Появление эвм, принципы фон неймана. Принципы фон Неймана построения электронно-вычислительной машины Архитектура фон неймана основные принципы построения

В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В дальнейшем 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.

Принцип программного управления: программа состоит из набора команд, выполняющихся процессором определённой последовательности.

Принцип однородности памяти: программы и данные хранятся в одной и той же памяти.

Принцип адресности: структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Компьютеры, построенные на перечисленных принципах, относятся к типу фон – неймановских.

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. Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было хранимой в памяти программы) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) мог потребоваться далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться годы, однако они работают на миллионах компьютеров, установка программ не требует значительных временных затрат.

Помимо перечисленных трёх принципов фон Нейман предложил принцип двоичного кодирования - для представления данных и команд используется двоичная система счисления (первые машины использовали десятичную систему счисления). Но последующие разработки показали, возможность использования нетрадиционных систем счисления.

В начале 1956 г. по инициативе академика С.Л. Соболева, заведующего кафедрой вычислительной математики на механико-математическом факультете Московского университета, в вычислительном центре МГУ был учрежден отдел электроники и стал работать семинар с целью создать практичный образец цифровой вычислительной машины, предназначенной для использования в вузах, а также в лабораториях и конструкторских бюро промышленных предприятий. Требовалось разработать малую ЭВМ, простую в освоении и применениях, надежную, недорогую и вместе с тем эффективную в широком спектре задач. Обстоятельное изучение в течение года имевшихся в то время вычислительных машин и технических возможностей их реализации привело к нестандартному решению употребить в создаваемой машине не двоичный, а троичный симметричный код, реализовав уравновешенную систему счисления, которую Д. Кнут двадцать лет спустя назовет быть может, самой изящной и как затем стало известно, достоинства которой были выявлены К. Шенноном в 1950г. В отличие от общепринятого в современных компьютерах двоичного кода с цифрами 0, 1, арифметически неполноценного вследствие невозможности непосредственного представления в нем отрицательных чисел, троичный код с цифрами -1, 0, 1 обеспечивает оптимальное построение арифметики чисел со знаком. Троичная система счисления основана на том же позиционном принципе кодирования чисел, что и принятая в современных компьютерах двоичная система, однако вес i -й позиции (разряда) в ней равен не 2 i , а 3 i . При этом сами разряды не двухзначны (не биты), а трехзначны (триты) - помимо 0 и 1 допускают третье значение, которым в симметричной системе служит -1, благодаря чему единообразно представимы как положительные, так и отрицательные числа. Значение n -тритного целого числа N определяется аналогично значению n -битного:

где а i ∈ {1, 0, -1} - значение цифры i -го разряда.

В апреле 1960 г. были проведены междуведомственные испытания опытного образца вычислительной машины, названной «Сетунь».По результатам этих испытаний “Сетунь” была признана первым действующим образцом универсальной вычислительной машины на безламповых элементах, которому свойственны “высокая производительность, достаточная надежность, малые габариты и простота технического обслуживания”.“Сетунь”, благодаря естественности троичного симметричного кода, оказалась поистине универсальным, несложно программируемым и весьма эффективным вычислительным инструментом, положительно зарекомендовавшим себя, в частности, как техническое средство обучения вычислительной математике более чем в тридцати вузах. А в Военно-воздушной инженерной академии им. Жуковского именно на “Сетуни” была впервые реализована автоматизированная система компьютерного обучения.

В соответствии с принципами фон Неймана компьютер состоит из:

· арифметико-логического устройства - АЛУ (англ. ALU, Arithmetic and Logic Unit), выполняющего арифметические и логические операции; устройства управления -УУ, предназначенного для организации выполнения программ;

· запоминающих устройств (ЗУ) , в т.ч. оперативного запоминающего устройства (ОЗУ – первичная память) и внешнего запоминающего устройства (ВЗУ); в основной памяти хранятся данные и программы; модуль памяти состоит из множества пронумерованных ячеек, в каждую ячейку может быть записано двоичное число, которое интерпретируется либо как команда, либо как данные;

· устройств ввода-вывода, которые служат для передачи данных между компьютером и внешним окружением, состоящим из различных периферийных устройств, в число которых входят вторичная память, коммуникационное оборудование и терминалы.

