Принципы фон неймана построения электронно вычислительной машины. Архитектура фон Неймана: история возникновения термина
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования Тюменской области
ТЮМЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ
МИРОВОЙ ЭКОНОМИКИ, УПРАВЛЕНИЯ И ПРАВА
Кафедра математики и информатики
по дисциплине
«ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ, СЕТИ И ТЕЛЕКОМУНИКАЦИИ»
«ПРИНЦИПЫ ФОН НЕЙМАНА»
1. Введение………………………………………………………………....2
2. Основные принципы архитектуры Джона фон Неймана…………….3
3. Структура ЭВМ…………………………………………………………3
4. Как работает машина Джона фон Неймана…………………………...4
5. Заключение……………………………………………………………...6
Список литературы………………………………………………………...8
Введение
С середины 60-х годов очень сильно изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместо разработки аппаратуры и средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из синтеза аппаратных (hardware) и программных (software) средств. При этом на главный план выдвинулась концепция взаимодействия. Так возникло новое понятие - архитектура ЭВМ.
Под архитектурой ЭВМ принято понимать совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их основных характеристик, определяющая функциональные возможности вычислительной машины при решении соответствующих типов задач.
Архитектура ЭВМ охватывает значительный круг проблем, связанных с созданием комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих большое количество определяющих факторов. Среди этих факторов основными являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство в эксплуатации, а одним из основных компонентов архитектуры считаются аппаратные средства.
Архитектуру вычислительного средства необходимо отличать от структуры, так как структура вычислительного средства определяет его текущий состав на определенном уровне детализации и описывает связи внутри средства. Архитектура же определяет основные правила взаимодействия составных элементов вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой необходимо для формирования правил взаимодействия. Она устанавливает не все связи, а только наиболее необходимые, которые должны быть известны для более грамотного использования применяемого средства.
Так, пользователю ЭВМ не важно, на каких элементах выполнены электронные схемы, схемно или программно исполняются команды и тому подобное. Архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, которые относятся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их программного обеспечения.
Архитектура ЭВМ включает в себя как структуру, отражающую состав ПК, так и программно – математическое обеспечение. Структура ЭВМ - совокупность элементов и связей между ними. Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление.
Основы учения об архитектуре вычислительных машин были заложены Джон фон Нейманом. Совокупность этих принципов породила классическую (фон-неймановскую) архитектуру ЭВМ.
Основные принципы архитектуры Джона фон Неймана
Джон фон Нейман (1903 – 1957) – американский математик, внесший большой вклад в создание первых ЭВМ и разработку методов их применения. Именно он заложил основы учения об архитектуре вычислительных машин, подключившись к созданию первой в мире ламповой ЭВМ ENIAC в 1944 году, когда ее конструкция была уже выбрана. В процессе работы, во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г.Голдстайном и А.Берксом, Джон фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. В 1946 году ученые изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства». С тех пор прошло более полувека, но выдвинутые в ней положения сохраняют свою актуальность и сегодня.
В статье убедительно обосновывается использование двоичной системы для представления чисел, в ведь ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде. Авторы продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации – текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.
Еще одной революционной идеей, значение которой трудно переоценить, является предложенный Нейманом принцип «хранимой программы». Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например, для изменения программы машины ENIAC требовалось несколько дней, в то время как собственно расчет не мог продолжаться более нескольких минут – выходили из строя лампы, которых было огромное количество. Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.
Структура ЭВМ
Джон фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ), обычно объединяемые в центральный процессор, в который также входит набор регистров общего назначения (РОН) – для промежуточного хранения информации в процессе ее обработки; память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Следует отметить, что внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком.
Архитектура ЭВМ, построенная на принципах Джон фон Неймана.
Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные – управляющих сигналов.
Как работает машина Джона фон Неймана
Теперь более подробно поговорим о том, как же работает машина построенная на данной архитектуре. Машина фон Неймана состоит из запоминающего устройства (памяти) – ЗУ, арифметико-логического устройства – АЛУ, устройства управления – УУ, а также устройств ввода и вывода, что видно их схемы и о чем говорилось ранее.
Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние ячейки памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных ячейках. У любой программы последняя команда должна быть командой завершения работы.
Команда состоит из указания, какую операцию следует выполнить и адресов ячеек памяти, где хранятся данные, над которыми следует выполнить указанную операцию, а также адреса ячейки, куда следует записать результат, если его требуется сохранить в ЗУ.
Арифметико-логическое устройство выполняет указанные командами операции над указанными данными. Из него результаты выводятся в память или устройство вывода.
