В своей работе Тьюринг описал абстрактную вычислительную машину, которая получила название машины Тьюринга. Машина Тьюринга представляет собой автоматическое устройство, способное находиться в конечном числе внутренних состояний и снабженное бесконечной внешней памятью - лентой. Среди состояний выделяются два - начальное и конечное. Лента разделена на клетки. В каждую клетку может быть записана любая из букв некоторого алфавита. В пустую клетку записана "пустая буква". В каждый момент времени машина Тьюринга находится в одном из своих состояний и, рассматривая одну из клеток ленты, воспринимает записанный в ней символ.
В неконечном состоянии машина Тьюринга совершает шаг, который определяется ее текущим состоянием и символом на ленте, воспринимаемым в данный момент. Шаг машины Тьюринга заключается в следующем:
1. В рассматриваемой клетке записывается символ, совпадающий со старым, или пустой.
2. Машина переходит в новое состояние, совпадающее со старым, или конечное.
3. Лента сдвигается на одну клетку или остается на месте.
Перечисление всех возможных шагов машины Тьюринга, в зависимости от текущей комбинации неконечного состояния и воспринимаемого символа называется программой данной машины Тьюринга. Конфигурация машины Тьюринга определяется конкретным заполнением клеток ленты символами и внутренним состоянием, в котором машина находится. Если зафиксировать какую-либо неоконечную конфигурацию машины в качестве исходной, то работа машины будет заключаться в последовательном преобразовании исходной конфигурации в соответствии с программой машины до тех пор, пока не будет достигнуто конечное состояние.
Тьюринг не преследовал цели изобрести компьютер. Тем не менее, описанная им абстрактная машина определила некоторые характеристики современных компьютеров. Так, например, бесконечная лента является аналогом оперативной памяти современного компьютера. Впервые подобная модель памяти была использована в компьютере Атанасова и Берри.
Поколения современных компьютеров
Развитие вычислительной техники в современном периоде принято рассматривать с точки зрения смены поколений компьютеров. Каждое поколение компьютеров в начальный момент развития характеризуется качественным скачком в росте основных характеристик компьютера, вызванным обычно переходом на новую элементную базу, а также относительной стабильностью архитектурных и логических решений.
Разбиение поколений компьютеров по годам весьма условно. В то время, как начиналось активное использование компьютеров одного поколения, создавались посылки для возникновения следующего. Кроме элементной базы и временного интервала используются следующие показатели развития компьютеров одного поколения: быстродействие, архитектура, программное обеспечение, уровень развития внешних устройств. Другим важным качественным показателем является широта области применения компьютеров.
Первое поколение компьютеров (1945-1956 годы)
С началом второй мировой войны правительства разных стран начали разрабатывать вычислительные машины, осознавая их стратегическую роль в ведении войны. Увеличение финансирования в значительной степени стимулировало развитие вычислительной техники. В 1941 году немецкий инженер Конрад Цузе разработал вычислительную машину Z2, выполнявшую расчеты, необходимые при проектировании самолетов и баллистических снарядов. В 1943 году английские инженеры завершили создание вычислительной машины для дешифровки сообщений немецкой армии, названной "Колосс". Однако эти устройства не были универсальными вычислительными машинами, они предназначались для решения конкретных задач.
В 1944 году американский инженер Говард Эйкен при поддержке фирмы IBM сконструировал компьютер для выполнения баллистических расчетов. Этот компьютер, названный "Марк I", по площади занимал примерно половину футбольного поля и включал более 600 километров кабеля. В компьютере "Марк I" использовался принцип электромеханического реле, заключающийся в том, что электромагнитные сигналы перемещали механические части. "Марк I" был довольно медленной машиной: для того чтобы произвести одно вычисление требовалось 3-5 с. Однако, несмотря на огромные размеры и медлительность, "Марк I" стал более универсальным вычислительным устройством, чем машина Цузе или "Колосс". "Марк I" управлялся с помощью программы, которая вводилась с перфоленты. Это дало возможность, меняя вводимую программу, решать довольно широкий класс математических задач.