Обеспечивает взаимодействие между процессором (АЛУ и УУ), основной памятью и устройствами ввода – вывода системная шина .

Фон-неймановская архитектура компьютера считается классической, на ней построено большинство компьютеров. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных. Идея хранения компьютерных программ в общей памяти позволяла превратить вычислительные машины в универсальные устройства, которые способны выполнять широкий круг задач. 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.

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). По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.

2.2 Команда, форматы команд

Команда – это описание элементарной операции, которую должен выполнить компьютер.

Структура команды.

Количество разрядов, которые отводятся для записи команды, зависит от аппаратных средств конкретной модели компьютера. В связи с этим, структуру конкретной команды будем рассматривать для общего случая.

В общем случае команда содержит следующую информацию:

Ø код выполняемой операции;

Ø указания по определению операндов или их адресов;

Ø указания по размещению получаемого результата.

Для любой конкретной машины должно быть задано число двоичных разрядов, отводимых в команде для каждого из её адресов и для кода операций, так же как и сами фактические коды операций. Число двоичных разрядов в команде, отведенное при конструировании машины для каждого из её адресов, определяет верхнюю границу числа ячеек памяти машины, имеющих отдельные адреса: если адрес в команде изображается с помощью n двоичных разрядов, то в памяти с быстрой выборкой не может содержаться больше чем 2 n ячеек.

Команды выполняются последовательно, начиная с начального адреса (точки входа) исполняемой программы, адрес каждой следующей команды на единицу больше адреса предыдущей команды, если она не являлась командой перехода.

В современных машинах длина команд переменная (как правило, от двух до четырёх байт), а способы указания адресов переменных весьма разнообразны.

В адресной части команды может быть указан, например:

Операнд;

Адрес операнда;

Адрес адреса операнда (номер байта, начиная с которого расположен адрес операнда) и т.д.

Рассмотрим структуру возможных вариантов нескольких типов команд.

Трёхадресные команды.

Двухадресные команды.

Одноадресные команды.

Безадресные команды.

Рассмотрим бинарную операцию сложения: с = a + b.

Для каждой переменной в памяти определим условные адреса:

Пусть 53 – код операции сложения.

В этом случае структура трёхадресной команды выглядит следующим образом:

· Трёхадресные команды.

Процесс выполнения команды разбивается на следующие этапы:

Из ячейки памяти, адрес которой хранится в счётчике команд, выбирается очередная команда; содержимое счётчика изменяется и теперь содержит адрес следующей по порядку команды;

Выбранная команда передаётся в устройство управления на регистр команд;

Устройство управления расшифровывает адресное поле команды;

По сигналам УУ значения операндов считываются из памяти и записываются в АЛУ на специальные регистры операндов;

УУ расшифровывает код операции и выдаёт в АЛУ сигнал выполнить соответствующую операцию над данными;

Результат операции в данном случае отправляется в память(в одноадресных и двухадресных ЭВМ остаётся в процессоре);

Все предыдущие действия выполняются до достижения команды ОСТАНОВ.

2.3 ЭВМ как автомат

«Электронные цифровые машины с программным управлением представляют собой пример одного из наиболее распространенных в настоящее время типов преобразователей дискретной информации, называемых дискретными или цифровыми автоматами»(Глушков В.М. Синтез цифровых автоматов)

Любая вычислительная машина работает автоматически (будь то большая или малая ЭВМ, персональный компьютер или Супер-ЭВМ). В этом смысле вычислительная машина как автомат может быть описана структурной схемой, представленной на рис. 2.1.

В предыдущих параграфах была рассмотрена структурная схема вычислительной машины. Исходя из структурной схемы вычислительной машины и схемы автомата, мы можем сопоставить блоки схемы автомата и элементы структурной схемы ЭВМ.

