Архітектура комп'ютера. Принципи Неймана фону. Логічні вузли комп'ютера. Виконання програми. Принципи фон Неймана побудови електронно-обчислювальної машини Пояснення схеми фон нейману

Принципи фон Неймана (Архітектура фон Неймана)

Архітектура комп'ютера

У 1946 році Д. фон Нейман, Г. Голдстайн і А. Беркс у своїй спільній статті виклали нові принципи побудови та функціонування ЕОМ. У результаті основі цих принципів вироблялися перші два покоління комп'ютерів. У пізніших поколіннях відбувалися деякі зміни, хоча принципи Неймана є актуальними й сьогодні.

По суті, Нейману вдалося узагальнити наукові розробки та відкриття багатьох інших вчених та сформулювати на їх основі принципово нове.

Принципи фон Неймана

Використання двійкової системи числення у обчислювальних машинах. Перевага перед десятковою системою числення полягає в тому, що пристрої можна робити досить простими, арифметичні та логічні операції у двійковій системі числення також виконуються досить просто.

Програмне управління ЕОМ. Робота ЕОМ контролюється програмою, що з набору команд. Команди виконуються послідовно один за одним. Створенням машини з програмою, що зберігається в пам'яті, було започатковано те, що ми сьогодні називаємо програмуванням.

Пам'ять комп'ютера використовується як для зберігання даних, а й програм.. У цьому команди програми та дані кодуються в двійковій системі числення, тобто. їх спосіб запису однаковий. Тому в певних ситуаціях над командами можна виконувати ті самі дії, що над даними.

Осередки пам'яті ЕОМ мають адреси, які послідовно пронумеровані. У будь-який момент можна звернутися до будь-якої комірки пам'яті на її адресу. Цей принцип відкрив можливість використовувати змінні у програмуванні.

Можливість умовного переходу у процесі виконання програми. Незважаючи на те, що команди виконуються послідовно, у програмах можна реалізувати можливість переходу до будь-якої ділянки коду.

Найголовнішим наслідком цих принципів можна назвати те, що тепер програма вже була постійною частиною машини (як, наприклад, у калькулятора). Програму можна було легко змінити. А ось апаратура, звичайно ж, залишається незмінною, і дуже простою.

Для порівняння, програма комп'ютера ENIAC (де не було збереженої у пам'яті програми) визначалася спеціальними перемичками на панелі. Щоб перепрограмувати машину (встановити перемички по-іншому), міг знадобитися далеко не один день. І хоча програми для сучасних комп'ютерів можуть писатися роки, вони працюють на мільйонах комп'ютерів після кілька хвилинної установки на жорсткий диск.

Як працює машина фон Неймана

Машина фон Неймана складається з пам'яті - ЗУ, арифметико-логічного пристрою - АЛУ, пристрою управління - УУ, а також пристроїв введення та виведення.

Програми та дані вводяться в пам'ять із пристрою введення через арифметико-логічний пристрій. Всі команди програми записуються в сусідні осередки пам'яті, а дані для обробки можуть утримуватись у довільних осередках. У будь-якій програмі остання команда має бути командою завершення роботи.

Команда складається з вказівки, яку операцію слід виконати (з можливих операцій на даному «залізі») та адрес осередків пам'яті, де зберігаються дані, над якими слід виконати зазначену операцію, а також адреси осередку, куди слід записати результат (якщо його потрібно зберегти в ЗУ).

Арифметико-логічний пристрій виконує зазначені командами операції над цими даними.

З арифметико-логічного пристрою результати виводяться у пам'ять чи пристрій виведення. Принципова відмінність між ЗУ та пристроєм виведення полягає в тому, що в ЗУ дані зберігаються у вигляді, зручному для обробки комп'ютером, а на пристрої виведення (принтер, монітор та ін) надходять так, як зручно людині.

УУ управляє усіма частинами комп'ютера. Від пристрою, що управляє, на інші пристрої надходять сигнали «що робити», а від інших пристроїв УУ отримує інформацію про їх стан.

Керуючий пристрій містить спеціальний регістр (комірку), який називається лічильник команд. Після завантаження програми та даних у пам'ять у лічильник команд записується адреса першої команди програми. УУ зчитує з пам'яті вміст осередку пам'яті, адреса якої знаходиться в лічильнику команд, і поміщає його в спеціальний пристрій - "Регістр команд". УУ визначає операцію команди, «відзначає» у пам'яті дані, адреси яких вказані у команді, та контролює виконання команди. Операцію виконує АЛП або апаратні засоби комп'ютера.

