История компьютерной техники. Архитектура фон Неймана.

Если рассмотреть историю развития производительных сил и производственных отношений, можно увидеть, как менялся характер производства: от ручного труда человечество перешло к использованию примитивных орудий труда, затем к механизации труда и далее к автоматизации труда. На последнем этапе XX в мы наблюдаем новые тенденции гибкой автоматизации труда.

Аналогичную картину мы можем наблюдать и в области вычислений. С самого начала зарождения рыночных отношений людям потребовались средства для исполнения взаиморасчётов: простейшим вычислительным приспособлением стал абак. Он первоначально представлял собой глиняную пластину с желобами, в которых раскладывались камни; представляющие числа. Появление абака относят к четвертому тысячелетию до н.э. Местом появления считается Азия.

В средние века в Европе абак сменился разграфленными таблицами. Вычисления с их помощью называли счетом на линиях. Такие таблицы наносили на поверхность стола (не случайно сегодня в английском языке понятия «стол» и «таблица» обозначаются одним словом — «table»). В некоторых случаях счетные таблицы наносили не на поверхность стола, а на его скатерть. Подобными приспособлениями в первую очередь пользовались ростовщики и менялы. Возможность смены скатерти с таблицей они использовали для быстрого перехода от операций с одними денежными системами к операциям с другими системами.

В России счет на линиях не прижился. Здесь еще в средние века на основе абака было разработано другое приспособление—русские счеты. С точки зрения производительности труда, это чрезвычайно эффективное приспособление намного опередило уровень, достигнутый в средневековой Западной Европе. В отдельных случаях оно продолжает использоваться и по сей день.

Механизация вычислительных операций началась в XVII в. На первом этапе для создания механических вычислительных устройств использовались механизмы, аналогичные часовым. Первое в мире механическое устройство для выполнения операций сложения было создано в 1623 г. Его разработал Вильгельм Шиккард, профессор кафедры восточных языков в университете Тьюбингена (Германия). В наши дни рабочая модель устройства была воспроизведена по чертежам и подтвердила свою работоспособность. Сам изобретатель в письмах называл машину «суммирующими часами».

В 1642 г. французский механик Блез Паскаль (1623-1662) разработал более компактное суммирующее устройство, которое стало первым в мире механическим калькулятором, выпускавшимся серийно (главным образом для нужд парижских ростовщиков и менял, но, во-первых, изобретено для своего отца – налогового инспектора). В 1673 г. немецкий математик и философ Г.В. Лейбниц (1646-1717) создал механический калькулятор, который мог выполнять операции повторения операций сложения и вычитания. На протяжении XVIII в., известного как эпоха Просвещения, появились новые, более совершенные модели, но принцип механического управления вычислительными операциями оставался тем же.

Идея автоматизации вычислительных операций пришла из той же часовой промышленности. Старинные монастырские башенные часы были настроены так, чтобы в заданное время включать механизм, связанный с системой колоколов. Такое программирование было жестким - одна и та же операция выполнялась в одно и то же время.

Идея гибкой автоматизации механических устройств с помощью перфорированной бумажной карты впервые была реализована в 1804 г. в ткацком станке Жаккарда, после чего оставался только один шаг до гибкого управления вычислительными операциями. Для развития компьютерной техники перфокарточный способ управления имел большое значение.

В 1804 г. Жаккар революционизировал процесс изготовления шелковой ткани тончайшей фактуры, создав ткацкий станок (у нас он известен под названием «машина Жаккара»), для управления которым применялись перфокарты, соединенные друг с другом в виде ленты. Движением челнока управляли деревянные шпильки «читающего устройства» станка, которые по расположению отверстий в перфокарте определяли, какие нити следует поднять, а какие опустить для получения нужного узора.

«Один шаг до гибкого управления вычислительными операциями» был сделан выдающимся английским математиком и изобретателем Чарльзом Бэббиджем (1792-1871) в его Аналитической машине, которая, к сожалению, так и не была до конца построена изобретателем при жизни, но была воспроиз­ведена в наши дни по его чертежам, так что сегодня мы вправе говорить об Аналитической машине, как о реально существующем устройстве.

