Съвременни компютърни системи

Предписаните от процедурите действия (предимно аритметични операции) се извършвали на ум или с подръчни средства. С развитието на човечеството, се усложнявали решаваните задачи и съответните алгоритми. Освен това, сравнително прост алгоритъм може да затрудни човека, който го изпълнява, ако обемът на входните данни за алгоритъма е много голям. Не е трудно човек да намери най-голямото от 10 зададени числа, но задачата става непосилна, ако числата са хиляди или милиони. Затова учените започнали да обмислят създаването на специални технически средства за извършване на математически пресмятания.

Истинска революция в автоматизирането на аритметичните пресмятания представляват изследванията на френския математик Блез Паскал и поредицата създадени от него аритметични машини (аритмометри). Машината на Паскал (Фиг. 3) е предназначена за събиране и изваждане на естествени числа по класическия алгоритъм, цифра по цифра, чрез система от остроумно свързани зъбни колела, така че преносът от разряд в разряд се добавя автоматично.

По-късно Годфрид Вилхелм Лайбниц подобрява аритметичната машина на Паскал. Той въвежда подвижна част за задаване на множителя (спомнете си как, при умножаване изместваме всеки път с една позиция вляво произведението на множимото с цифра от множителя) и механизъм, който чрез едно завъртване събира двете числа, без да се налага последователното събиране цифра по цифра. С тези подобрения машината на Лайбниц извършва бързо четирите аритметични операции – събиране, изваждане, умножение и деление. Основните принципи на аритмометрите остават непроменени и до недалечното минало, като се усъвършенства само техническата им реализация.

Следващата стъпка по пътя към създаване на съвременния компютър се основава на идея на френския инженер Жозеф-Мари Жакард. Той създава тъкачен стан с програмно управление.

Програмите в стана на Жакард се нанасят на картонени ленти, на които, за всяка група от нишки, съответства пътечка. Пътечките се продупчват (перфорират) през определени интервали. По време на тъкането специално устройство проследявало перфолента и в зависимост от наличието или отсъствието на перфорация, поставяло в горно или долно положение групите нишки, съответстващи на дадена пътечка. Докато се работело над един вид десен, проектантите (програмистите) подготвяли перфоленти за друг десен. Със смяна само на перфолентите се постигало настройване на стана към различни десени, без каквато и да е друга промяна в конструкцията.
Нововъведението на Жакард предизвикало революция в тъкачната индустрия и не е загубило значението си и в наши дни. Най-важната характеристика на машините с програмно управление е възможността за бърза и лесна смяна на програмата.

През 1880 г. американският изобретател Херман Холерит успешно развил идеята за нанасяне на данни върху хартиени носители посредством перфорация. Машините на Холерит позволили да се извърши в рекордно кратък срок преброяването на населението на САЩ (над 62.6 милиона по онова време). Тези частични успехи поддържали надеждата, че гениалната идея на Бабидж за програмируема пресмятаща машина ще се реализира при достигане съответното ниво на технологичен прогрес.

Съществено за създаване на програмируема математическа машина, е революционното по същността си решение да се премине от десетична към двоична бройна система. Основание за това е фактът, че нито в природата съществува, нито науката и техниката са успели да създадат средство, с което може да се представят цифрите на десетичната бройна система. В същото време в природата съществуват метали, способни да се намират в две устойчиви и различими състояния – намагнитено и ненамагнитено. Две добре различими състояния можем да получим и в материал, провеждащ електричеството – когато по него тече ток, и когато не тече ток.