В результаті виконання будь-якої команди лічильник команд змінюється на одиницю і, отже, вказує наступну команду програми. Коли потрібно виконати команду, яка не наступна по порядку за поточною, а віддалену від даної на якусь кількість адрес, то спеціальна команда переходу містить адресу комірки, куди потрібно передати управління.

Принципи фон Неймана[ред. редагувати вихідний текст]

Принцип однорідності пам'яті

Команди та дані зберігаються в одній і тій же пам'яті та зовні в пам'яті невиразні. Розпізнати їх можна лише за способом використання; тобто одне й те саме значення в осередку пам'яті може використовуватися і як дані, і як команда, і як адреса залежно лише від способу звернення до нього. Це дозволяє виконувати над командами самі операції, як і над числами, і, відповідно, відкриває ряд можливостей. Так, циклічно змінюючи адресну частину команди, можна забезпечити звернення до послідовних елементів масиву даних. Такий прийом зветься модифікації команд і з позицій сучасного програмування не вітається. Більш корисним є інше наслідок принципу однорідності, коли команди однієї програми можуть бути отримані як результат виконання іншої програми. Ця можливість лежить в основі трансляції - переклад тексту програми з мови високого рівня на мову конкретної обчислювальної машини.

Принцип адресності

Структурно основна пам'ять складається з пронумерованих осередків, причому процесору у довільний момент доступна будь-яка комірка. Двійкові коди команд і даних поділяються на одиниці інформації, звані словами, і зберігаються в осередках пам'яті, а доступу до них використовуються номери відповідних осередків - адреси.

Принцип програмного управління

Усі обчислення, передбачені алгоритмом розв'язання задачі, мають бути представлені у вигляді програми, що складається з послідовності керуючих слів - команд. Кожна команда наказує деяку операцію з набору операцій, що реалізуються обчислювальною машиною. Команди програми зберігаються в послідовних осередках пам'яті обчислювальної машини і виконуються в природній послідовності, тобто в порядку їхнього положення в програмі. У разі потреби за допомогою спеціальних команд ця послідовність може бути змінена. Рішення про зміну порядку виконання команд програми приймається або з аналізу результатів попередніх обчислень, або безумовно.

Принцип двійкового кодування

Відповідно до цього принципу, вся інформація, як дані, і команди, кодуються двійковими цифрами 0 і 1. Кожен тип інформації представляється двійковою послідовністю і має свій формат. Послідовність бітів у форматі, що має певний зміст, називається полем. У числової інформації зазвичай виділяють поле знака та поле значущих розрядів. У форматі команди можна виділити два поля: поле коду операції та поле адрес.

Ще однією воістину революційною ідеєю, значення якої важко переоцінити, є запропонований Нейманом принцип “збереженої програми”. Спочатку програма задавалася шляхом встановлення перемичок на спеціальній комутаційній панелі. Це було дуже трудомістким заняттям: наприклад, для зміни програми машини ENIAC потрібно кілька днів (у той час як власне розрахунок не міг тривати більше кількох хвилин - виходили з ладу лампи). Нейман першим здогадався, що програма може також зберігатися у вигляді набору нулів і одиниць, причому в тій самій пам'яті, що і числа, що нею обробляються. Відсутність принципової різниці між програмою та даними дала можливість ЕОМ самій формувати для себе програму відповідно до результатів обчислень.

Фон Нейман як висунув основні принципи логічного устрою ЕОМ, а й запропонував її структуру, яка відтворювалася протягом двох поколінь ЕОМ. Основними блоками по Нейману є пристрій управління (УУ) та арифметико-логічний пристрій (АЛУ) (зазвичай об'єднуються в центральний процесор), пам'ять, зовнішня пам'ять, пристрої введення та виведення. Схема устрою такої ЕОМ представлена на рис. 1. Слід зазначити, що зовнішня пам'ять відрізняється від пристроїв введення та виведення тим, що дані до неї заносяться у вигляді, зручному комп'ютеру, але недоступному для безпосереднього сприйняття людиною. Так, накопичувач на магнітних дисках відноситься до зовнішньої пам'яті, а клавіатура – пристрій введення, дисплей та друк – пристрої виведення.