Управляющее устройство (УУ) управляет всеми частями компьютера. От него на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии. Оно содержит специальный регистр (ячейку), который называется «счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы, а УУ считывает из памяти содержимое ячейки памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство - «Регистр команд». УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды.
АЛУ – обеспечивает арифметическую и логическую обработку двух переменных, в результате которых формируется выходная переменная. Функции АЛУ обычно сводятся к простым арифметическим и логическим операциям и операциям сдвига. Также формирует ряд признаков результата (флагов), характеризующих полученный результат и события, произошедшие в результате его получения (равенство нулю, знак, четность, переполнение). Флаги могут анализироваться УУ с целью принятия решения о дальнейшей последовательности выполнения команд.
В результате выполнения любой команды счетчик команд изменяется на единицу и, следовательно, указывает на следующую команду программы. Когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов, то специальная команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать управление.
Заключение
Итак, выделим ещё раз основные принципы, предложенные фон Нейманом:
· Принцип двоичного кодирования. Для представления данных и команд используется двоичная система счисления.
· Принцип однородности памяти. Как программы (команды), так и данные хранятся в одной и той же памяти (и кодируются в одной и той же системе счисления - чаще всего двоичной). Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
· Принцип адресуемости памяти. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.
· Принцип последовательного программного управления. Все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения другой.
· Принцип условного перехода. Команды из программы не всегда выполняются одна за другой. Возможно присутствие в программе команд условного перехода, которые изменяют последовательность выполнения команд в зависимости от значений данных. (Сам принцип был сформулирован задолго до Джона фон Неймана Адой Лавлейс и Чарльзом Бэббиджем, однако он логически включен в фон-неймановский набор как дополняющий предыдущий принцип.)
Джон фон Нейман внес огромный вклад в развитие первых ЭВМ и разработку методов их применения. Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название «фон-неймановской архитектуры». Принципы этой архитектуры широко используются и сегодня. Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день – фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины).
Устройство управления и арифметико-логическое устройство в современных компьютерах объединены в один блок – процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств (сюда относятся выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение различных, в том числе и арифметических, операций, согласование работы узлов компьютера).
У современных компьютеров запоминающее устройство, хранящее информацию и программы, «многоярусно». Оно включает в себя оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть необходимых для нее данных, некоторые управляющие программы), и внешние запоминающие устройства (ВЗУ) гораздо большей емкости, чем ОЗУ, но с существенно более медленным доступом. На ОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не заканчивается – определенные функции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоминающее устройство), и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), и другие подвиды компьютерной памяти.
По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет только в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.
Список литературы
1. Х.Крейгон. Архитектура компьютера и её реализация. Учебное пособие. – С-Пб., Мир, 2004.
2. Э.Таненбауэм. Архитектура компьютера. Научная литература. – С-Пб., Питер, 2003.
Сегодня трудно поверить, но компьютеры, без которых многие уже не могут представить свою жизнь, появились всего каких-то 70 лет назад. Одним из тех, кто сделал решающий вклад в их создание, был американский ученый Джон фон Нейман. Он предложил принципы, на которых и по сей день работает большинство ЭВМ. Рассмотрим, как работает машина фон Неймана.
Краткая биографическая справка
Янош Нейман родился в 1930 году в Будапеште, в очень состоятельной еврейской семье, которой впоследствии удалось получить дворянский титул. Он с детства отличался выдающимися способностями во всех областях. В 23 года Нейман уже защитил кандидатскую диссертацию в области экспериментальной физики и химии. В 1930-м молодого ученого пригласили на работу в США, в Одновременно с этим Нейман стал одним из первых сотрудников Института перспективных исследований, где проработал профессором до конца жизни. Научные интересы Неймана были довольно обширны. В частности, он является одним из создателей матаппарата квантовой механики и концепции клеточных автоматов.
Вклад в информатику
Прежде чем выяснить, какому принципу не соответствует архитектура фон Неймана, будет интересно узнать о том, как ученый пришел к идее создания вычислительной машины современного типа.
Будучи экспертом в области математики взрывов и ударных волн, в начале 1940-х фон Нейман являлся научным консультантом в одной из лабораторий Управления боеприпасов Армии Соединенных Штатов. Осенью 1943 года он прибыл в Лос-Аламос для участия в разработке Манхеттэнского проекта по личному приглашению его руководителя Перед ним была поставлена задача рассчитать силу имплозийного сжатия заряда атомной бомбы до критической массы. Для ее решения требовались большие вычисления, которые на первых порах осуществлялись на ручных калькуляторах, а позже на механических табуляторах фирмы IBM, с использованием перфокарт.