Вначале Бэббидж попытался создать так называемую Разностную машину, которая предназначалась для точного автоматического построения сложных математических таблиц. После 12 лет работы, сопровождавшейся техническими, финансовыми и политическими неурядицами, он отказался от этого проекта и приступил к работе над Аналитической машиной.. В 1989-91 гг. к двухсотлетию ученого Лондонский научный музей построил копию Разностной машины, базируясь на оригинальных чертежах Бэббиджа. В 2000 году к экспозиции добавилось спроектированное Бэббиджем печатающее устройтсво.

В 1822 г. Чарлз Бэббидж взялся за осуществление проекта, ставшего делом всей его жизни на полвека. Чарлз Бэббидж использовал идею Жаккара при разработке Аналитической машины. Новая машина была сложнее и позволяла решать самые разнообразные задачи. Бэббидж полагал, что Аналитическая машина будет производить вычисления и «запоминать» результаты с помощью набора валов и шестерней. Управление машиной предполагалось осуществлять с помощью массивных перфокарт. Команды и данные для каждой задачи здесь предполагалось вводить с помощью перфокарт. Особенностью Аналитической машины стало то, что здесь впервые был реализо­ван принцип разделения информации на команды и данные. Аналитическая машина содержала два крупных узла: «склад» и «мельницу». Данные вводились в механи­ческую память «склада» путем установки блоков шестерен, а потом обрабатыва­лись в «мельнице» с использованием команд, которые вводились с перфорирован­ных карт.

Бэббидж умер в 1871 г., оставив более 37 м² подробнейших чертежей, причем многие из них относились к Аналитической машине, ставшей предвестником современных компьютеров Осуществлению своей заветной мечты Бэббидж посвятил остаток жизни (35 лет), однако требуемая для создания Аналитической машины точность обработки намного превосходила технологические возможности того времени и поэтому она так и не была построена. Ее созданию препятствовали как объективные причины, так и субъективные. К первым следует отнести несовершенство технологии металлообработки, не позволявшей реализовать столь «прецизионный» проект. Субъективная причина крылась в характере Бэббиджа: он был максималист, пытавшийся побороть объективную реальность. В запоминающее устройство он пытался запихнуть тысячу 50-разрядных регистров (зачем ему понадобилась такая разрядность – уму непостижимо!), то есть 25 килобайт. Такая емкость памяти была в диковинку даже 60-е годы прошлого века.

Многое из того, что известно об этой машине, дошло до нас благодаря научным трудам одаренного математика-любителя Огасты Ады Байрон (графини Лавлейс), дочери поэта лорда Байрона. В 1843 г. она перевела статью об Аналитической машине, написанную одним итальянским математиком, снабдив ее собственными подробными комментариями, которые касались потенциальных возможностей машины.

Графиня Лавлейс, одна из немногих современников Бэббиджа, сумевших понять значение данного изобретения, писала, что машина будет иметь ценность, «практически непредсказуемую в ее возможных применениях».

В дальнейшем на протяжении почти столетия ничего похожего на Аналитическую машину не появилось, однако идея использования перфокарт для обработки данных была апробирована довольно скоро.

Спустя 20 лет после смерти Бэббиджа американский изобретатель Герман Холлерит создал электромеханическую счетную машину — табулятор, в которой перфокарты использовались для обработки результатов переписи населения, проводившейся в США в 1890 г. (Идея использования перфокарт пришла к Холлериту не из работы Бэббиджа, а возникла, по всей видимости, когда он наблюдал, как проводник компостирует железнодорожные билеты.) Табулятор получил столь широкое признание, что для удовлетворения растущих заказов на это изобретение Холлериту пришлось основать собственную фирму. В конце концов эта фирма превратилась в знаменитую корпорацию ИБМ (IBM, International Business Machines), которая сделала перфокарты стандартным средством программирования компьютеров.