В 1946 году американские ученые Джон Мокли и Дж. Преспер Эккерт сконструировали электронный вычислительный интегратор и калькулятор (ЭНИАК) - компьютер, в котором электромеханические реле были заменены на электронные вакуумные лампы. Применение вакуумных ламп позволило увеличить скорость работы ЭНИАК в 1000 раз по сравнению с "Марк I". ЭНИАК состоял из 18000 вакуумных ламп, 70000 резисторов, 5 миллионов соединительных спаек и потреблял 160 кВт электрической энергии, что по тем временам было достаточно для освещения большого города. Между тем, ЭНИАК стал работающим прообразом .современного компьютера. Во-первых, ЭНИАК был основан на полностью цифровом принципе обработки информации. Во-вторых, ЭНИАК стал действительно универсальной вычислительной машиной, он использовался для расчета баллистических таблиц, предсказания погоды, расчетов в области атомной энергетики, аэродинамики, изучения космоса.
Следующий важный шаг в совершенствовании вычислительной техники сделал американский математик Джон фон Нейман. Ранние вычислительные машины могли выполнять только команды, поступающие извне, причем команды выполнялись поочередно. Хотя использование перфокарт позволяло упростить процесс ввода команд, тем не менее, часто процесс настройки вычислительной машины и ввода команд занимал больше времени, чем собственно решение поставленной задачи. Фон Нейман предложил включить в состав компьютера для хранения последовательности команд и данных специальное устройство - память. Кроме того, Джон фон Нейман предложил реализовать в компьютере возможность передачи управления от одной программы к другой. Возможность хранить в памяти компьютера разные наборы команд (программы), приостанавливать выполнение одной программы и передавать управление другой, а затем возвращаться к исходной значительно расширяла возможности программирования для вычислительных машин. Другой ключевой идеей, предложенной фон Нейманом, стал процессор (центральное обрабатывающее устройство), который должен был управлять всеми функциями компьютера. В 1945 году Джон фон Нейман подготовил отчет, в котором определил следующие основные принципы работы и элементы архитектуры компьютера:
1. Компьютер состоит из процессора (центрального обрабатывающего устройства), памяти и внешних устройств.
2. Единственным источником активности (не считая стартового или аварийного вмешательства человека) в компьютере является процессор, который, в свою очередь, управляется программой, находящейся в памяти.
3. Память компьютера состоит из ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный адрес. Каждая ячейка хранит команду программы или единицу обрабатываемой информации. Причем и команда, и информация имеют одинаковое представление.
4. В любой момент процессор выполняет одну команду программы, адрес которой находится в специальном регистре процессора - счетчике команд.
5. Обработка информации происходит только в регистрах процессора. Информация в процессор поступает из памяти или от внешнего устройства.
6. В каждой команде программы зашифрованы следующие предписания: из каких ячеек взять обрабатываемую информацию; какие операции совершить с эй информацией; в какие ячейки памяти направить результат; как изменить содержимое счетчика команд, чтобы знать, откуда взять следующую команду для выполнения.
7. Процессор исполняет программу команда за командой в соответствии с изменением содержимого счетчика команд до тех пор, пока не получит команду остановиться.
В дальнейшем архитектура фон Неймана незначительно изменялась и дополнялась, но исходные принципы управления работой компьютера с помощью хранящихся в памяти программ остались нетронутыми, Подавляющее большинство современных компьютеров построено именно по архитектуре фон Неймана. В 1951 году был создан первый компьютер, предназначенный для коммерческого использования, - УНИВАК (универсальный автоматический компьютер), в котором были реализованы все принципы архитектуры фон Неймана. В 1952 году с помощью УНИВАК был предсказан результат выборов президента США.
Работы по созданию вычислительных машин велись и в СССР. Так, в 1950 году в Институте электроники Академии наук Украины под руководством академика Сергея Алексеевича Лебедева была разработана и введена в эксплуатацию МЭСМ (малая электронная счетная машина). МЭСМ стала первой отечественной универсальной ламповой вычислительной машиной в СССР. В 1952-1953 годах МЭСМ оставалась самой быстродействующей (50 операций в секунду) вычислительной машиной в Европе. Принципы построения МЭСМ были разработаны С. А. Лебедевым независимо от аналогичных работ на Западе.
В компьютерах первого поколения использовался машинный язык - способ записи программ, допускающий их непосредственное исполнение на компьютере. Программа на машинном языке представляет собой последовательность машинных команд, допустимых для данного компьютера. Процессор непосредственно воспринимает и выполняет команды, выраженные в виде двоичных кодов. Для каждого компьютера существовал свой собственный машинный язык. Это также ограничивало область применения компьютеров первого поколения.