Познакомился с информацией о ходе создания электронно-механических и полностью электронных компьютеров. Вскоре его привлекли к разработке компьютеров EDVAC и ENIAC, в результате чего он начал писать работу «Первый проект отчета о EDVAC», оставшуюся неоконченной, в которой представил научному сообществу совершенно новую идею о том, какой должна быть компьютерная архитектура.
Принципы фон Неймана
Информатика как наука к 1945 году зашла в тупик, так как все хранили в своей памяти обрабатываемые числа в 10-м виде, а программы для совершения операций задавались посредством установки перемычек на коммутационной панели.
Это значительно ограничивало возможности компьютеров. Настоящим прорывом стали принципы фон Неймана. Кратко их можно выразить одним предложением: переход к двоичной системе счисления и принцип хранимой программы.
Анализ
Рассмотрим, на каких принципах основана классическая структура машины фон Неймана, более подробно:
1. Переход к двоичной системе от десятиричной
Этот принцип неймановской архитектуры позволяет использовать достаточно простые логические устройства.
2. Программное управление электронной вычислительной машиной
Работа ЭВМ контролируется набором команд, выполняемых последовательно друг за другом. Разработка первых машины с программой, хранимой в памяти, положила начало современному программированию.
3. Данные и программы в памяти компьютера хранятся совместно
При этом и данные, и команды программы имеют одинаковый способ записи в двоичной системе счисления, поэтому в определенных ситуациях над ними возможно выполнение тех же действий, что и над данными.
Следствия
Кроме того, архитектура Фоннеймановской машины обладает следующими особенностями:
1. Ячейки памяти имеют адреса, которые пронумерованы последовательно
Благодаря применению этого принципа стало возможным использование переменных в программировании. В частности, в любой момент можно обратиться к той или иной ячейке памяти по ее адресу.
2. Возможность условного перехода в ходе выполнения программы
Как уже было сказано, команды в программах должны выполняться последовательно. Однако предусмотрена возможность совершить переход к любому участку кода.
Как работает машина фон Неймана
Такая математическая модель состоит из запоминающего (ЗУ), управляющего, а также устройств ввода и вывода. Все команды программы записываются в ячейках памяти, расположенных по соседству, а данные для их обработки — в произвольных ячейках.
Любая команда должна состоять из:
- указания, какая операция должна быть выполнена;
- адресов ячеек памяти, в которых хранятся исходные данные, затрагиваемые указанной операцией;
- адресов ячеек, в которые следует записать результат.
Указанные командами операции над конкретными исходными данными выполняются АЛУ, а результаты записываются в ячейках памяти, т. е. сохраняются в виде, удобном для последующей машинной обработки, либо передаются на устройство вывода (монитор, принтер и пр.) и становятся доступны человеку.
УУ управляет всеми частями ЭВМ. От него на остальные устройства поступают сигналы-приказы «что делать», а от других устройств оно получает информацию о то, в каком состоянии они находятся.
У управляющего устройства есть специальный регистр, называемый «счетчиком команд» СК. После загрузки исходных данных и программы в память, СК записывается адрес ее 1-й команды. УУ считывает из памяти ЭВМ содержимое ячейки, адрес которой находится в СК, и помещает его в «Регистр команд». Управляющее устройство определяет операцию, соответствующую конкретной команде, и «отмечает» в памяти компьютера данные, адреса которых в ней указаны. Далее АЛУ или ЭВМ приступают к выполнению операции, по завершении которой содержимое СК изменяется на единицу, т. е. указывает на следующую команду.
Критика
Недостатки и современные перспективы продолжают оставаться предметом дискуссий. То, что машины, созданные на принципах, выдвинутых этим выдающимся ученым, не совершенны, было замечено еще очень давно.
Поэтому в экзаменационных билетах по информатике нередко можно встретить вопрос "какому принципу не соответствует архитектура фон Неймана и какие недостатки у нее есть".
При ответе на его вторую часть обязательно следует указать:
- на наличие семантического разрыва между языками программирования высокого уровня и системой команд;
- на проблему согласования ОП и пропускной способности процессора;
- на намечающийся кризис программного обеспечения, вызванный тем, что расходы на его создание являются намного ниже стоимости разработки аппаратных средств, и нет возможности полного тестирования программы;
- отсутствие перспектив с точки зрения быстродействия, так как уже достигнут его теоретический предел.
Что касается того, какому принципу не соответствует архитектура фон Неймана, то речь идет о параллельности организации большого числа потоков данных и команд, свойственной многопроцессорной архитектуре.
Заключение
Теперь вам известно, какому принципу не соответствует архитектура фон Неймана. Очевидно, что наука и технологии не стоят на месте, и, возможно, очень скоро в каждом доме появятся компьютеры совершенно нового типа, благодаря которым человечество выйдет на новый уровень своего развития. Кстати, подготовиться к экзамену поможет программа-тренажер "Архитектура фон Неймана". Такие цифровые образовательные ресурсы облегчают усвоение материала и дают возможность оценить свои знания.