Мал. 1. Архітектура ЕОМ, побудованої за принципами фон Неймана. Суцільні лінії зі стрілками вказують напрямок потоків інформації, пунктирні - керуючих сигналів від процесора до інших вузлів ЕОМ

Пристрій управління та арифметико-логічний пристрій у сучасних комп'ютерах об'єднані в один блок – процесор, що є перетворювачем інформації, що надходить з пам'яті та зовнішніх пристроїв (сюди відносяться вибірка команд з пам'яті, кодування та декодування, виконання різних, у тому числі і арифметичних операцій, узгодження роботи вузлів комп'ютера). Докладніше функції процесора обговорюватимуться нижче.

Пам'ять (ЗП) зберігає інформацію (дані) та програми. Запам'ятовуючий пристрій у сучасних комп'ютерів "багатоярусно" і включає оперативне запам'ятовуючий пристрій (ОЗП), що зберігає ту інформацію, з якою комп'ютер працює безпосередньо в даний час (виконувана програма, частина необхідних для неї даних, деякі керуючі програми), і зовнішні пристрої, що запам'ятовують (ВЗУ) ) набагато більше ємності, ніж ОЗУ. але з значно повільнішим доступом (і значно меншою вартістю для 1 байт збереженої інформації). На ОЗП і ВЗУ класифікація пристроїв пам'яті не закінчується - певні функції виконують і СОЗУ (надоперативний пристрій), і ПЗУ (постійний пристрій), і інші підвиди комп'ютерної пам'яті.

У побудованій за описаною схемою ЕОМ відбувається послідовне зчитування команд із пам'яті та їх виконання. Номер (адреса) чергового осередку пам'яті. з якої буде вилучено наступну команду програми, вказується спеціальним пристроєм – лічильником команд в УУ. Його наявність також одна із характерних ознак аналізованої архітектури.

Розроблені фон Нейманом основи архітектури обчислювальних пристроїв виявилися настільки фундаментальними, що одержали в літературі назву фон-нейманівської архітектури. Переважна більшість обчислювальних машин на сьогоднішній день – фон-нейманівські машини. Виняток становлять лише окремі різновиди систем для паралельних обчислень, у яких відсутня лічильник команд, не реалізована класична концепція змінної та є інші істотні важливі відхилення від класичної моделі (прикладами можуть бути потокова і редукційна обчислювальні машини).

Очевидно, значне відхилення від фон-нейманівської архітектури відбудеться у результаті розвитку ідеї машин п'ятого покоління, основу обробки інформації у яких лежать не обчислення, а логічні висновки

Державний освітній заклад

вищої професійної освіти Тюменської області

ТЮМЕНСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

СВІТОВОЇ ЕКОНОМІКИ, УПРАВЛІННЯ І ПРАВА

Кафедра математики та інформатики

з дисципліни

«ВИЧИСЛЮВАЛЬНІ СИСТЕМИ, МЕРЕЖІ І ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЇ»

«ПРИНЦИПИ ФОН НЕЙМАНА»

1. Вступ………………………………………………………………....2

2. Основні принципи архітектури Джона фон Неймана…………….3

3. Структура ЕОМ…………………………………………………………3

4. Як працює машина Джона фон Неймана…………………………...4

5. Висновок……………………………………………………………...6

Список литературы………………………………………………………...8

Вступ

З середини 1960-х дуже змінився підхід до створення обчислювальних машин. Замість розробки апаратури та засобів математичного забезпечення стала проектуватися система, що складається із синтезу апаратних (hardware) та програмних (software) засобів. У цьому головний план висунулася концепція взаємодії. Так виникло нове поняття – архітектура ЕОМ.

Під архітектурою ЕОМ прийнято розуміти сукупність загальних принципів організації апаратно-програмних засобів та їх основних характеристик, що визначає функціональні можливості обчислювальної машини під час вирішення відповідних типів завдань.

Архітектура ЕОМ охоплює значне коло проблем, пов'язаних із створенням комплексу апаратних та програмних засобів та враховують велику кількість визначальних факторів. Серед цих факторів основними є вартість, сфера застосування, функціональні можливості, зручність в експлуатації, а одним з основних компонентів архітектури вважаються апаратні засоби.

