Принципы Неймана-Лебедева

В каждой области науки и техники существуют некоторые фундаментальные идеи или принципы, которые определяют ее содержание и развитие. В компьютерной науке роль таких фундаментальных идей сыграли принципы, сформулированные независимо друг от друга двумя гениями современной науки - американским математиком и физиком Джоном фон Нейманом и советским инженером и ученым Сергеем Лебедевым.

Как известно, первый электронный компьютер ЭНИАК был изготовлен в США в 1945 г. Блестящий анализ сильных и слабых сторон проекта ЭНИАК был дан в отчете Принстонского института перспективных исследований "Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства" (июнь 1946 г.). Этот отчет, составленный выдающимся американским математиком Джоном фон Нейманом и его коллегами по Принстонскому институту Г. Голдстайном и А. Берксом, представлял проект нового электронного компьютера. Идеи, высказанные в этом отчете, известные под названием "Неймановских Принципов", оказали серьезное влияние на развитие компьютерной техники.

    Сущность "Неймановских Принципов" состояла в следующем:
  1. Компьютеры на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления.
  2. Программа должна размещаться в одном из блоков компьютера - в запоминающем устройстве.
  3. Программа, так же как и числа, с которыми оперирует компьютер, записываются в двоичном коде, то есть по форме представления команды и числа однотипны.
  4. Трудности физической реализации запоминающего устройства большого быстродействия и большой памяти требуют иерархической организации памяти.
  5. Арифметическое устройство компьютера конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения.
  6. В компьютере используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над двоичными кодами осуществляются одновременно над всеми разрядами).

В Советском Союзе работы по созданию электронных компьютеров были начаты несколько позже. Первый советский электронный компьютер был изготовлен в Киеве в 1953 г. Он назывался МЭСМ (малая электронная счетная машина), а его главным конструктором был академик Сергей Лебедев, автор проектов компьютеров серии БЭСМ (большая электронная счетная машина). В проекте МЭСМ Сергей Лебедев независимо от Неймана пришел к тем же идеям конструирования электронных компьютеров, что и Нейман, - и в русской исторической литературе указанные выше принципы конструирования компьютеров называются также "Принципами Неймана-Лебедева".

Джон фон Нейман (1903-1957)Сергей Лебедев (1902-1974)
Джон фон Нейман (1903-1957)Сергей Лебедев (1902-1974)

Говоря об основоположниках теоретической информатики, нельзя не упомянуть о двух научных достижениях, алгебре логики и теории алгоритмов.

Алгебра логики была разработана в середине 19-го века английским математиком Джорджем Булем и рассматривалась им в качестве метода математизации формальной логики. Разработка электронных компьютеров на двухпозиционных электронных элементах создала возможным широкое использование "булевой логики" для проектирования компьютерных схем. В первой половине 30-х годов 20-го столетия появились математические работы, в которых была доказана принципиальная возможность решения с помощью автоматов любой проблемы, поддающейся алгоритмической обработке. Данное доказательство содержалось в опубликованных в 1936 г. работах английского математика А. Тьюринга и американского математика Э. Поста.

Джордж Буль (1815-1864)Алан Тьюринг (1912-1954)
Джордж Буль (1815-1864)Алан Тьюринг (1912-1954)

С точки зрения нашего Музея весьма интересной является информация о том, что числа Фибоначчи и золотое сечение были "хобби" Алана Тьюринга.

Снова обратимся к "принципам Неймана-Лебедева". Существенно подчеркнуть, что центральное место среди "принципов Неймана-Лебедева" занимает предложение об использовании двоичной системы счисления, что было обусловлено рядом обстоятельств. Во-первых, несомненными арифметическими достоинствами двоичной системы счисления, ее "оптимальным" согласованием с "булевой" логикой и простотой технической реализации двоичного элемента памяти (триггера).

Однако на определенном этапе развития компьютерной техники было обнаружено ряд недостатков классической двоичной системы счисления. Первым из них является так называемая "проблема представления отрицательных чисел". Как известно, отрицательные числа непосредственно не могут быть представлены в классической двоичной системе счисления, использующей только две двоичные цифры 0 и 1, без дополнительных "ухищрений". Основным "ухищрением" является использование специальных кодов для представления отрицательных чисел - обратного или дополнительного.

Второй недостаток двоичной системы счисления - ее "нулевая избыточность". Дело в том, что если в процессе передачи, хранения или обработки двоичной кодовой комбинации, например 10011010, под влиянием "помех", действующих в "канале", произойдет искажение данной кодовой комбинации и она перейдет в кодовую комбинацию 11010010 (искажения отдельных битов подчеркнуты), то, поскольку комбинация 11010010 (как и любая другая двоичная кодовая комбинация) является "разрешенной" в классической двоичной системы счисления, то не существует способа обнаружить данную ошибку без дополнительных "ухищрений", то есть без использования специальных методов избыточного кодирования.

Именно попытка преодолеть эти и другие недостатки и стимулировала использование в компьютерах новых систем счисления и развитие теории систем счисления. Но об этом на следующих страницах нашего Музея. Следуйте за нами!