Право и ОСО
Урок 9. Магистрально-модульный принцип построения компьютера.
Задание: используя учебный текст ответить на следующие вопросы (записать в тетрадь).
1. Кто был основоположником магистрально-модульного принципа современной архитектуры ПК.
2. Архитектура компьютера – это…
3. Перечислите основные принципы положенные в основу магистрально-модульного построения архитектуры ПК.
4. Из каких частей состоит магистраль?
5. Для чего нужен интерфейс устройств?
6. Что используется для согласования интерфейсов? По какой схеме работает данное согласование (зарисуйте схему)?
7. Как происходит обработка данных на компьютере?
8. Изобразите схематично магистрально-модульный принцип ПК.
9. Магистраль-это …
10. Для чего служат шина управления, шина адреса, шина данных?
12. Что позволяет модульный принцип пользователю ПК? Перечислите основные достоинства модульно-магистрального принципа.
Д/з. Ответить на вопросы, подготовиться к ответу по учебному тексту.
Учебный текст
Магистрально-модульный принцип построения компьютера
Вспомним информацию, полученную на предыдущих занятиях:
Компьютер – это электронное устройство, предназначенное для работы с информацией, а именно введение, обработку, хранение, вывод и передачу информации. Кроме того, ПК представляет собой единое двух сущностей – аппаратной и программной частей.
Архитектура компьютера - это описание его логической организации, ресурсов и принципов функционирования его структурных элементов. Включает основные устройства ЭВМ и структуру связей между ними.
Обычно, описывая архитектуру ЭВМ, особое внимание уделяют тем принципам ее организации, которые характерны для большинства машин, относящихся к описываемому семейству, а также оказывающие влияние на возможности программирования.
В основу архитектуры современных компьютеров положены принципы Джона фон Неймана и магистрально-модульный принцип.
В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В последствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальны и сегодня.
По сути, Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципиально новое.
Принципы фон Неймана
1. Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах . Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.
2. Программное управление ЭВМ . Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.
3. Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ . При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.
4. Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы . В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.
5. Возможность условного перехода в процессе выполнения программы . Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.
6. Наличие устройств ввода и вывода информации . Именно эти устройства являются базовыми и достаточными для работы компьютера на пользовательском уровне.
7. Принцип открытой архитектуры – правила построения компьютера, в соответствии с которыми каждый новый блок должен быть совместим со старым и легко устанавливаться в том же месте в компьютере. В компьютере столь же легко можно заменить старые блоки на новые, где бы они ни располагались, в результате чего работа компьютера не только не нарушается, но и становится более производительной. Этот принцип позволяет не выбрасывать, а модернизировать ранее купленный компьютер, легко заменяя в нем устаревшие блоки на более совершенные и удобные, а также приобретать и устанавливать новые блоки. Причем во всех разъемы для их подключения являются стандартными и не требуют никаких изменений в самой конструкции компьютера.
Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.
Компьютер не является неделимым, цельным объектом. Он состоит из некоторого количества устройств – модулей. (Комплектовать свой компьютер из этих модулей пользователь может по собственному желанию). Для каждого устройства в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером, или адаптером. некоторые контроллеры могут управлять сразу несколькими устройствами. Все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную магистраль (набор электронных линий. Шина - это кабель, состоящий из множества проводов.
Магистраль обеспечивает обмен данными между устройствами компьютера.
Магистраль состоит из трех частей:
1. Шина адреса, на которой устанавливается адрес требуемой ячейки памяти или устройства, с которым будет происходить обмен информацией.
2. Шина данных , по которой будет передаваться необходимая информация.
3. Шина управления , регулирующая этот процесс. (по шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Эти сигналы показывают – какую операцию следует производить).
Для того, чтобы компьютер функционировал правильно, необходимо, чтобы все его устройства работали дружно, «понимали» друг друга и «не конфликтовали». Это обеспечивается благодаря одинаковому интерфейсу, который имеют все устройства компьютера.
Интерфейс – это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой.
Так как обмен данными между устройствами происходит через магистраль, то для согласования интерфейсов все внешние устройства подключаются в шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты.
Порты бывают последовательные и параллельные. К последовательным портам присоединяют медленно действующие или удаленные устройства (мышь, модем), а к параллельным более быстрые (сканер, принтер). Клавиатура и монитор подсоединяется к специализированным портам.
Для того, чтобы по ошибке или незнанию не подключить устройство к чужому порту, каждое устройство имеет индивидуальную форму штекера, не подходящую к «чужому» разъему.
