Роль Дж. фон Неймана в создании электронной вычислительной техники

Заключение
Джон фон Нейман чувствовал себя практически в любой обстановке непринужденно и легко: и на работе, и в обществе, – без каких-либо усилий переключаясь от сухой математической теории к элементам вычислительной техники. Благодаря этому многие коллеги считали его «ученым среди ученых», определенным «новым человеком», что, кстати, и означала фамилия ученого в переводе с немецкого. Теллер сказал однажды в шутку, что Нейман – один из редких математиков, которые способны снизойти до уровня физика. Сам же фон Нейман с присущим ему чувством юмора объяснял свою оперативность тем, что он родился и вырос в Будапеште: «Только человек, родившийся в Будапеште, может, войдя во вращающиеся двери после вас, выйти из них первым».
Интерес Неймана к компьютерам в определенной степени связан с его ак ...

Содержание
Введение 3
Роль Дж. фон Неймана в создании электронной вычислительной техники ….4
Заключение 23
Список литературы 25

Введение
Термин «компьютер» значит «вычислитель», то есть устройство, предназначенное для вычислений. Необходимость в автоматизации обработки массива данных, включая вычисления, возникла уже давно. Более полутора тысяч лет тому назад для вычислений использовали счетные палочки, камушки, позже появился абак.
Сегодня уже трудно представить себе жизнь без компьютеров. Но еще не так давно, до начала 1970-х гг. к электронным вычислительным машинам имел доступ довольно ограниченный круг специалистов, а их применение обычно оставалось тайной за семью печатями, практически неизвестной широкой публике. Но в 1971 г. случилось событие, которое коренным образом изменило ситуацию, превратив компьютер с фантастической скоростью в каждодневный рабочий инструмент многих миллионов людей. В этом знамена тельном году никому не известная фирма «Intel» из американского городка Санта-Клара (шт. Калифорния) выпустила первый микропроцессор. Именно этому человечество и обязано возникновением нового класса вычислительных систем под названием персональные компьютеры, которыми сегодня пользуются, по сути, все: от школьников и бухгалтеров до инженеров и ученых.
В конце XX столетия невозможно представить себе жизнь без персонального компьютера. Компьютер настолько прочно вошел в нашу жизнь, что уже стал главным помощником людей. Сегодня в мире функционирует множество компьютеров разных фирм, различных уровней сложности, предназначения и поколений.
Данный реферат посвящен неоценимому вкладу Дж. фон Неймана в становление и развитие электронной вычислительной техники.

«Архитектура фон Неймана», таким образом, была положена в основу ряда последующих моделей компьютеров. В 1952 г. Нейман разрабатывает первый компьютер, который использовал программы, записанные на гибком носителе, под названием MANIAC I [5, 18].Секретом ошеломительного успеха Неймана зачастую считают его «аксиоматический метод». Ученый рассматривал предмет, фокусируясь на его базовых свойствах (аксиомах), из которых проистекало все остальное.Утопической идеей Неймана, для разработки которой им предлагалось использование компьютерных расчетов, была идея об искусственном потеплении климата на Земле, для этого предполагалось покрыть полярные льды темной краской, чтобы снизить отражение ими солнечной энергии. Данное предложение какое-то время даже всерьез обсуждалось в ряде стран.В 1956 г. Комиссия по атомной энергии награждает Неймана премией Ферми за значительный вклад в компьютерную теорию и практику [4, 77].Ряд идей Неймана до сих пор не получил надлежащего развития, к примеру, идея о взаимосвязи способности системы к самовоспроизведению и уровня сложности, о существовании определенного критического уровня сложности, ниже которого происходит вырождение всей системы, а выше обретается способность к репродукции. В 1949 г. в свет выходит работа «О кольцах операторов. Теория разложения».Дж. Нейман удостоился высших академических почестей: был избран членом Академии точных наук (в Лима, Перу), членом Академии деи Линчеи (в Риме, Италия), Американского философского общества, Американской академии искусств и наук, Нидерландской королевской академии наук и искусств, Ломбардского института наук и литературы, Национальной академии США, почетным доктором ряда университетов США и прочих стран.Именно Нейман заложил основы учения об архитектуре ЭВМ заложил. Как отмечалось, в 1944 г.