Историки утверждают, что первым человеком, сформулировавшим идею о машине, которая может производить вычисления автоматически (т.е. без непосредственного участия человека благодаря заложенной программе) был Чарльз Бэббидж ¹. Он не просто провозгласил неочевидную в то время идею автоматической вычислительной машины, но и посвятил всю свою жизнь ее разработке. Одна из его заслуг состояла в том, что он предвосхитил функциональное устройство вычислительных устройств. По замыслу Бэббиджа, его аналитическая машина имела следующие функциональные узлы [1]:

• "склад" для хранения чисел (по современной терминологии память);
• "мельница" (арифметическое устройство);
• устройство, управляющее последовательностью операций в машине (Бэббидж не дал ему названия, сейчас используется термин устройство управления);
• устройства ввода и вывода данных.

Идеи Бэббиджа на десятилетия опередили появление пригодной для практической реализации вычислительных машин элементной базы – реально работающие конструкции появились лишь в середине XX века. Фундаментальные принципы архитектуры ЭВМ были обобщены и систематическим образом изложены в 1946 в классической статье А. Беркса, Г. Голдстейна и Дж. Неймана "Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства" ². В ней, в частности, четко и логично обосновывалась структура ЭВМ.

Приведенная выше цитата из [2] отчетливо показывает, что все функциональные блоки ЭВМ имеют вполне естественное назначение и образуют простую и логически обоснованную структуру. Последняя оказалась настолько удачной, что во многом сохранилась вплоть до наших дней. Для нее даже используется общепринятое название фон-неймановская архитектура.

Примечание. Строго говоря, Джон фон Нейман не является автором всех принципов архитектуры (подробнее см., например, в книге [4]), но, тем не менее, в литературе данный термин широко используется.

Таким образом, любая вычислительная машина содержит в себе следующие функциональные блоки:

• арифметико-логическое устройство АЛУ;
• устройство управления УУ;
• различные виды памяти;
• устройства ввода информации и
• устройства вывода информации.

В связи с огромными успехами в миниатюризации электронных компонентов, в современных компьютерах АЛУ и УУ удалось конструктивно объединить в единый узел – микропроцессор. Вообще термин процессор почти повсеместно, за исключением детальной литературы, вытеснил упоминания о своих составляющих АЛУ и УУ.

Если сам перечень функциональных блоков более чем за полвека практически не изменился, то способы их соединения и взаимодействия претерпели некоторое эволюционное развитие.

Согласно классической фон-неймановской схеме, преобладавшей в 1-2 поколениях, центром архитектуры ЭВМ являлся процессор (см. схему 1).

Из приведенной схемы отчетливо видно, что центром такой конструкции является процессор. Во-первых, он управляет всеми устройствами, а во-вторых, через него проходят все информационные потоки. Описанной системе по определению присущ принципиальный недостаток – процессор оказывается чрезмерно перегруженным. Полностью регулируя обмен между всеми устройствами, он часто вынужден пассивно ожидать окончания ввода с медленных (как правило, содержащих механические части) устройств, что существенно снижает эффективность работы всей системы в целом.

Возникшее противоречие между постоянно растущей производительностью процессора и относительно низкой скоростью обмена с внешними устройствами стало отчетливо заметно уже во время расцвета вычислительной техники второго поколения. Поэтому при проектировании следующего, третьего, поколения инженеры начали принимать специальные меры для "разгрузки" процессора и его освобождения от детального руководства вводом/выводом.

На схеме 2, взятой из [5], приведена типичная схема ЕС ЭВМ – большой вычислительной машины коллективного пользования 3 поколения. На ней появляются новые устройства – каналы, которые руководят работой внешних устройств. Для всех медленных устройств (типа перфокарточных или алфавитно-цифрового печатающего устройства АЦПУ) предназначается отдельный мультиплексный канал, а для более быстродействующих устройств на магнитных лентах МЛ и магнитных дисках МД – несколько селекторных. По заданию центрального процессора каждый из каналов способен осуществлять операции обмена информацией, причем уже без дополнительного участия процессора.

Описанным образом центральный процессор освобождается от постоянного руководства работой внешних устройств: он только «выдает задание» необходимому каналу, и последний берет на себя полный контроль за деталями обмена.

Переход к четвертому поколению ЭВМ не только сопровождался многократным повышением плотности монтажа в микросхемах, но и изменением общей стратегии применения вычислительной техники. На смену громоздким ЭВМ коллективного пользования пришли персональные компьютеры, предназначенные прежде всего для индивидуальной работы отдельных пользователей. Архитектура при этом продолжила свое развитие и совершенствование в направлении освобождении процессора от руководства процессами ввода/вывода. В результате современный ПК приобрел структуру, приведенную на схеме 3.

Главной особенностью такой схемы является наличие выделенной шины (магистрали) для передачи информации между функциональными узлами компьютера. Она состоит из трех частей:

• шина адреса, определяющая, куда именно направляется информация по шине;
• шина данных, по которой передается информация;
• шина управления, определяющая особенности обмена и синхронизирующая его.

К шине подсоединяются все устройства компьютера, начиная от процессора и кончая устройствами ввода и вывода. Существенной особенностью архитектуры ПК является наличие специализированных процессоров ввода/вывода, которые называются контроллерами. Их роль заключается в поддержке процессов обмена информацией для данного устройства, а также в согласовании со стандартной шиной всевозможных внешних устройств различных производителей.

Примечание. На схеме 3 пунктиром показана видеопамять, которая присоединена к общей магистрали. Подобное архитектурное решение применяется, например, на некоторых интегрированных платах. Однако в большинстве компьютеров видеопамять входит в состав контроллера дисплея (его плату в быту обычно называют видеокартой). При первоначальном знакомстве данный блок можно не рассматривать.

Благодаря шинной архитектуре в конфигурацию компьютера легко внести любые требуемые конкретному пользователю изменения.

Описанная схема также имеет "узкое место" – она требует высокой пропускной способности шины. Для преодоления указанной трудности в современных конструкциях используется несколько шин, каждая из которых связывает процессор с определенным устройством или группой устройств.