Информация, представленная в цифровой форме и обрабатываемая на компьютере, называется данными .
Последовательность команд, которую выполняет компьютер в процессе обработки данных, называется программой .
Обработка данных на компьютере:
1. Пользователь запускает программу, хранящуюся в долговременной памяти, она загружается в оперативную и начинает выполняться.
2. Выполнение: процессор считывает команды и выполняет их. Необходимые данные загружаются в оперативную память из долговременной памяти или вводятся с помощью устройств ввода.
3. Выходные (полученные) данные записываются процессором в оперативную или долговременную память, а также предоставляются пользователю с помощью устройств вывода информации.
Для обеспечения информационного обмена между различными устройствами должна быть предусмотрена какая-то магистраль для перемещения потоков информации.
Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления, которые представляют собой многопроводные линии. К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией на машинном языке (последовательностями нулей и единиц в форме электрических импульсов).
Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении, т. е. шина данных является двунаправленной. К основным режимам работы процессора с использованием шины данных можно отнести следующие: запись/чтение данных из оперативной памяти, запись/чтение данных из внешней памяти, чтение данных с устройства ввода, пересылка данных на устройство вывода.
Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, то есть количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться или передаваться процессором одновременно. Разрядность процессоров постоянно увеличивается по мере развития компьютерной техники.
Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении - от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).
Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти (адресное пространство), то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса.
Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:
N=2 I , где I – разрядность шины адреса.
Каждой шине соответствует свое адресное пространство, т. е. максимальный объем адресуемой памяти:
2 16 = 64 Кб
2 20 = 1 Мб
2 24 = 16 Мб
2 32 = 4 Гб
Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления показывают, какую операцию - считывание или запись информации из памяти - нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и так далее.
Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Каждая отдельная функция компьютера реализуется одним или несколькими модулями – конструктивно и функционально законченных электронных блоков в стандартном исполнении. Организация структуры компьютера на модульной основе аналогична строительству блочного дома.
Магистрально-модульный принцип имеет ряд достоинств:
1. для работы с внешними устройствами используются те же команды процессора, что и для работы с памятью.
2. подключение к магистрали дополнительных устройств не требует изменений в уже существующих устройствах, процессоре, памяти.
3. меняя состав модулей можно изменять мощность и назначение компьютера в процессе его эксплуатации.
Такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана», однако соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают принцип хранения данных и инструкций в одной памяти.
Энциклопедичный YouTube
-
1 / 5
Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил фон Нейман в 1944 году, когда подключился к созданию первого в мире лампового компьютера ЭНИАК . В процессе работы над ЭНИАКом в в Пенсильванском Университете во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Джоном Уильямом Мокли , Джоном Экертом , Германом Голдстайном и Артуром Бёрксом, возникла идея более совершенной машины под названием EDVAC . Исследовательская работа над EDVAC продолжалась параллельно с конструированием ЭНИАКа.
В марте 1945 года принципы логической архитектуры были оформлены в документе, который назывался «Первый проект отчёта о EDVAC » - отчет для Баллистической Лаборатории Армии США, на чьи деньги осуществлялась постройка ЭНИАКа и разработка EDVACа . Отчет, поскольку он являлся всего лишь наброском, не предназначался для публикации, а только для распространения внутри группы, однако Герман Голдстайн - куратор проекта со стороны Армии США - размножил эту научную работу и разослал её широкому кругу ученых для ознакомления. Так как на первой странице документа стояло только имя фон Неймана , у читавших документ сложилось ложное впечатление, что автором всех идей, изложенных в работе, является именно он. Документ давал достаточно информации для того, чтобы читавшие его могли построить свои компьютеры, подобные EDVACу на тех же принципах и с той же архитектурой, которая в результате стала называться «архитектурой фон Неймана».
После завершения Второй Мировой войны и окончания работ над ЭНИАКом в феврале 1946 года команда инженеров и ученых распалась, Джон Мокли , Джон Экерт решили обратиться в бизнес и создавать компьютеры на коммерческой основе. Фон Нейман, Голдстайн и Бёркс перешли в , где решили создать свой компьютер «IAS-машина », подобный EDVACу , и использовать его для научно-исследовательской работы. В июне 1946 года они изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства» . С тех пор прошло более полувека, но выдвинутые в ней положения сохраняют свою актуальность и сегодня. В статье убедительно обосновывается использование двоичной системы для представления чисел, а ведь ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде. Авторы продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации - текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.