Архітектуру обчислювального засобу необхідно відрізняти від структури, так як структура обчислювального засобу визначає його поточний склад певному рівні деталізації та описує зв'язки всередині засобу. Архітектура визначає основні правила взаємодії складових елементів обчислювального засобу, опис яких виконується тією мірою, якою необхідно для формування правил взаємодії. Вона встановлює в повному обсязі зв'язку, лише найбільш необхідні, які мають бути відомі більш грамотного використання застосовуваного кошти.

Так, користувачеві ЕОМ не важливо, на яких елементах виконані електронні схеми, схемно чи програмно виконуються команди тощо. Архітектура ЕОМ дійсно відображає коло проблем, які відносяться до спільного проектування та побудови обчислювальних машин та їхнього програмного забезпечення.

Архітектура ЕОМ включає як структуру, відбиває склад ПК, і програмно – математичне забезпечення. Структура ЕОМ - сукупність елементів та зв'язків між ними. Основним принципом побудови всіх сучасних ЕОМ є програмне управління.

Основи вчення про архітектуру обчислювальних машин було закладено Джоном фон Нейманом. Сукупність цих принципів породила класичну (фон-нейманівську) архітектуру ЕОМ.

Основні засади архітектури Джона фон Неймана

Джон фон Нейман (1903 – 1957) – американський математик, який зробив великий внесок у створення перших ЕОМ та розробку методів їх застосування. Саме він заклав основи вчення про архітектуру обчислювальних машин, підключившись до створення першої у світі лампової ЕОМ ENIAC у 1944 році, коли її конструкцію було вже обрано. У процесі роботи, під час численних дискусій зі своїми колегами Г. Голдстайном та А. Берксом, Джон фон Нейман висловив ідею принципово нової ЕОМ. У 1946 році вчені виклали свої принципи побудови обчислювальних машин у класичній статті, що стала «Попередній розгляд логічної конструкції електронно-обчислювального пристрою». З того часу минуло понад півстоліття, але висунуті в ній положення зберігають свою актуальність і сьогодні.

У статті переконливо обґрунтовується використання двійкової системи для представлення чисел, адже раніше всі обчислювальні машини зберігали оброблювані числа в десятковому вигляді. Автори продемонстрували переваги двійкової системи для технічної реалізації, зручність та простоту виконання у ній арифметичних та логічних операцій. Надалі ЕОМ почали обробляти і нечислові види інформації – текстову, графічну, звукову та інші, але двійкове кодування даних як і становить інформаційну основу будь-якого сучасного комп'ютера.

Ще однією революційною ідеєю, значення якої важко переоцінити, є запропонований Нейманом принцип «збереженої програми». Спочатку програма задавалася шляхом встановлення перемичок на спеціальній комутаційній панелі. Це було дуже трудомістким заняттям: наприклад, для зміни програми машини ENIAC потрібно кілька днів, тоді як власне розрахунок не міг тривати більше кількох хвилин - виходили з ладу лампи, яких було дуже багато. Нейман першим здогадався, що програма може також зберігатися у вигляді набору нулів і одиниць, причому в тій самій пам'яті, що і числа, що нею обробляються. Відсутність принципової різниці між програмою та даними дала можливість ЕОМ самій формувати для себе програму відповідно до результатів обчислень.

Структура ЕОМ

Джон фон Нейман як висунув основні принципи логічного устрою ЕОМ, а й запропонував її структуру, яка відтворювалася протягом перших двох поколінь ЕОМ. Основними блоками по Нейману є пристрій управління (УУ) та арифметико-логічний пристрій (АЛУ), які зазвичай об'єднуються в центральний процесор, який також входить набір регістрів загального призначення (РОН) – для проміжного зберігання інформації в процесі її обробки; пам'ять, зовнішня пам'ять, пристрої введення та виведення. Слід зазначити, що зовнішня пам'ять відрізняється від пристроїв введення та виведення тим, що дані до неї заносяться у вигляді, зручному комп'ютеру, але недоступному для безпосереднього сприйняття людиною.

Архітектура ЕОМ, побудована за принципами Джон фон Неймана.

Суцільні лінії зі стрілками вказують напрямок потоків інформації, пунктирні - сигналів, що управляють.