Холлерит показал, что в сочетании перфокарты и электрические цепи могут выполнять полезную работу. Карты табулятора Холлерита были размером в долларовую бумажку. На каждой карте имелось 12 рядов, в каждом из которых можно было пробить по 20 отверстий, соответствующих таким данным, как возраст, пол, место рождения, количество детей, семейное положение и прочие сведения, включенные в вопросник переписи американского населения. Агенты, проводившие перепись, записывали ответы опрашиваемых в специальные формуляры. Заполненные формуляры отсылались в Вашингтон, где содержащуюся в них информацию переносили на карты путем соответствующего перфорирования. Затем перфокарты загружали в специальные устройства, соединенные с табуляционной машиной, где они нанизывались на ряды тонких игл, по одной игле на каждую из 240 перфорируемых позиций на карте. Когда игла попадала в отверстие, она проходила его, замыкая контакт в соответствующей электрической цепи машины; это в свою очередь приводило к тому, что счетчик, состоящий из вращающихся цилиндров, продвигался на одну позицию вперед. Однако сфера применения разработанного им устройства была ограничена решением простой и четко очерченной задачи — составлением таблиц. Более сложными вычисле­ниями перфокарты управлять не могли.

Один из первых компьютеров, который по праву можно назвать програм­мируемым, был создан немецким инженером Конрадом Цузе. В конце 30-х — начале 40-х годов он построил несколько счетных машин и компьютеров для осуществления сложных инженерных расчетов. Z1 (1938 г.) – 4 м.кв., 2 с/с, перфолента (кинопленка); Z2 (1940 г.) – считается первой электромеханической; Z3 (1941 г.) – 2,5 тыс. телефонных реле, считается первым работоспособным, свободно программируемым компьютером в мире (его "конкуренты", Mark I и ENIAC появились после 1943 года). Правда, в памяти Z3 программы не хранил, для этого память из 64 слов была мала, да Цузе и не стремился к этому. Имелся недостаток — отсутствие реализации условного перехода.

Машины Цузе управлялись при помощи перфорированной ленты, изготовленной из бракованной кинопленки (весьма изобретательная реакция на дефицит бумаги в годы войны). В качестве основных элементов машин использовались электромеханические реле, подобные тем, что применялись тогда в телефонных коммутаторах. Кроме того, Цузе одним из первых среди изобретателей компьютеров сумел построить действующую программируемую машину Z3, в которой использовалась двоичная система. Любое десятичное число можно представить в двоичной системе в виде последовательности единиц и нулей. Этот способ записи чисел подходит для электрических цепей, которые могут находиться в одном из двух состояний: включено или выключено. Достоинства двоичной системы не ограничиваются ее применением для арифметических вычислений. В равной мере она удобна и для кодирования логических операций, имеющих дело с понятиями «истина» и «ложь». Возможность использования таких операций превращает компьютер в нечто большее, чем просто счетная машина. Из-за войны работы Цузе долгое время оставались неизвестными за пределами Германии. Но по обе стороны Атлантики были и другие ученые, увлеченные погоней за призрачной удачей — созданием программируемых машин. Некоторые из них, как и Цузе, поняли эффективность двоичной системы счисления и символьной логики для проведения вычислений с помощью электрических цепей. Однако переход от десятичной системы к двоичной не сразу получил признание.

Пока Цузе продолжал свои исследования в Германии, американские ученые работали над двумя проектами, которые оставили заметный след в истории программируемых компьютеров. В Гарвардском университете математик Говард Айкен с группой инженеров фирмы ИБМ завершали работу над машиной «Марк-1» (1943 г., работа с августа 44 более 15 лет). Эта программно-управляемая вычислительная машина весом 5 т и стоимостью 500 тыс. долл. (дл 15 метров, высота 2,5, 3млн узлов, 500 миль проводов, и еще стоимость 1 млн(?)) предназначалась для баллистических расчетов ВМС США. Как и машины Цузе, она была построена на электромеханических реле и управлялась при помощи команд, закодированных на бумажной перфоленте. Машина производила умножение двух 23-значных чисел за 3с и могла легко настраиваться на решение разнообразных задач оборонного характера, возникавших в ходе войны. Хотя вскоре другие машины превзошли «Марк-1», он, тем не менее, продолжал использоваться в вычислительной лаборатории Гарвардского университета вплоть до 1959 г. Однако всего важнее, вероятно, то, что эта машина послужила своего рода «полигоном» для подготовки многих первопроходцев в области разработки компьютеров, которые впоследствии внесли заметный вклад в развитие нового научного направления.