Помимо машин, работавших с двоичным кодом, существовали и существуют троичные машины . Троичные компьютеры имеют ряд преимуществ и недостатков перед двоичными. Среди преимуществ можно выделить быстродействие (операции сложения выполняются примерно в полтора раза быстрее), наличие двоичной и троичной логики, симметричное представление целых чисел со знаком (в двоичной логике либо будут иметь место два нуля (положительный и отрицательный), либо будет иметь место число, которому нет пары с противоположным знаком). К недостаткам - более сложная реализация по сравнению с двоичными машинами.
Ещё одной революционной идеей, значение которой трудно переоценить, является принцип «хранимой программы». Первоначально программа задавалась путём установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например, для изменения программы машины ЭНИАК требовалось несколько дней, в то время как собственно расчет не мог продолжаться более нескольких минут - выходили из строя лампы, которых было огромное количество. Однако программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причём в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.
Наличие заданного набора исполняемых команд и программ было характерной чертой первых компьютерных систем. Сегодня подобный дизайн применяют с целью упрощения конструкции вычислительного устройства. Так, настольные калькуляторы , в принципе, являются устройствами с фиксированным набором выполняемых программ. Их можно использовать для математических расчётов, но почти невозможно применить для обработки текста и компьютерных игр , для просмотра графических изображений или видео . Изменение встроенной программы для такого рода устройств требует практически полной их переделки, и в большинстве случаев невозможно. Впрочем, перепрограммирование ранних компьютерных систем всё-таки выполнялось, однако требовало огромного объёма ручной работы по подготовке новой документации , перекоммутации и перестройки блоков и устройств и т. п.
Всё изменила идея хранения компьютерных программ в общей памяти. Ко времени её появления использование архитектур, основанных на наборах исполняемых инструкций , и представление вычислительного процесса как процесса выполнения инструкций, записанных в программе, чрезвычайно увеличило гибкость вычислительных систем в плане обработки данных. Один и тот же подход к рассмотрению данных и инструкций сделал лёгкой задачу изменения самих программ.
Принципы фон Неймана
Принцип однородности памяти Принципиальное отличие архитектуры "фон Неймана" (принстонской) от "Гарвардской ". Команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти неразличимы. Распознать их можно только по способу использования; то есть одно и то же значение в ячейке памяти может использоваться и как данные, и как команда, и как адрес в зависимости лишь от способа обращения к нему. Это позволяет производить над командами те же операции, что и над числами, и, соответственно, открывает ряд возможностей. Так, циклически изменяя адресную часть команды, можно обеспечить обращение к последовательным элементам массива данных. Такой прием носит название модификации команд и с позиций современного программирования не приветствуется. Более полезным является другое следствие принципа однородности, когда команды одной программы могут быть получены как результат исполнения другой программы. Эта возможность лежит в основе трансляции - перевода текста программы с языка высокого уровня на язык конкретной вычислительной машины. Принцип адресности Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причём процессору в произвольный момент доступна любая ячейка. Двоичные коды команд и данных разделяются на единицы информации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, а для доступа к ним используются номера соответствующих ячеек - адреса. Принцип программного управления Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов - команд. Каждая команда предписывает некоторую операцию из набора операций, реализуемых вычислительной машиной. Команды программы хранятся в последовательных ячейках памяти вычислительной машины и выполняются в естественной последовательности, то есть в порядке их положения в программе. При необходимости, с помощью специальных команд, эта последовательность может быть изменена. Решение об изменении порядка выполнения команд программы принимается либо на основании анализа результатов предшествующих вычислений, либо безусловно. Принцип двоичного кодирования Согласно этому принципу, вся информация, как данные, так и команды, кодируются двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип информации представляется двоичной последовательностью и имеет свой формат. Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. В числовой информации обычно выделяют поле знака и поле значащих разрядов. В формате команды в простейшем случае можно выделить два поля: поле кода операции и поле адресов.