В качестве исполнительных элементов в автомат включаются:

· арифметико-логическое устройство:

· память;

· устройства ввода-вывода информации.

Управляющим элементом автомата является устройство управления, которое собственно обеспечивает автоматический режим работы. Как уже отмечалось, в современных вычислительных устройствах основным исполнительным элементом является процессор или микропроцессор, который содержит в себе АЛУ, память, устройство управления.

Вспомогательными устройствами автомата могут быть всевозможные дополнительные средства, улучшающие или расширяющие возможности автомата.

Структура компьютера - это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Архитектурой компьютера считается его представление на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т. д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ, ОП), внешних ЗУ и периферийных устройств.

Важнейшее место в структуризации систем занимают средства сопряжения, которые называются интерфейсами. Интерфейс представляет собой совокупность коммутаторов, линий, сигналов, электронных схем и алгоритмов (протоколов), предназначенную для осуществления обмена информацией между устройствами.

Структуры и архитектуры ЭВМ Принципы фон Неймана

В основу архитектуры большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Дж. фон Нейманом в отчете по ЭВМ EDVAC

Принцип программного управления; принцип однородности памяти; принцип адресности. По истечении более 60 лет большинство компьютеров так и имеют «фон-неймановскую архитектуру», причем обычно принципы фон Неймана реализованы в следующей форме:

оперативная память (ОП или ОЗУ - оперативное запоминающее устройство) организована как совокупность машинных слов (МС) фиксированной длины или разрядности (имеется в виду количество двоичных единиц или бит, содержащихся в каждом МС). Например, ранние ПЭВМ имели разрядность 8, затем появились 16-разрядные, а затем - 32- и 64-разрядные машины. В свое время существовали даже 45-разрядные (М-20, М-220), 35-разрядные (Минск-22, Минск-32) и др. машины;
ОП образует единое адресное пространство, адреса МС возрастают от младших к старшим;
в ОП размещаются как данные, так и программы, причем в области данных одно слово, как правило, соответствует одному числу, а в области программы - одной команде (машинной инструкции - минимальному и неделимому элементу программы);
команды выполняются в естественной последовательности (по возрастанию адресов в ОП), пока не встретится команда управления (условного/безусловного перехода, или ветвления - branch), в результате которой естественная последовательность нарушится;
ЦП может произвольно обращаться к любым адресам в ОП для выборки и/или записи в МС чисел или команд.

Функциональные блоки (агрегаты, устройства)

Краткий список основных устройств, входящих в состав вычислительных машин, приведен на рис. 2.1.

Центральное устройство (ЦУ) представляет основную компоненту ЭВМ и в свою очередь включает ЦП - центральный процессор (central processing unit - CPU) и ОП (Main Storage, Core Storage, Random Access Memory - RAM).

Процессор непосредственно реализует операции обработки информации и управления вычислительным процессом, осуществляя выборку машинных команд и данных из оперативной па-

2.1. Структуры и архитектуры ЭВМ

Рис. 2.1. Перечень устройств ЭВМ

* Данные устройства здесь не рассматриваются. Читатель может обратиться, например, к .

мяти, их выполнение и запись результатов в ОП, включение и отключение ВУ. Рассмотрим в качестве примера процессор Intel Pentium (рис. 2.2). Он состоит из следующих блоков :

Ядро (Core). Основное исполнительное устройство, которое включает в себя арифметико-логическое устройство (АЛУ, или Arithmetic and Logical Unit - ALU) регистры, конвейеры. АЛУ - часть процессора, выполняющая арифметические и логические операции над данными, работает в соответствии с сообщаемыми ему кодами операций, которые должны быть выполнены над переменными, помещаемыми в регистры. Повышение производительности достигалось благодаря двум конвейерам, позволяющим выполнить одновременно несколько инструкций. Это два параллельных 5-ступенчатых конвейера обработки целых чисел, которые позволяют читать, интерпретировать, исполнять две команды одновременно. Целочисленные команды могут выполняться за один такт синхронизации. Эти конвейеры неодинаковы: U-конвейер выполняет любую команду системы команд семейства 86; V-конвейер выполняет только «простые» команды, т. е. команды, которые полностью встроены в схемы МП и не требуют микропрограммного управления (microcode) при выполнении (это команды, до-

Рис. 2.2.