он включился в процесс создания первой в мире ламповой ЭВМ ENIAC. Нейман подготовил о данной машине доклад. В докладе математик просто и ясно сформулировал общие принципы работы универсальных вычислительных устройств, то есть компьютеров. Первая действующая машина, которая была построена на вакуумных лампах, была официально введена в эксплуатацию 15 февраля 1946 г. Машину пытались использовать в целях решения ряда задач, которые были подготовлены фон Нейманом и связаны с проектом атомной бомбы. Позже ее перевезли на Абердинский полигон, где она проработала до 1955 г. [3, 19].ENIAC выступил пионером первого поколения компьютеров. Конечно, каждая классификация весьма условна, но все-таки большинство экспертов сходятся с тем, что различение поколений следует основывать на той элементной базе, которая лежит в основе построения машин. Итак, первое поколение было представлено ламповыми машинами. Следует отметить значительную роль американского математика Неймана в формировании техники первого поколения. Следовало осмыслить слабые и сильные стороны ENIAC и дать свои рекомендации для следующих разработок. В отчете Неймана и его коллег А. Беркса и Г. Голдстайна (датированных июнем 1946 г.) были сформулированы четкие требования к структуре компьютеров.Важнейшими из них являются следующие:· машина, основанная на электронных элементах, работает не в десятичной, но в двоичной системе счисления;· программы, как и исходные для них данные, должны размещаться в памяти машин;· программы, как числа, должны записываться также в двоичном коде;· трудность физической реализации запоминающего устройства, чье быстродействие соответствует скорости работы логических схем, требует такой иерархической организации памяти, которая предполагает выделение оперативной, промежуточной и долговременной видов памяти;· процессор, как арифметическое устройство, создается на основе схем, которые выполняют операции сложения; создание же специальных устройств с целью выполнения иных арифметических и прочих операций не представляется целесообразным;· машина использует параллельный принцип организации всего вычислительного процесса (то есть операции над числами осуществляются одновременно по всем разрядам) [5, 86-87].К концу 1945 г. ENIAC был собран и готов к первому официальному испытанию, но война, для которой он создавался, уже окончилась. Впрочем, сама задача, которую выбрали для проверки машины, - проведение расчетов, нацеленных на ответ на вопрос о самой возможности создания водородной бомбы, - указала на то, что роль компьютера в дальнейшем, особенно в условиях «холодной войны», не снижалась, а, наоборот, увеличивалась.ENIAC с успехом выдержал ряд испытаний, обработав более миллиона перфокарт компании IBM. Через два месяца машину представили прессе. Своими размерами (примерно 6 м в высоту и 26 м в длину) данный компьютер больше чем в два раза превосходил Марк-1 Г. Эйкена. Но это двойное увеличение в размерах было сопряжено с тысячекратным увеличением в быстродействии. Выражаясь словами одного изумленного репортера, ENIAC функционировал «быстрее мысли» [2, 29].Едва Эниак вступил в эксплуатацию, Мочли и Экерт уже трудились по заказу военных над очередным компьютером. Главным несовершенством компьютера ENIAC стали трудности, которые возникали при изменении инструкций, вводившихся в него, то есть программное обеспечение. Объем внутренней памяти аппарата явно был недостаточным для хранения огромных числовых данных, использовавшихся в расчетах. На практике это означало, что программы нужно было «впаивать» в сложнейшие электронные схемы машины. Когда требовалось переходить от вычислений таблиц к расчету, например, параметров аэродинамической трубы, приходилось бегать по комнате, то подсоединяя, то отсоединяя сотни контактов, как в ручном телефонном коммутаторе. В зависимости от сложности программы такого рода работа требовала от нескольких часов до двух дней. Все это было достаточно серьезным аргументом для отказа от попыток использования ENIAC как универсального компьютера [2, 31].В создании очередной машины под названием EDVAK (электронный автоматический вычислитель с дискретными переменными) Нейман принял самое активное участие. Более вместительная внутренняя память аппарат включала не только сами данные, но и программу. Отныне алгоритмы вычислений не «зашивались» более в схемы аппаратуры, но записывались электронным способом в специально предназначенные устройства памяти. EDVAK кодировал массивы данных не в десятичной системе, а в двоичной, это позволяло существенно сократить общее количество электронных ламп. Нейман также предложил использовать как элементы памяти не линии задержки, но электронно-лучевую трубку (электростатическая запоминающая система), что было направлено на сильное повышение быстродействия. В то же время можно было обрабатывать сразу все разряды машинного слова параллельно. Физически, компьютер включал в себя следующие компоненты:- устройства чтения или записи с магнитной ленты;- контролирующие устройства с осциллографом;- устройства-диспетчеры, принимающие инструкции от контролирующих устройств и из памяти и направляющие их в иные устройства;- вычислительные устройства, выполняющие сразу одну арифметическую операцию над парой чисел и посылающие результат в память;- таймеры;- устройства памяти, состоящие из двух комплексов по 64 ртутных акустических линий задержки, в каждой из которых находилось по 8 слов;- три временных регистра, в каждом из них хранилось одно слово.