Компьютеры, построенные на принципах фон Неймана
По плану, первым компьютером, построенным по архитектуре фон Неймана, должен был стать EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) - одна из первых электронных вычислительных машин. В отличие от своего предшественника ЭНИАКа, это был компьютер на двоичной, а не десятичной основе. Как и ЭНИАК, EDVAC был разработан в Институте Мура Пенсильванского Университета для Лаборатории баллистических исследований (англ.) Армии США командой инженеров и учёных во главе с Джоном Преспером Экертом (англ.) и Джоном Уильямом Мокли при активной помощи математика], однако до 1951 года EDVAC не был запущен из-за технических трудностей в создании надёжной компьютерной памяти и разногласий в группе разработчиков. Другие научно-исследовательские институты, ознакомившись с ЭНИАКом и проектом EDVAC, сумели решить эти проблемы гораздо раньше. Первыми компьютерами, в которых были реализованы основные особенности архитектуры фон Неймана, были:
- прототип - Манчестерская малая экспериментальная машина - Манчестерский университет , Великобритания, 21 июня 1948 года;
- EDSAC - Кембриджский университет , Великобритания, 6 мая 1949 года;
- Манчестерский Марк I - Манчестерский университет , Великобритания, 1949 год;
- BINAC - США, апрель или август 1949 года;
- CSIR Mk 1
- EDVAC - США, август 1949 года - фактически запущен в 1952 году;
- CSIRAC - Австралия, ноябрь 1949 года;
- SEAC - США, 9 мая 1950 года;
- ORDVAC - США, ноябрь 1951 года;
- IAS-машина - США, 10 июня 1952 года;
- MANIAC I - США, март 1952 года;
- AVIDAC - США, 28 января 1953 года;
- ORACLE - США, конец 1953 года;
- WEIZAC - Израиль, 1955 год;
- SILLIAC - Австралия, 4 июля 1956 года.
В СССР первой полностью электронной вычислительной машиной, близкой к принципам фон Неймана, стала МЭСМ , построенная Лебедевым (на базе киевского Института электротехники АН УССР), прошедшая государственные приемочные испытания в декабре 1951 года.
Узкое место архитектуры фон Неймана
Совместное использование шины для памяти программ и памяти данных приводит к узкому месту архитектуры фон Неймана, а именно ограничению пропускной способности между процессором и памятью по сравнению с объёмом памяти. Из-за того, что память программ и память данных не могут быть доступны в одно и то же время, пропускная способность канала "процессор-память" и скорость работы памяти существенно ограничивают скорость работы процессора - гораздо сильнее, чем если бы программы и данные хранились в разных местах. Так как скорость процессора и объём памяти увеличивались гораздо быстрее, чем пропускная способность между ними, узкое место стало большой проблемой, серьёзность которой возрастает с каждым новым поколением процессоров [ ] ; данная проблема решается совершенствованием систем кэширования, а это порождает множество новых проблем [каких? ] .
Термин «узкое место архитектуры фон Неймана» ввел Джон Бэкус в 1977 в своей лекции «Можно ли освободить программирование от стиля фон Неймана?», которую он прочитал при вручении ему Премии Тьюринга
Ученые из США и Италии в 2015 заявили о создании прототипа мем-процессора (английское memprocessor) с отличной от фон-неймановской архитектурой и возможности его использования для решения -полных задач .
См. также
Литература
- Herman H. Goldstine. The Computer from Pascal to von Neumann . - Princeton University Press, 1980. - 365 p. - ISBN 9780691023670 . (англ.)
- William Aspray. John von Neumann and the Origins of Modern Computing . - MIT Press, 1990. - 394 p. - ISBN 0262011212 . (англ.)
- Scott McCartney. ENIAC: The Triumphs and Tragedies of the World"s First Computer . - Berkley Books, 2001. - 262 p. -
Архитектура ЭВМ и принципы фон Неймана
Термин «архитектура» используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных логических узлов ЭВМ. Архитектура – это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из которых строится ЭВМ.
Основы учения об архитектуре ЭВМ заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Первая ЭВМ "Эниак" была создана в США в 1946 г. В группу создателей входил фон Нейман , который и предложил основные принципы построения ЭВМ : переход к двоичной системе счисления для представления информации и принцип хранимой программы.
Программу вычислений предлагалось помещать в запоминающем устройстве ЭВМ, что обеспечивало бы автоматический режим выполнения команд и, как следствие, увеличение быстродействия ЭВМ. (Напомним, что ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде, а программы задавались путём установки перемычек на специальной коммутационной панели.) Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причём в той же памяти, что и обрабатываемые ею числа.
Основные принципы построения ЭВМ :
1. Любую ЭВМ образуют три основных компонента: процессор, память и устр. ввода-вывода (УВВ).
2. Информация, с которой работает ЭВМ, делится на два типа:
- набор команд по обработке (программы); данные подлежащие обработке.
3. И команды, и данные вводятся в память (ОЗУ) – принцип хранимой программы .
4. Руководит обработкой процессор, устройство управления (УУ) которого выбирает команды из ОЗУ и организует их выполнение, а арифметико-логическое устройство (АЛУ) проводит арифметические и логические операции над данными.
5. С процессором и ОЗУ связаны устройства ввода-вывода (УВВ).
Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ.
Внешнее запоминающее устройство (ВЗУ)
Рис. 1. Архитектура ЭВМ Конец формы,
построенной на принципахОперативное запоминающее устройство (ОЗУ)
фон Неймана
- направление потоков информации; - направление управляющих сигналов от процессора к остальным узлам ЭВМ
Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название «фон Неймановской архитектуры». Подавляющее большинство ВМ на сегодняшний день – фон-неймановские машины .