пускающие спаривание с другими командами: регистр-регистр, память-регистр, регистр-память, переходы, вызовы, арифметико-логические операции);

предсказатель переходов (Branch Predictor) - блок, который «пытается угадать» направление ветвления программы и заранее загрузить информацию в блоки пред- выборки и декодирования команд ;
буфер адреса переходов (Branch Target Buffer - ВТ В). Обеспечивает динамическое предсказание переходов. Он улучшает выполнение команд путем запоминания состоявшихся переходов (256 последних переходов) и с опережением выполняет наиболее вероятный переход при выборке команды ветвления. При статических методах предсказания предписывается всегда выполнять или нет определенные виды переходов. При динамических методах исследуется поведение команд перехода за предшествующий период;
блок плавающей точки (Floating Point Unit). Выполняет обработку чисел с плавающей точкой;
кэш-память 1-го уровня (Level 1 cache). Процессор имеет два банка памяти по 8 Кбайт, один - для команд, второй - для данных, которые обладают большим быстродействием, чем более емкая внешняя кэш-память (L2 cache).
интерфейс шины (Bus Interface). Передает в ЦП поток команд и данных, а также передает данные из ЦП.

Внешние (периферийные) устройства (В У). ВУ обеспечивают взаимодействие с окружающей средой - пользователями, объектами управления, другими машинами.

Интерфейсы служат для сопряжения центральных узлов машины с ее внешними устройствами.

Однотипные ЦУ и устройства хранения данных могут использоваться в различных типах машин. Известны примеры того, как фирмы, начавшие свою деятельность с производства управляющих машин, совершенствуя свою продукцию, перешли к выпуску систем, которые в зависимости от конфигурации ВУ могут исполнять как роль универсальных, так и управляющих машин (машины Hewlett-Packard - HP и Digital Equipment Corporation - DEC).

Архитектуры ЭВМ

Архитектура «звезда». Здесь процессор (ЦУ) - рис. 2.3, а - соединен непосредственно с ВУ и управляет их работой (ранние модели машин). Этот тип также именуется классическая архитектура (фон Неймана) - одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд - программа. Это однопроцессорный компьютер.

Принстонская и гарвардская архитектуры. Архитектуру фон Неймана часто отождествляют с принстонской архитектурой, которая характеризуется использованием общей оперативной памяти для хранения программ и данных. Гарвардская же архитектура характеризуется физическим разделением памяти команд (программ) и памяти данных. Элементы гарвардской архитектуры часто используются в современных процессорах, когда в кэш-памяти ЦП выделяется память команд (I-cache) и память данных (D-cache).

Иерархическая архитектура (рис. 2.3, б) - ЦУ соединено с периферийными процессорами (вспомогательными процессорами, каналами, канальными процессорами), управляющими в свою очередь контроллерами, к которым подключены группы ВУ (системы IBM 360-375, ЕС ЭВМ);

Магистральная структура (общая шина - unibas, рис. 2.3, в) - процессор (процессоры) и блоки памяти (ОП) взаимодействуют между собой и с ВУ (контроллерами ВУ) через внутренний канал, общий для всех устройств (машины DEC, IBM РС-совмес- тимые ПЭВМ).

Технически шина представляет собой набор проводников (линий), соединяющий различные компоненты компьютера для подвода к ним питания и обмена данными. В минимальной комплектации шина имеет три типа линий:

управления; адреса; данных.

К этому типу архитектуры относится также архитектура персонального компьютера (ПК). Конечно, реальная структура ПК (рис. 2.3, г) отличается от теоретических схем - здесь используется несколько разновидностей шинных интерфейсов, которые соединяются между собой мостами - контроллерами памяти (Northbridge, «Северный мост») и периферийных устройств (Southbridge, «Южный мост»).