Як працює машина Джона фон Неймана

Тепер більш детально поговоримо про те, як працює машина побудована на даній архітектурі. Машина фон Неймана складається з запам'ятовуючого пристрою (пам'яті) - ЗУ, арифметико-логічного пристрою - АЛУ, пристрої управління - УУ, а також пристроїв введення та виведення, що видно їх схеми і про що йшлося раніше.

Команда складається з вказівки, яку операцію слід виконати та адреси осередків пам'яті, де зберігаються дані, над якими слід виконати зазначену операцію, а також адреси осередку, куди слід записати результат, якщо його потрібно зберегти в ЗП.

Арифметико-логічний пристрій виконує зазначені командами операції над цими даними. З нього результати виводяться у пам'ять чи пристрій виведення.

Керуючий пристрій керує всіма частинами комп'ютера. Від нього на інші пристрої надходять сигнали «що робити», а від інших пристроїв УУ отримує інформацію про їхній стан. Воно містить спеціальний регістр (комірку), який називається «лічильник команд». Після завантаження програми та даних у пам'ять у лічильник команд записується адреса першої команди програми, а УУ зчитує з пам'яті вміст комірки пам'яті, адресу якої перебуває у лічильнику команд, і поміщає їх у спеціальний пристрій - «Регістр команд». УУ визначає операцію команди, «відзначає» у пам'яті дані, адреси яких вказані у команді, та контролює виконання команди.

АЛУ – забезпечує арифметичну та логічну обробку двох змінних, у результаті яких формується вихідна змінна. Функції АЛУ зазвичай зводяться до простих арифметичних та логічних операцій та операцій зсуву. Також формує ряд ознак результату (прапорів), що характеризують отриманий результат та події, що відбулися в результаті його отримання (рівність нулю, знак, парність, переповнення). Прапори можуть аналізувати УУ з метою прийняття рішення про подальшу послідовність виконання команд.

Висновок

Отже, виділимо ще раз основні принципи, запропоновані фон Нейманом:

· Принцип двійкового кодування.Для представлення даних та команд використовується двійкова система числення.

· Принцип однорідності пам'яті.Як програми (команди), так і дані зберігаються в одній і тій же пам'яті (і кодуються в одній і тій самій системі числення - найчастіше двійковій). Над командами можна виконувати такі самі дії, як і над даними.

· Принцип адресації пам'яті.Структурно основна пам'ять складається з пронумерованих осередків; процесору в довільний момент часу доступна будь-яка комірка.

· Принцип програмного управління.Всі команди розміщуються в пам'яті і виконуються послідовно, одна після завершення іншої.

· Принцип умовного переходу.Команди із програми не завжди виконуються одна за одною. Можлива присутність у програмі команд умовного переходу, які змінюють послідовність виконання команд, залежно від значень даних. (Сам принцип був сформульований задовго до Джона фон Неймана Адою Лавлейс та Чарльзом Беббіджем, проте він логічно включений у фон-нейманівський набір як додатковий попередній принцип.)

Джон фон Нейман зробив величезний внесок у розвиток перших ЕОМ та розробку методів їх застосування. Розроблені фон Нейманом основи архітектури обчислювальних пристроїв виявилися настільки фундаментальними, що отримали в літературі назву фон-нейманівської архітектури. Принципи цієї архітектури широко використовуються сьогодні. Переважна більшість обчислювальних машин на сьогоднішній день – фон-нейманівські машини. Виняток становлять лише окремі різновиди систем для паралельних обчислень, у яких відсутня лічильник команд, не реалізована класична концепція змінної та є інші істотні важливі відхилення від класичної моделі (прикладами можуть бути потокова і редукційна обчислювальні машини).

У сучасних комп'ютерів запам'ятовуючий пристрій, що зберігає інформацію та програми, багатоярусно. Воно включає оперативний запам'ятовуючий пристрій (ОЗУ), що зберігає ту інформацію, з якою комп'ютер працює безпосередньо в даний час (виконувана програма, частина необхідних для неї даних, деякі керуючі програми), і зовнішні запам'ятовуючі пристрої (ВЗУ) набагато більшої ємності, ніж ОЗУ, але з значно повільнішим доступом. На ОЗП і ВЗУ класифікація пристроїв пам'яті не закінчується - певні функції виконують і СОЗУ (надоперативний пристрій), і ПЗУ (постійний пристрій), і інші підвиди комп'ютерної пам'яті.