Появление третьего поколения ЭВМ было обусловлено переходом от транзисторов к интегральным микросхемам, что привело к росту быстродействия процессора. Теперь процессор был вынужден простаивать, ожидая информации от более медленных устройств ввода-вывода, и это снижало эффективность работы всей ЭВМ в целом. Для решения этой проблемы были созданы специальные схемы управления работой внешних устройств, или просто контроллеры .
Архитектура современных персональных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе . Информационная связь между устройствами компьютера осуществляется через системную шину (другое название - системная магистраль).
Шина - это кабель, состоящий из множества проводников. По одной группе проводников - шине данных передаётся обрабатываемая информация, по другой - шине адреса - адреса памяти или внешних устройств, к которым обращается процессор. Третья часть магистрали - шина управления , по ней передаются управляющие сигналы (например, сигнал готовности устройства к работе, сигнал к началу работы устройства и др).
Как работает системная шина? Мы уже говорили, что единичные и нулевые биты существуют только в головах программистов. Для процессора реальны только напряжения на его контактах. Каждый контакт соответствует одному биту, и процессору нужно различать только две градации напряжения: есть-нет, высокое-низкое. Поэтому адрес для процессора – это последовательность напряжений на специальных контактах, называемых шиной адреса. Можно представить себе, то после того, как на контактах шины адреса выставляются напряжения, на контактах шины данных появляются напряжения, кодирующие хранящееся по указанному адресу число. Эта картина очень грубая, потому что для извлечения данных из памяти необходимо время. Чтобы не запутаться, работой процессора управляет специальный тактовый генератор. Он вырабатывает импульсы, которые делят работу процессора на отдельные шажки. Единицей времени процессора служит один такт, т. е. промежуток между двумя импульсами тактового генератора.
Напряжения, появляющиеся на шине адреса процессора, называются физическим адресом. В реальном режиме процессор работает только с физическими адресами. Наоборот, защищённый режим процессора интересен тем, что программа работает с логическими адресами, а процессор незримо преобразует их в физические. Система Windows использует защищённый режим работы процессора. Современные ОС и программы требуют столько памяти, что защищённый режим работы процессора стал гораздо «реальнее» его реального режима.
Системная шина характеризуется тактовой частотой и разрядностью. Количество одновременно передаваемых по шине бит называется разрядностью шины . Тактовая частота характеризует число элементарных операций по передаче данных в 1 секунду. Разрядность шины измеряется в битах, тактовая частота – в мегагерцах.
Всякая информация, передаваемая от процессора к другим устройствам по шине данных, сопровождается адресом , передаваемым по адресной шине. Это может быть адрес ячейки памяти или адрес периферийного устройства. Необходимо, чтобы разрядность шины позволила передать адрес ячейки памяти. Таким образом, словами разрядность шины ограничивает объем оперативной памяти ЭВМ, он не может быть больше чем , где n – разрядность шины. Важно, чтобы производительности всех подсоединённых к шине устройств были согласованы. Неразумно иметь быстрый процессор и медленную память или быстрый процессор и память, но медленный винчестер.
Рис. 2. Схема устройства компьютера, построенного по магистральному принципу
В современных ЭВМ реализован принцип открытой архитектуры, позволяющий пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости её модернизацию.
Конфигурацией компьютера называют фактический набор компонентов ЭВМ, которые составляют компьютер. Принцип открытой архитектуры позволяет менять состав устройств ЭВМ. К информационной магистрали могут подключаться дополнительные периферийные устройства, одни модели устройств могут заменяться другими.
Аппаратное подключение периферийного устройства к магистрали на физическом уровне осуществляется через специальный блок - контроллер (другие названия - адаптер, плата, карта). Для установки контроллеров на материнской плате имеются специальные разъёмы - слоты .
Программное управление работой периферийного устройства производится через программу - драйвер , которая является компонентой операционной системы. Так как существует огромное количество разнообразных устройств, которые могут быть установлены в компьютер, то обычно к каждому устройству поставляется драйвер, взаимодействующий непосредственно с этим устройством.
Связь компьютера с внешними устройствами осуществляется через порты – специальные разъёмы на задней панели компьютера. Различают последовательные и параллельные порты. Последовательные (COM – порты) служат для подключения манипуляторов, модема и передают небольшие объёмы информации на большие расстояния. Параллельные (LPT - порты) служат для подключения принтеров, сканеров и передают большие объёмы информации на небольшие расстояния. В последнее время широкое распространение получили последовательные универсальные порты (USB), к которым можно подключать различные устройства.