Рис. 2.3. Основные классы архитектур ЭВМ: а - централизованная; б - иерархическая; в - магистральная; г - общая структура персонального компьютера - архитектура Northbridge/Southbridge

Здесь приведен пример набора микросхем (chipset) Triton 430 ТХ:

Northbridge - микросхема 82439ТХ System Controller, МТХС. Интегрирует контроль кэш-памяти, ОП и шины PCI;
Southbridge - 82371АВ PCI ISA IDE Xcelerator, PIIX4 - многофункциональное устройство, реализующее связь PCI- ISA, функции концентратора (hub) USB и функции управления потреблением электроэнергии (Enhanced Power Management). Здесь реализована Dynamic Power Management Architecture (DPMA) - архитектура динамического управления энергопотреблением. Поддерживается также протокол прямого обращения к памяти (Ultra DMA), который обеспечивает скорость передачи в 33 Мбайт/с с НЖМД.

Современные системы включают два типа шин:

системная шина, соединяющая процессор с ОП и кэш-памятью 2-го уровня;
множество шин ввода-вывода, соединяющие процессор с различными периферийными устройствами.

Системная шина при архитектуре DIB (Dual independent bus, двойная независимая шина) физически разделена на две (рис. 2.3, г):

первичная шина (FSB, frontside bus), связывающая процессор с ОП и ОП с периферийными устройствами;
вторичная шина (BSB, backside bus) для связи с кэш-па- мятью.

Использование двойной независимой шины повышает производительность за счет возможности для процессора параллельно обращаться к различным уровням памяти. Обычно термины «FSB» и «системная шина» используют как синонимы.

Следует иметь в виду, что терминология, используемая в настоящее время для описания интерфейсов, не является вполне однозначной и ясной. Системная шина часто упоминается как «главная шина», «хост-шина», «шина процессора», или «локальная шина». Для шин ввода-вывода используются термины «шина расширения», «внешняя шина» и опять же - «локальная шина».

Открытая архитектура IBM-PC и ее развитие

Впервые реализованная в машинах IBM PC, IBM PC/XT и PC/AT концепция открытой архитектуры предполагает, что периферийные устройства связываются с ЦУ (процессор

и ОП) посредством сменных карт расширения (или адаптеров), содержащих электронику, согласующую ЦУ и периферию - рис. 2.4. Развитие или замена одних внешних устройств на другие в таких условиях сопровождается простой заменой карты.

Рис. 2.4. Открытая архитектура IBM PC:

1 - системная плата (процессор, память, chipset); 2 - внутренний интерфейс (ISA, MCA, SCSI, LPC, AGP, HyperTransport, PCI, PCI-X и пр.); 3 - плата расширения (адаптер, интерфейсная карта, контроллер внешнего устройства); 4 - интерфейс внешнего устройства (RS-232, Centronics, USB, Firewire, инфракрасный, eSATA, Bluetooth и пр.); 5 - периферийное устройство (клавиатура, монитор, принтер, сканер и пр.)

Системные платы и их разновидности. Системную плату также называют главной (mainboard) или материнской (motherboard), иногда - объединительной платой. Это - основная монтажная схема внутри ПК, на которой располагаются процессор, память, слоты расширения и которая непосредственно или косвенно присоединяется к каждой части ПК.

На рисунках ниже иллюстрируются компоненты для двух типичных плат:

Baby АТ (ВАТ), где используется разъем Socket 7 для присоединения процессора, приблизительно 1995 г. (рис. 2.5, 2.7, а);
АТХ с разъемом Slot 1 для присоединения процессора Pentium И, типичный для системных плат, на рынке с конца 1998 г. (рис. 2.6, 2.7, б).

Открытая архитектура первых ПК предполагала минимум устройств, контроллеры которых были интегрированы в системную плату (например, порт для клавиатуры). Все остальные, включая адаптер дисплея, принтера, модема, НГМД или контроллер жесткого диска, являлись дополнительными компонентами, подключаемыми через разъемы расширения.