Другая американская разработка — машина «Эниак» — отличалась весьма неуклюжим способом задания программы, что отравляло жизнь программиста Кэтлин Макналти и ее коллег. Эта машина была создана сотрудниками Высшего технического училища Пенсильванского университета Джоном Мочли и Преспером Эккертом. Стоимость - 400 тыс дол, вес 30 т, 40 панелей на 18000 ламп, 1500 реле, 70 тыс. резисторов и конденсаторов. Как и «Марк-1», она оперировала десятичными, а не двоичными числами, однако вместо электромеханических реле в ней использовались электронные лампы, что позволило в 1000 раз повысить ее быстродействие по сравнению с машиной Гарвардского университета. При создании «Эниака» Мочли и Эккерт превысили технологический предел надежности, ибо до этого ни в одной машине не использовалось более 2 тыс. электронных ламп. В машине «Эниак» их было почти в 9 раз больше. Существенной проблемой оказалось частое перегорание ламп. За год работы машины пришлось заменить около 19 тыс. ламп, более 100% от общего комплекта. И, тем не менее, машина продемонстрировала, что будущее принадлежит именно электронным вычислительным устройствам.

Мочли и Эккерт хорошо понимали, что основное преимущество электронных компьютеров заключается в их потенциальной способности хранить большое количество информации. Вращающиеся шпиндели и шестеренки электромеханических компьютеров мало годились для построения достаточно больших запоминающих устройств, способных хранить значительный объем данных. С появлением электроники подобная внутренняя память стала практически реальной.

Сама по себе машина «Эниак» была всего лишь первой ласточкой. Разработанная в условиях довлеющей спешки, обусловленной военным временем, она имела весьма ограниченную внутреннюю память. Хотя эта машина очень быстро выполняла сложные программы, ее сумматор (внутреннее запоминающее устройство на электронных лампах, предназначенное для хранения обрабатываемых данных) мог запомнить лишь 20 10-значных десятичных чисел. И хотя содержимое внутренней памяти можно было быстро менять, замена самих управляющих команд требовала длительной возни с соединительными кабелями и переключателями.

«Эниак» вступил в строй в 1945 г. (т.е. 1.01.46 - начало компьютерной эры), но за два года до этого Мочли и Экерт уже начали обдумывать создание более совершенной машины, способной хранить не только большое количество данных, но и команды программы, управляющей ее работой. Их идея создания машины с программой, хранимой в памяти, изменила принципы организации вычислений, подготовив почву для появления современных языков программирования. Свою новую машину Мочли и Эккерт назвали «Эдвак» (EDVAC, от Electronic Discret Variable Automatic Computer — электронный автоматический вычислитель с дискретными переменными). В качестве элементов внутренней памяти они предполагали использовать ртутные линии задержки, которые в годы войны использовались в радиолокаторах для определения времени прохождения сигнала. Эти устройства представляли собой заполненную ртутью трубку, в которой можно было как бы «консервировать» электрические импульсы, а затем при необходимости извлекать их оттуда. Еще одна особенность машины «Эдвак» заключалась в ее ориентации на работу с двоичными, а не десятичными числами, что позволяло упростить конструкцию арифметического устройства. Пока Мочли и Эккерт трудились над новым проектом, их идеи в обобщенном виде были изложены в эпохальной работе, принадлежащей перу блестящего математика венгерского происхождения Джона фон Неймана. В то время фон Нейман, будучи сотрудником Принстонского института перспективных исследований, являлся консультантом проекта «Эниак». Свою статью объемом в 101 страницу машинописного текста он рассматривал лишь как набросок, предназначенный для обсуждения членами рабочей группы проекта «Эдвак». Однако 1 июня 1945 г. один из членов группы, Герман Голдстейн, разослал этот отчет более чем 30 специалистам под заголовком «Предварительный доклад о машине «Эдвак», причем фон Нейман фигурировал как единственный автор отчета. Без сомнения, вклад фон Неймана в эту работу был весьма весомым, особенно в той части, которая касалась логических операций машины. Более того, благодаря его блестящей репутации, статья приобрела вес, который в ином случае она, возможно, и не имела бы, а это обеспечило поддержку данного проекта. Вместе с тем статья породила всеобщее убеждение, что заслуга изобретения компьютера с программой, хранимой в памяти, принадлежит фон Нейману.

