания, была создана первая универсальная ЭВМ - ENIAC. ЭВМ ENIAC содержала 18 тыс. ламп, весила 30 тонн, занимала площадь 200 м и потребляла огромную мощность. Программирование осуществлялось путем коммутации разъемов и установки переключателей. Такое «программирование» влекло за собой появление множество проблем, вызванных неверной установкой переключателей. С проектом ENIAC связано имя еще одной ключевой фигуры в истории вычислительной техники – математика Джона фон Неймана. Именно он впервые предложил записывать программу и ее данные в память машины так, чтобы их можно было при необходимости модифицировать в процессе работы. Этот ключевой принцип, получивший название принципа хранимой программы, был использован в дальнейшем при создании принципиально новой ЭВМ EDVAC (1951 год). В этой машине уже применяется двоичная арифметика и используется оперативная память.
По этапам создания и используемой элементной базе ЭВМ можно условно разделить на следующие поколения:
1-е поколение (1945-1954 гг.) – время становления машин с фон-неймановской архитектурой. В этот период формируется типовой набор структурных элементов, входящих в состав ЭВМ. Это – центральный процессор (ЦП), оперативная память (или оперативное запоминающее устройство- ОЗУ) и устройства ввода-вывода (УВВ). ЦП, в свою очередь, должен состоять из арифметико-логического устройства (АЛУ) и управляющего устройства (УУ). ЭВМ этого поколения работали на электронно-вакуумных лампах, из-за чего поглощали огромное количество энергии и были очень ненадежны. С их помощью решались в основном научные задачи. Примером советских машин этого поколения могут служить «Урал-1»-«Урал-4», серия «Минск», «Раздан». Рекордсменом ЭВМ этого поколения была ЭВМ «М-20», созданная под руководством С.А.Лебедева. Она могла выполнять почти 20 тыс. операций в секунду.
2-е поколение (1955-1964 гг.). Вместо громоздкой лампы в ЭВМ стали применяться миниатюрные транзисторы, появилась память на магнитных сердечниках. Это привело к уменьшению габаритов, повышению надежности и производительности ЭВМ. Появились языки высокого уровня (Algol, FORTRAN,COBOL) создавшие предпосылки для появления переносимого программного обеспечения, не зависящего от типа ЭВМ. Нельзя не отметить и появление такого новшества как процессоры ввода-вывода, которые позволили освободить ЦП от управления вводом-выводом и осуществлять ввод-вывод с помощью специализированного устройства одновременно с процессом вычислений. На этом этапе резко расширился круг пользователей ЭВМ и возросла номенклатура решаемых задач. Для эффективного управления ресурсами машины стали использоваться операционные системы (ОС).
3-е поколение (1965-1970 гг.). Смена поколений была вновь обусловлена обновлением элементной базы: вместо транзисторов в различных узлах ЭВМ стали использоваться интегральные микросхемы различной степени интеграции (сотни, тысячи транзисторов в одном корпусе). Это не только повысило производительность ЭВМ, но и снизило их габариты и стоимость. Появились малогабаритные машины (мини-ЭВМ). Они активно использовались для управления различными технологическими производственными процессами в системах сбора и обработки информации. Увеличение мощности ЭВМ сделало возможным одновременное выполнение нескольких программ на одной ЭВМ. Для этого нужно было научиться координировать между собой одновременно выполняемые действия, для чего были расширены функции операционной системы. В этот период растет и удельный вес разработок в области технологий программирования: активно разрабатываются теоретические основы методов программирования, компиляции, баз данных, операционных систем и т.д. Создаются пакеты прикладных программ для самых различных областей жизнедеятельности человека. Наблюдается тенденция к созданию семейств ЭВМ, т.е. машины становятся совместимы снизу вверх на программно-аппаратном уровне. Примерами таких семейств была серия IBM System 360 и наш отечественный аналог – ЕС ЭВМ.
4-е поколение (1970-1984 гг.). Очередная смена элементной базы привела к смене поколений. В 70-е годы активно ведутся работы по созданию больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС), которые позволили разместить на одном кристалле десятки тысяч элементов. Это повлекло дальнейшее существенное снижение размеров и стоимости ЭВМ. Работа с программным обеспечением стала более дружественной, что повлекло за собой рост количества пользователей. При такой степени интеграции элементов стало возможным создать функционально полную ЭВМ на одном кристалле. В ноябре 1971 года фирма Intel выпустила первый микропроцессор i4004, который содержал 2300 транзисторов и имел быстродействие 60000 операций в секунду. И если до этого в мире вычислительной техники были только три направления (суперЭВМ, большие ЭВМ (мэйнфреймы) и мини-ЭВМ), то теперь к ним прибавилось еще одно – микропроцессорное. В общем случае под процессором понимают функциональный блок ЭВМ, предназначенный для логической и арифметической обработки информации на основе принципа микропрограммного управления. По аппаратной реализации процессоры можно разделить на микропроцессоры (полностью интегрирующие все функции процессора) и процессоры с малой и средней интеграцией. Конструктивно это выражается в том, что микропроцессоры реализуют все функции процессора на одном кристалле, а процессоры других типов реализуют их путем соединения большого количества микросхем. Быстродействие машин этого поколения достигает 10-12 млн. операций в секунду.
5-е поколение можно назвать микропроцессорным. К этому времени проектировщики больших компьютеров накопили огромный теоретический и практический опыт, а программисты микропроцессоров сумели найти свою нишу на рынке. В 1976 году фирма Intel закончила разработку 16-разрядного микропроцессора i8086. В 1982 году был представлен улучшенный вариант микропроцессора i8086 – i80286. Первые компьютеры на базе этого микропроцессора появились в 1984 году. По своим вычислительным возможностям этот компьютер стал сопоставим с IBM 370. Поэтому можно считать, что на этом 4-е поколение развития ЭВМ завершилось. Большие ЭВМ представляли собой ЭВМ с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы; задача миниатюризации решается с помощью чипов (от английского слова chip-стружка, тонкий волос). Налажен промышленный выпуск чипов, которые содержат более миллиона транзисторов.
6-е и последующие поколения: оптоэлектронных ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой - с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.
Каждое следующее поколение ЭВМ имеет, по сравнению с предшествующим, существенно лучшие характеристики. Так, производительность ЭВМ и емкость всех запоминающих устройств увеличиваются, как правило, больше чем на порядок.
Главной тенденцией развития вычислительной техники в настоящее время является дальнейшее расширение сфер применения ЭВМ и, как следствие, переход от отдельных машин к их системам - вычислительным системам и комплексам разнообразных конфигураций с широким диапазоном функциональных возможностей и характеристик.
