Rafael Lahoz-Beltra - Размышления о думающих машинах. Тьюринг. Компьютерное исчисление

Джон фон Нейман рядом с компьютером IAS.

Еще одним достижением фон Неймана является введение понятия самовоспроизводящейся машины, то есть автомата, способного создавать другие автоматы и обладающего свойством самовоспроизведения подобно микроорганизмам или бактериям. В Манхэттенском проекте фон Нейман совместно с математиком Станиславом Уламом (1909-1984) разработал метод Монте-Карло — вид численных методов с широким применением, в которых используются компьютер и случайные числа. Выяснив, что разрушительная сила бомбы больше, если она сдетонирует до момента столкновения с землей, фон Нейман рассчитал, на какой высоте должны взорваться бомбы над Хиросимой и Нагасаки, чтобы взрыв причинил как можно больший ущерб. В 1957 году ученый умер от рака. Его последняя работа «Компьютер и мозг» была опубликована посмертно.

В 1944 году он присоединился к команде, строившей ENI АС, для того чтобы усовершенствовать и исправить некоторые ограничения и недостатки этой довольно примитивной машины. Результаты его работы были воплощены в следующем после ENIAC поколении компьютеров. Два самых известных — EDVAC (Electronic Discrete Automatic Computer) и ORDVAC (Ordnance Discrete Variable Automatic Computer). ORDVAC был первой машиной в истории, для которой был написан компилятор для языка программирования FORAST. Пользователь писал программу на исходном коде, а компилятор переводил ее в исполняемую версию, машинный код.

В 1945 году фон Нейман опубликовал знаменитый доклад «Первый черновик отчета о EDVAC» (First Draft of a Report on EDVAC), где излагались принципы архитектуры фон Неймана (см. схему).

Ученый попытался определить, каким образом, с точки зрения логики, должны быть организованы компоненты компьютера, не учитывая электронных комплектующих. С тех пор этой модели следуют все разработчики компьютеров. Согласно архитектуре фон Неймана, компьютер состоит из следующих элементов.

— Устройство ввода, или input ("например, клавиатура для ввода данных).

— Выходное устройство, или output (например, монитор, на котором видны результаты операций).

— Арифметико-логическое устройство (АЛУ): выполняет арифметические (суммирование, вычитание, умножение, деление) и логические операции. К логическим операциям относятся операции сравнения, допустим в такой задаче: проверить, является ли А меньше, чем В(А< В), или условные выражения, например на языке BASIC-256 выражение IF-THEN:

if chr(a) = "A" then

print "Ты нажал на А!!!"

Также это могут быть повторяющиеся задачи или операторы цикла. Например, в этой версии языка BASIC мы можем записать символы кода ASCII, используя оператор цикла FOR-ТО:

for i=l to 256

print chr(i)

next i

— Контрольное устройство — элемент, управляющий обработкой команд программы. Например, в программе BASIC-256 последовательность инструкций rem, clg, f astgraphics... должна выполняться одна за другой в порядке появления. Еще одна задача контрольного устройства — интерпретировать значения инструкции и передавать их АЛУ. Например, если в кодовой строке стоит оператор *, АЛУ дается указание осуществить операцию умножения.

— Для того чтобы программа выполнялась, она должна храниться в основной памяти. В современных компьютерах основная память — это память ОЗУ.

В 1948 году Тьюринг ушел из Национальной физической лаборатории (NPL) и начал работать в Манчестерском университете. Там уже трудился его друг и учитель Макс Ньюман, математик из Кембриджа, который принимал участие в разработке и строительстве Colossus в Блетчли-парке. Ученые хотели организовать в университете лабораторию для разработки и конструирования компьютеров для научных, а не военных целей. Этот амбициозный проект начался под покровительством Королевского общества, одного из старейших научных обществ Британии, обладавшего высоким авторитетом в Европе. Так появилась вычислительная лаборатория Королевского общества в Манчестерском университете. Тьюринг взял на себя задачу разработки программ по численному анализу — разделу математики, занимающемуся созданием алгоритмов для решения с помощью компьютера задач по оптимизации, интегральному исчислению, дифференциальных уравнений, операций с матрицами и других, то есть для всех инструментов прикладной математики. После разработки программ должен был появиться компьютер для их выполнения.

Несмотря на азарт, с которым Тьюринг принялся за программирование, он никогда не оставлял спорт и даже стал кандидатом на участие в Олимпийских играх 1948 года, правда, в конце концов ученый не вошел в сборную Королевства.

В этой лаборатории появилось еще одно британское изобретение — компьютер, сначала названный Baby. Позже популярным стало название MADAM — сокращение от Manchester Automatic Digital Machine (Манчестерская автоматическая цифровая машина), но официально он назывался Manchester Mark I. Его создателями были Фредерик Уильямс (1911-1977) и Том Килбурн (1921-2001). Запуск компьютера был осуществлен весной 1948 года. У него была основная память и электронно-лучевая трубка, направлявшая поток электронов на стеклянный экран со свинцово-фосфорным покрытием. Manchester Mark I мог хранить программу с 17 командами в виде изображения на экране.

Язык Тьюринга, названный так в его честь, был создан в 1982 году Риком Хольтом и Джеймсом Корди в Университете Торонто (Канада). Этот язык программирования похож на Pascal и используется для изучения программирования студентами вузов. Существует несколько версий этого языка: классическая, объектно-ориентированная и Turing Plus. С 2007 года предприятие Holt Software Associates, занимающееся этой версией, прекратило участие в проекте, но среду разработки можно бесплатно скачать на http://compsci.ca/holtsoft/ . Как и многие другие языки программирования, этот также считается Тьюринг-полным, так как с его помощью можно написать любую программу, которую способна выполнить универсальная машина Тьюринга. Примерами неполных по Тьюрингу систем являются формулы листов для расчетов, например Excel, или XML, используемый в интернете для обмена информацией в структурированном формате. Простой пример такой программы:

put "Привет, Тьюринг!", при ее выполнении мы получаем:

Привет, Тьюринг!

В ту эпоху в разработке компьютеров фундаментальной проблемой стала система памяти. Любопытно, что мысль о необходимости основной памяти для временного хранения программы была высказана Тьюрингом еще в 1936 году, и память была одним из элементов машины Тьюринга. Идея использования для памяти электронно-лучевой трубки принадлежала Уильямсу, эксперту по радарам, обратившемуся после войны к компьютерным разработкам. Так родилась трубка Уильямса, представлявшая собой первую в мире систему основной памяти, эквивалента сегодняшнего ОЗУ Электронно-лучевая трубка хранила на экране знаки 0 и 1 в виде точек и вертикальных тире соответственно. Устройство памяти Уильямса использовалось на компьютерах Манчестерского университета и максимально могло хранить 1024 бита, или 128 байт (байт — последовательность из 8 бит). Эта система хранения была дополнена магнитным барабаном, который, как и жесткий диск сегодня, выполнял функции вспомогательной памяти.