Преждевременное распространение отчета стало причиной многолетнего конфликта и, в конечном счете, привело к тому, что Мочли и Эккерту так и не удалось отстоять свое право на патент. По ряду причин (среди которых история с отчетом занимала отнюдь не первое место) Мочли и Экерт в марте 1946 г. покинули Пенсильванский университет, основав собственную компанию. Вследствие потери двух ведущих сотрудников работы над машиной «Эдвак» пришлось свернуть.

Несмотря на разгоревшуюся полемику, сама идея создания машины с программой, хранимой в памяти, начала находить своих энтузиастов, особенно в Англии. Среди тех, кто получил экземпляр отчета о проекте «Эдвак», был сотрудник британской Национальной физической лаборатории Дж. Р. Уомерзли. Его пригласили в США для знакомства с работами над машинами «Эниак» и гарвардским «Марком-1». Вернувшись в Англию, Уомерзли привез с собой экземпляр отчета о разработке машины «Эдвак» и страстное желание начать аналогичные разработки в своей стране.

Для работы над проектом он в первую очередь пригласил Алана Тьюринга, во время войны принимавшего участие в создании сверхсекретной английской декодирующей машины «Колосс». Свой первый вклад в теорию вычислений Тьюринг сделал десятилетием раньше, когда в возрас те 25 лет опубликовал статью «О вычислимых числах». В ней описывалось гипотетическое устройство, состоящее лишь из бесконечной бумажной ленты и головки, которая могла считывать и обрабатывать записанные на ней символы. Машина была пригодна для решения любой разрешимой математической или логической задачи. Цель Тьюринга заключалась не в изобретении компьютера, а в описании задач, не имеющих решения. Вместе с тем в гипотетической машине Тьюринга были предвосхищены некоторые черты современных компьютеров. Например, бесконечную ленту можно рассматривать как своеобразную универсальную внутреннюю память.

Благодаря Тьюрингу машина «Колосс» великолепно справилась с расшифровкой донесений, создаваемых немецкой шифровальной машиной «Загадка». Хотя машина «Колосс» была спроектирована как логический компьютер специального назначения, по существу она была достаточна универсальна, чтобы решать целый ряд разнообразных задач. И поскольку это была первая машина, в которой применялось большое количество электронных ламп (она вступила в эксплуатацию на два года раньше машины «Эниак»), она также стала базой для подготовки научных кадров в области электронных вычислительных машин. Наличие квалифицированных специалистов позволило Великобритании быстро включиться в гонку, призом в которой было создание компьютера с программой, хранимой в памяти. [По иронии судьбы приблизительно в то же время, когда осуществлялся проект «Колосс», Конрад Цузе обратился к правительству (фашистской Германии) с просьбой о выделении средств на создание аналогичного устройства для дешифровки английских секретных кодов. Характерно, что в этом устройстве также предполагалось использовать электронные лампы. Однако ходатайство Цузе было отклонено с мотивировкой, что война закончится прежде, чем такая машина заработает.]

Выполняя задание Уомерзли (изучить проект фон Неймана и построить компьютер, подобный машине «Эдвак»), Тьюринг разработал план создания машины АСЕ (Automatic Computing Engine — автоматическое вычислительное устройство). Пользуясь буквенно-цифровым кодом, он даже написал для нее несколько простых программ. Однако проект АСЕ натолкнулся на целую цепь бюрократических препон, что расстроило планы Тьюринга и вынудило его отстраниться от работы задолго до того, как в 1950 г. она завершилась созданием уменьшенного опытного варианта машины.