Очевидно, значне відхилення від фон-нейманівської архітектури відбудеться лише результаті розвитку ідеї машин п'ятого покоління, основу обробки інформації у яких лежать не обчислення, а логічні висновки.

Список літератури

1. Х. Крейгон. Архітектура комп'ютера та її реалізація. Навчальний посібник. - С-Пб., Світ, 2004.

2. Е. Таненбауем. Архітектура комп'ютера. Наукова література. - С-Пб., Пітер, 2003.

Також відома як модель фон Неймана, або Прінстонська архітектура, заснована на методиці, описаній в 1945 математиком і фізиком Джоном фон Нейманом в рамках доповіді «Перший проект» про обчислювальну машину EDVAC.

Схема архітектури

У доповіді фон Неймана описувалася схема архітектури для цифрової електронної обчислювальної машини з частинами, що складаються з блоків обробки, яка містить:

арифметико-логічний устрій;
процесор регістрів;
блок управління, що містить регістр команд та лічильник команд;
запам'ятовуючий пристрій для зберігання даних;
зовнішній пристрій;
вхідні та вихідні механізми.

Сенс розробки полягав у тому, щоб будь-яка інформація, що зберігається на комп'ютері, могла використовуватися програмою, в якій вибрані дані операції не можуть відтворюватися одночасно, тому що вони поділяють загальну шину. Це згадується у «Першому проекті», який описує думки вченого про те, якою має бути архітектура. Фон Нейман називав таку ситуацію "вузьким місцем", яке часто обмежує продуктивність системи.

Цифровий комп'ютер - це ЕОМ, що зберігає програму, яка містить програмні інструкції, дані для читання, запису, а також включає пам'ять з довільним доступом (RAM). Принципи архітектури Джона фон Неймана викладено також у праці «Перший проект». Згідно з ним, комп'ютери з програмою, що зберігається в пам'яті, були вдосконаленням у порівнянні з управлінням комп'ютерів, таких як ENIAC. Останній був запрограмований за допомогою установки перемикачів та вставки патча, що призводить до маршрутизації даних та сигналів керування між різними функціональними блоками. У переважній більшості сучасних комп'ютерів пам'ять також використовується так. При цьому фон Неймана відрізняється, наприклад, від Гарвардської тим, що вона використовує не основну, а кеш-пам'ять.

Передісторія

Перші мали задані фіксовані програми. Деякі дуже прості комп'ютери досі використовують цю конструкцію або для простоти, або з метою навчання. Наприклад, настільний калькулятор також є ЕОМ із фіксованою програмою. Він може працювати з основами математики, але він не може бути використаний як ігрова консоль. Зміна фіксованої програми машини потребує перемонтажу, реструктуризації чи реорганізації апарата. Найраніші комп'ютери були настільки вузькоспрямованими, оскільки вони були розроблені вперше й у наукових цілях. Перепрограмування з'явилося набагато пізніше, і це був трудомісткий процес, починаючи з блок-схем та паперових купюр до докладних технічних проектів. Особливо важким був процес фізичної модернізації каналів відновлення машини. Може зайняти три тижні встановлення програми на ENIAC та спроби змусити її працювати.

Нова ідея

З пропозицією комп'ютера, що зберігає програми у пам'яті, все змінилося. Зберігаються у пам'яті, вони є конструкцією з набором інструкцій. Отже, машина може відразу отримати набір команд, щоб зробити обчислення.

Конструкція таких програм відноситься до кодів, що самодифікуються. Однією з перших установок такого об'єкта була необхідність у алгоритмі збільшення чи іншим чином зміни адресної частини команд. Він робився вручну у ранніх конструкціях. Це стало менш важливим, коли індексні регістри та непряма адресація стали звичайними характеристиками, які має архітектура ЕОМ Джона фон Неймана машини. Інше використання - вставляти дані, що часто використовуються, в потоці команди за допомогою негайного рішення. Але код, що сам-одифікується, значною мірою піддався критиці, оскільки його, як правило, важко зрозуміти і налагодити. Крім того, він виявився також неефективним щодо відтворення та кешування схем сучасних процесорів.