Създаването на необходимите теоретични предпоставки не довежда автоматично до създаването на мечтаната от много учени, машина. Необходимо е било да се извърши още голяма по количество научно-изследователска и конструкторска работа, за да се достигне до построяването на машината, която днес наричаме компютър. Ето най-важните стъпки в технологично отношение:
🔴 През 1936 г. американският учен Клод Шенън, разработва принципите на създаване на електро-механични схеми, за извършване на операциите с числа.
🔴 През януари 1939 г. американецът от български произход Джон Атанасов (Фиг. 5), професор по физика в Университета на Айова, съвместно със сътрудника си Клифърд Бери, изработва машина, която днес се счита за първия реално действащ модел на компютър. Машината ABC на Атанасов-Бери е двоична, не е програмируема, но вместо електромеханични елементи използва електронни вакумни лампи, които консумират по-малко електрическа енергия, не предизвикват шум, много по-надеждни са, и с тях могат да се построят много по-големи и сложни пресмятащи устройства. Освен това ABC съдържала специално устройство, в което да се съхраняват не само необходимите за пресмятането данни, но и управляващата машината програма – памет. За съжаление, Джон Атанасов не е имал време да вгради в модела си такава, променяща съдържанието си, памет.
🔴 Едновременно с Шенън и Атанасов, над устройство за автоматизиране на пресмятанията в двоична бройна система и на електромеханичен принцип работи и германският инженер Конрад Цузе. Поради наложената от управляващите във фашистка Германия секретност, не е възможно да се посочи точно моментът на завършване на машината му Z1, но това е станало около началото на Втората световна война. Машината на Цузе също съдържа революционен елемент – тя работи със сменяеми програми, перфорирани на хартиени ленти. Можем да смятаме, че Z1 е първата реално действаща, програмируема изчислителна машина.

🔴 Група английски специалисти, занимаващи се по време на Втората световна война с дешифриране на германски радиограми, ръководена от гениалния математик Алън Тюринг, създава машината „Колос“. Тя е предназначена за дешифриране на радиограми (т.е. да изпълнява един конкретен алгоритъм), но е построена с електронни лампи – първата действаща електронна изчислителна машина. Освен това трябва да споменем теоретичните разработки на Тюринг, довели до математически модел, който става математическа основа за изграждането на универсалния компютър.
🔴 Създаденото от групата на Тюринг, бързо станало известно от другата страна на океана и по поръчка на военното министерство на САЩ, Джон Пресперт Екерт и Джон Моучли, създават през 1946 г. машината ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), използваща двоична бройна система, и построена с електронни лампи. В името й участвува и думата Computer, с която от тук нататък ще се обозначават подобни устройства. ENIAC не е програмируема и не използва паметта, както е замислено от Дж. Атанасов. Затова, след шумен съдебен процес от 1973 г., претенциите на Екерт и Моучли за авторство на компютъра, са отхвърлени, и първенството е дадено на Атанасов.

Независимо от това, че повечето от тях не са формулирани за пръв път от него, и предизвикали спорове за авторство, в литературата те са известни като Принципи на фон Нойман, а компютрите, построени на тези принципи – като фон-Нойманови компютри.

Накратко ще формулираме основните характеристики на компютъра, които фон Нойман интегрира в цялостна концепция:
🔴 Компютърът е електронно устройство – всички операции в него се извършват от електронни схеми.
🔴 Данните в компютъра се представят в двоичен вид и всички операции се изпълняват над операнди, представени като числа в двоична бройна система.
🔴 Компютърът е устройство, което се управлява от програма. Програмите се състоят от инструкции, които могат да се изпълняват от предназначеното за целта устройство – процесор.
🔴 Програмите и данните се съхраняват в паметта. Процесорът извлича от паметта инструкциите, изпълнява ги с извлечените също от паметта данни и връща резултатите обратно в паметта.

Възползвайки се от противоречията между фон Нойман, от една страна, и Екерт и Моучли, от друга, относно приоритетите и правата над изобретението, английският изобретател Морис Уилкс през 1949 г. построява първия компютър, изграден изцяло върху принципите на фон Нойман – машината EDSAC.
От този момент започва ерата на компютрите, които са построени по една и съща принципна схема – архитектура на фон Нойман. На Фиг. 6 е показана тази принципна схема.