В конце 1990-х гг. обозначилась тенденция к помещению адаптеров периферийных устройств непосредственно на систем-

Рис. 2.7. Разъемы и интерфейсы, размещенные на задней панели корпусов: а - плата Baby АТ (схематическое изображение), б - АТХ (то же); в - общий вид некоторых типов внешних интерфейсов: 1 - разъем для подсоединения шнура электропитания монитора (на ATX-корпусах может отсутствовать); 2 - разъем для подключения компьютера к сети переменного тока; 3 - разъем для подсоединения клавиатуры PS/2 (мини-DIN, 6 штырьков); 4 - разъем для подсоединения клавиатуры DIN-5; 5 - разъем для подключения мыши PS/2; 6 - USB-порты; 7 - последовательный порт (COM2); 8 - последовательный порт (СОМ1); 9 - параллельный порт (LPT); 10 - видеовыход (VGA/SVGA); 11 - разъем для подключения локальной сети (в соответствии с моделью компьютера); 12 - MIDI/Game порт (в соответствии с моделью компьютера); 13 - гнезда для подключения внешних аудиосистем (в соответствии с моделью компьютера)

ную плату и через какое-то время было интегрировано значительное количество устройств, однако многие из них - графика, сетевой интерфейс, устройства SCSI и звуковые - все же продолжали оставаться съемными. Этот процесс шел медленно, например порты ввода-вывода и контроллеры диска еще в 1995 г. часто размещались на платах расширения. Изготовители постоянно экспериментировали с различными уровнями интеграции, встраивая некоторые или даже все эти компоненты в системную плату. Однако есть очевидное препятствие - труднее модернизировать сборку, поскольку интегрированные компоненты не могут быть удалены. Для высокоинтегрированных системных плат часто требуется нестандартный корпус, при этом для замены отдельного дефектного компонента может потребоваться выбраковка системной платы.

Следовательно, те части системы, спецификация которых изменяется наиболее быстро - оперативная память, центральный процессор и графика - целесообразнее размещать в гнездах для облегчения замены. Точно так же обычно удаляются из основной спецификации (чтобы уменьшить затраты) компоненты, используемые не всеми пользователями, например сетевые интерфейсы или SCSI.

Архитектурой компьютера считается его представление на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ, ОП), внешних ЗУ и периферийных устройств.

Компонентами архитектуры компьютера являются: вычислительные и логические возможности, аппаратные средства и программное обеспечение.

Структура компьютера - это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые типичные устройства - от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать его описание на любом уровне детализации.

Архитектуру компьютера следует отличать от его структуры. Структура определяет конкретный набор устройств, блоков, узлов, входящих в состав компьютера, тогда как архитектура определяет правила взаимодействия составных частей компьютера.

Принципы (архитектура) фон Неймана . В основу построения большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом.

1. Принцип программного управления . Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. Так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти.

Структура отдельной команды имеет вид:

<код операции> <операнды>,

где <код операции> определяет, какая операция должна выполняться;

<операнды> - список (возможно, одноэлементный) тех констант, адресов или имен переменных, над которыми выполняется данная операция.

В зависимости от числа операндов различают одно-, двух- и трехадресные машинные команды. Каждая команда имеет определенный объем, измеряемый байтами.

2. Принцип условного перехода. Если после выполнения команды следует перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов (ветвления), которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп».

Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

3. Принцип однородности памяти . Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции - перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

4. Принцип размещения программы в памяти . Программа, требуемая для работы ЭВМ, предварительно размещается в памяти компьютера, а не вводится команда за командой.

5. Принцип адресности . Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

6. Принцип иерархии памяти . Память ЭВМ неоднородна. Для часто используемых данных выделяется память меньшего объема, но большего быстродействия; для редко используемых данных выделяется память большего объема, но меньшего быстродействия.