Следующую «остановку» Тьюринг сделал в Манчестерском университете, где под руководством Макса Ньюмена велись работы над еще одним компьютерным проектом. Ньюмен, один из крупнейших английских математиков, помогал в организации работ по проекту «Колосс» и, конечно, был хорошо знаком с достижениями в этой области. Еще до прихода Тьюринга группа Ньюмена построила небольшую действующую модель полностью электронного компьютера с хранимой в памяти программой, который, как и гарвардская машина, получил название «Марк-1».

Внутренняя память манчестерского компьютера была построена на 6 электронно-лучевых трубках (ЭЛТ), аналогичных тем, какие применяются в радиолокаторах и телевизорах. 21 июня 1948 г. манчестерский «Марк-1» реализовал первую в мире программу, хранимую в памяти машины, — поиск наибольшего сомножителя заданного числа. Как с восторгом заявил Уильяме, «в нужном месте ярко светился ожидаемый результат».

Пока манчестерский «Марк-1» делал первые блестящие успехи на непроторенном пути, другая группа англичан из Кембриджского университета завершала работу над машиной, которой суждено было продемонстрировать истинные возможности компьютеров с хранимой в памяти программой. Машина «Эдсак» (EDSAC, от Electronic Delay Storage Automatic Computer — электронный автоматический вычислитель с памятью на линиях задержки) была в сущности прямой копией машины «Эдвак». Руководитель университетской вычислительной лаборатории Морис Уилкс, находясь летом 1946 г. в США, прослушал там курс лекций, посвященный машинам с программами, хранимыми в памяти. Лекции читали Мочли, Экерт и другие сотрудники Пенсильванского университета.

Как и в проекте Мочли и Экерта, внутренняя память английской машины строилась на ртутных линиях задержки. Они действовали медленнее и были дороже, чем ЭЛТ, но позволяли хранить больший объем информации и, кроме того, отличались более высокой надежностью. Компьютер «Эдсак», созданный на два года раньше, чем злополучный «Эдвак», вступил в строй спустя год после манчестерского «Марка-1», в июне 1949 г.

Архитектура Неймана.

Компьютер - это электронное устройство, которое выполняет операции ввода информации, хранения и обработки ее по определенной программе, вывод полученных результатов в форме, пригодной для восприятия человеком. За любую из названных операций отвечают специальные блоки компьютера:

устройство ввода,

центральный процессор,

запоминающее устройство,

устройство вывода.

Все эти блоки состоят из отдельных меньших устройств. В частности, в центральный процессор могут входить арифметико-логическое устройство (АЛУ), внутреннее запоминающее устройство в виде регистров процессора и внутренней кэш-памяти, управляющее устройство (УУ). Устройство ввода, как правило, тоже не является одной конструктивной единицей. Поскольку виды входной информации разнообразны, источников ввода данных может быть несколько. Это касается и устройств вывода.

Схематично общая структура компьютера изображена на рис.1.

Рис. 1. Общая структура компьютера

Запоминающее устройство - это блок ЭВМ, предназначенный для временного (оперативная память) и продолжительного (постоянная память) хранения программ, входных и результирующих данных, а также промежуточных результатов. Информация в оперативной памяти сохраняется временно лишь при включенном питании, но оперативная память имеет большее быстродействие. В постоянной памяти данные могут сохраняться даже при отключенном компьютере, но скорость обмена данными между постоянной памятью и центральным процессором, в подавляющем большинстве случаев, значительно меньше.

Арифметико-логическое устройство - это блок ЭВМ, в котором происходит преобразование данных по командам программы: арифметические действия над числами, преобразование кодов и др.

Управляющее устройство координирует работу всех блоков компьютера. В определенной последовательности он выбирает из оперативной памяти команду за командой. Каждая команда декодируется, по потребности элементы данных из указанных в команде ячеек оперативной памяти передаются в АЛУ; АЛУ настраивается на выполнение действия, указанной текущей командой (в этом действии могут принимать участие также устройства ввода-вывода); дается команда на выполнение этого действия. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не возникнет одна из следующих ситуаций: исчерпаны входные данные, от одного из устройств поступила команда на прекращение работы, выключено питание компьютера.