Время операции сложения составляло 864 микросекунды, умножения – 2900 микросекунд (2,9 миллисекунды).Компьютер включал в себя почти 6000 электровакуумных ламп и 12000 диодов, потребляя 56 кВт энергии. Занимаемая им площадь составляла 45,5 м2, масса – 7850 кг. Для обслуживания компьютера требовалось сразу 30 человек на каждую восьмичасовую смену.При помощи EDVAK удалось осуществить важные расчеты в процессе создания водородной бомбы [5, 63].Нейман не просто выдвинул фундаментальные принципы логического устройства ЭВМ, но также предложил всю ее структуру, которая буквально воспроизводилась на протяжении первых двух поколений ЭВМ. По Нейману, основными блоками стали арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ) (обычно объединявшиеся в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода.В современных компьютерах устройства управления и арифметико-логическое объединяются в единый блок под названием процессор, который являющийся преобразует информацию, поступающую из памяти и внешних устройств (сюда включаются выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, осуществление различных, включая арифметические, операций и согласование работы узлов компьютера).Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана [2, 44]. Память (ЗУ) отвечает за хранение информации (данных) и программ. У современных компьютеров запоминающее устройство «многоярусно», включая в себя оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), которое хранит ту информацию, с которой компьютер непосредственно работает в данное время (исполняемая программа, часть необходимых для нее данных, некоторые управляющие программы), и внешние запоминающие устройства (ВЗУ) гораздо большей емкости, чем ОЗУ, но с существенно более медленным доступом. На ВЗУ и ОЗУ классификация устройств памяти, однако, не заканчивается, так как некоторые функции выполняют также СОЗУ (сверхоперативное запоминающее устройство) и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), а также другие подвиды компьютерной памяти.Внешняя память отлична от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для прямого восприятия человеком. Накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти, клавиатура – это устройство ввода, дисплей и печать – устройства вывода.В целях построения запоминающих устройств как физические элементы используются ферритовые магнитные материалы, электронные схемы, магнитные ленты и диски, оптические запоминающие элементы и т.д.В построенной по описанной схеме ЭВМ осуществляется последовательное считывание команд из памяти, а также их выполнение. Адрес (номер) очередной ячейки памяти, из которой извлекается следующая команда программы, указана специальным устройством – счетчиком команд в УУ. Наличие устройства также является одним из отличительных признаков рассматриваемой архитектуры. Архитектура первых двух поколений ЭВМ с последовательным исполнением команд в программе стала называться «фон Неймановской архитектурой ЭВМ».В 1946 г. трое ученых А. Беркс, Г. Голдстайн и Дж. фон Нейман опубликовали статью «Предварительное рассмотрение логического конструирования электронного вычислительного устройства»]. В статье обосновывалось использование двоичной системы для представления данных в ЭВМ выдвигалась идея использования общей памяти для программы и данных. Имя фон Неймана было достаточно широко известно в науке того времени, что отодвинуло на второй план его соавторов, и данные идеи получили название «принципы фон Неймана» [2, 43].Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен. Принцип программного управления. Этот принцип обеспечивает автоматизацию процессов вычислений на ЭВМ.Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. Так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды “стоп”. Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.Принцип однородности памяти. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатом вычислений.Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции – перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен. Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.В своем историческом докладе, опубликованном в 1945 г., Джон фон Нейман выделил и детально описал пять ключевых компонентов того, что ныне называют «архитектурой фон Неймана» современного компьютера. Чтобы компьютер был и эффективным, и универсальным инструментом, он должен включать следующие структуры: центральное арифметико-логическое устройство (АЛУ), центральное устройство управления, «дирижирующее» операциями, запоминающее устройство, или память, а также устройство ввода-вывода информации.