7. Принцип двоичной системы счисления . Для внутреннего представления данных и программ в памяти ЭВМ применяется двоичная система счисления, которую можно проще реализовать технически.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Существуют и другие классы компьютеров, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Здесь, например, может не выполняться принцип программного управления, т.е. они могут работать без счетчика (регистра адреса) команд, указывающего на выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

Машина фон Неймана состояла из памяти, представлявшей собой набор регистров, АЛУ, устройства ввода-вывода и устройства управления (рис. 3.7).

Устройство ввода передавало команды и данные в АЛУ, откуда они записывались в память. Все команды , совокупность которых называется программой , записываются в память в соседние ячейки по возрастанию их адресов, а данные, которые требуют обработки, - в ячейки с произвольными адресами. Последняя команда программы - это обязательно команда остановки работы. Каждая команда содержит код операции, которую необходимо выполнить, и адреса ячеек, в которых находятся данные, обрабатываемые этой командой. Устройство управления содержит специальный регистр, который называется «Счетчик команд ». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. После чего вычислительная машина переходит в режим автоматического выполнения программы.

Рис. 3.7. Машина фон Неймана

Устройство управления считывает из памяти содержимое ячейки памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство - «Регистр команд ». Регистр команд хранит команду во время ее исполнения. Устройство управления расшифровывает тип операции команды, считывает из памяти данные, адреса которых указаны в команде, и приступает к ее выполнению. Для каждой команды устройство управления имеет свой алгоритм обработки, который заключается в выработке управляющих сигналов для всех остальных устройств машины. Этот алгоритм мог быть реализован на основе комбинационных логических схем или с помощью специальной внутренней памяти, куда эти алгоритмы были записаны в виде микрокоманд, объединенных в микропрограммы. Выполнение микропрограммы происходит по тому же принципу, что и программы в основной памяти, т.е. по принципу фон Неймана. Каждая микрокоманда содержит набор управляющих сигналов для устройств машины. Отметим, что устройства управления выполнением команд процессоров в современных компьютерных системах также строятся по принципу комбинационных схем или микропрограммных автоматов, в соответствии с чем делятся на RISC и CISC процессоры, о которых будет рассказано ниже.

Микропрограмма выполнения любой команды обязательно содержит сигналы, изменяющие содержимого счетчика команд на единицу. Таким образом, после завершения выполнения очередной команды, счетчик команд указывал на следующую ячейку памяти, в которой находилась следующая команда программы. Устройство управления читает команду, адрес которой находится в счетчике команд, помещает ее в регистр команд и т.д. Этот процесс продолжается до тех пор, пока очередная исполняемая команда не оказывается командой останова исполнения программы. Интересно отметить, что и команды, и данные, находящиеся в памяти, представляют собой целочисленные двоичные наборы. Отличить команду от данных устройство управления не может, поэтому, если программист забыл закончить программу командой останова, устройство управления читает следующие ячейки памяти, в которых уже нет команд программы, и пытается интерпретировать их как команды.

Особым случаем можно считать команды безусловного или условного перехода, когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов. В этом случае команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать управление. Этот адрес записывается устройством управления непосредственно в счетчик команд и происходит переход на соответствующую команду программы.

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.

Принципы фон Неймана

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.
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.
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.
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.
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.

Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было хранимой в памяти программы) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) мог потребоваться далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться годы, однако они работают на миллионах компьютеров после несколько минутной установки на жесткий диск.

Как работает машина фон Неймана

Машина фон Неймана состоит из запоминающего устройства (памяти) - ЗУ, арифметико-логического устройства - АЛУ, устройства управления – УУ, а также устройств ввода и вывода.

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 (из возможных операций на данном «железе») 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 арифметико-логического устройства результаты выводятся в память или устройство вывода. Принципиальное различие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройства вывода (принтер, монитор и др.) поступают так, как удобно человеку.

УУ управляет всеми частями компьютера. От управляющего устройства на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии.

Управляющее устройство содержит специальный регистр (ячейку), который называется «счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. 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. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера.

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.

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.

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.

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.