Описанный принцип построения ЭВМ носит название архитектуры фон Неймана - американского ученого венгерского происхождения Джона фон Неймана, который ее предложил.

Современную архитектуру компьютера определяют следующие принципы:

Принцип программного управления. Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий компьютера. Эффективность программного управления будет выше при решении задачи этой же программой много раз (хотя и с разными начальными данными).

Принцип программы, сохраняемой в памяти. Согласно этому принципу, команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в оперативную память, что ускоряет процесс ее выполнения.

Принцип произвольного доступа к памяти. В соответствии с этим принципом, элементы программ и данных могут записываться в произвольное место оперативной памяти, что позволяет обратиться по любому заданному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих.

На основании этих принципов можно утверждать, что современный компьютер - техническое устройство, которое после ввода в память начальных данных в виде цифровых кодов и программы их обработки, выраженной тоже цифровыми кодами, способно автоматически осуществить вычислительный процесс, заданный программой, и выдать готовые результаты решения задачи в форме, пригодной для восприятия человеком.

Реальная структура компьютера значительно сложнее, чем рассмотренная выше (ее можно назвать логической структурой). В современных компьютерах, в частности персональных, все чаще происходит отход от традиционной архитектуры фон Неймана, обусловленный стремлением разработчиков и пользователей к повышению качества и производительности компьютеров. Качество ЭВМ характеризуется многими показателями. Это и набор команд, которые компьютер способный понимать, и скорость работы (быстродействие) центрального процессора, количество периферийных устройств ввода-вывода, присоединяемых к компьютеру одновременно и т.д. Главным показателем является быстродействие - количество операций, какую процессор способен выполнить за единицу времени. На практике пользователя больше интересует производительность компьютера - показатель его эффективного быстродействия, то есть способности не просто быстро функционировать, а быстро решать конкретные поставленные задачи.

Как результат, все эти и прочие факторы способствуют принципиальному и конструктивному усовершенствованию элементной базы компьютеров, то есть созданию новых, более быстрых, надежных и удобных в работе процессоров, запоминающих устройств, устройств ввода-вывода и т.д. Тем не менее, следует учитывать, что скорость работы элементов невозможно увеличивать беспредельно (существуют современные технологические ограничения и ограничения, обусловленные физическими законами). Поэтому разработчики компьютерной техники ищут решения этой проблемы усовершенствованием архитектуры ЭВМ.

Так, появились компьютеры с многопроцессорной архитектурой, в которой несколько процессоров работают одновременно, а это означает, что производительность такого компьютера равняется сумме производительностей процессоров. В мощных компьютерах, предназначенных для сложных инженерных расчетов и систем автоматизированного проектирования (САПР), часто устанавливают два или четыре процессора. В сверхмощных ЭВМ (такие машины могут, например, моделировать ядерные реакции в режиме реального времени, прогнозировать погоду в глобальном масштабе) количество процессоров достигает нескольких десятков.

Скорость работы компьютера существенным образом зависит от быстродействия оперативной памяти. Поэтому, постоянно ведутся поиски элементов для оперативной памяти, затрачивающих меньше времени на операции чтения-записи. Но вместе с быстродействием возрастает стоимость элементов памяти, поэтому наращивание быстродействующей оперативной памяти нужной емкости не всегда приемлемо экономически.

Проблема решается построением многоуровневой памяти. Оперативная память состоит из двух-трех частей: основная часть большей емкости строится на относительно медленных (более дешевых) элементах, а дополнительная (так называемая кэш-память) состоит из быстродействующих элементов. Данные, к которым чаще всего обращается процессор находятся в кэш-памяти, а больший объем оперативной информации хранится в основной памяти.

Раньше работой устройств ввода-вывода руководил центральный процессор, что занимало немало времени. Архитектура современных компьютеров предусматривает наличие каналов прямого доступа к оперативной памяти для обмена данными с устройствами ввода-вывода без участия центрального процессора, а также передачу большинства функций управления периферийными устройствами специализированным процессорам, разгружающим центральный процессор и повышающим его производительность.