За великим рахунком, здатність ставитись до інструкції як до даних – це те, що робить асемблери, компілятори, збирачі, навантажувачі та інші інструменти з можливими об'єктами автоматизованого програмування. Так би мовити, писати програми, які пишуть програми. У меншому масштабі повторювані інтенсивні операції введення та виведення, такі як BitBlt-маніпуляції із зображенням примітивних або піксельних і вершинних шейдерів у сучасній 3D-графіці, були визнані неефективними для роботи без обладнання.

Розробка концепції програми, що зберігається в пам'яті

Математик, який відчував інтерес до проблеми математичної логіки після лекції Макса Ньюмана в Кембриджському університеті, написав статтю в 1936 році, вона була опублікована у виданні Лондонського математичного товариства. У ній він описав гіпотетичну машину, яку назвав "універсальною обчислювальною машиною", і яка тепер відома як універсальна машина Тьюринга. Вона мала нескінченне сховище (в сучасній термінології - пам'ять), яке містило як інструкції, так і дані, для чого створювалася дана архітектура. Фон Нейман познайомився з Т'юрінгом у той час, коли він був запрошеним професором у Кембриджі в 1935 році, а також у ході захисту докторської дисертації Тюрінга в Інституті перспективних досліджень у Прінстоні (штат Нью-Джерсі) у 1936-1937 роках.

Незалежно один від одного Джі Преспер Еккерт та Джон Мочлі, які розробляли ENIAC у школі електротехніки в Університеті штату Пенсільванія, писали про концепцію машини, що зберігає програму у пам'яті у грудні 1943 року. При плануванні нової машини, EDVAC, Еккерт писав у січні 1944 року, що вона зберігатиме дані та програми в новому пристрої з адресацією пам'яті за допомогою затримки металевої ртуті. Це був перший раз, коли було запропоновано будівництво практично машини, що зберігає програму в пам'яті. У той же час він і Мочлі не знали про роботу Тьюринга (фото нижче).

Архітектура комп'ютера: принцип фон Неймана

Фон Нейман був залучений до «Проекту Манхеттен» у Національній лабораторії в Лос-Аламосі, який вимагав величезної кількості обчислень. Це залучило його до проекту ENIAC влітку 1944 року. Там він вступив у дискусії щодо розробки комп'ютера EDVAC. У рамках цієї групи він написав роботу під назвою «Перший проект доповіді про EDVAC», що ґрунтується на роботі Еккерта та Мочлі. Вона була незавершеною, коли його колега Гольдштейн поширив проект з ім'ям фон Неймана (до речі, Еккерт та Мочлі були приголомшені такою новиною). Цей документ був прочитаний десятками колег фон Неймана в Америці та Європі та вплинув на наступний етап комп'ютерних розробок.

Основні принципи архітектури фон Неймана, викладені в «Першому проекті», набирали широкої популярності, тоді як Т'юрінг висвітлював свою доповідь про електронний калькулятор, який був докладно описаний у техніці та програмуванні. У ньому було викладено і уявлення автора про машину, що називалася Automatic Computing Engine (ACE). Він представив його виконавчому комітету британської Національної фізичної лабораторії у 1946 році. Через деякий час навіть було зроблено різні успішні реалізації конструкції ACE.

Початок реалізації проектів

І проект фон Неймана, і документи Тьюринга описували комп'ютери, які у пам'яті певну програму, але стаття фон Неймана досягла більшої циркуляції у суспільстві, і комп'ютерна архітектура стала відома як архітектура Джона фон Неймана.

У 1945 році професор Нейман, який тоді працював в інженерній школі у Філадельфії, де і був збудований перший ENIAC, випустив від імені групи своїх колег доповідь про логічне проектування цифрових обчислювальних машин. У доповіді міститься докладна пропозиція щодо конструкції машини, яка відтоді стала відома як EDVAC. Вона тоді нещодавно була створена в Америці, але доповідь надихнула фон Неймана на створення EDSAC.

Maniacs та Joniacs

У 1947 році Беркс, Гольдштейн і фон Нейман опублікували ще одну доповідь, в якій висвітлювалася конструкція іншого типу машини (на цей раз паралельна), яка мала стати надзвичайно швидкою, здатною, можливо, здійснювати до 20 000 операцій на секунду. Вони зазначили, що невирішеною проблемою при побудові її була розробка пам'яті, весь вміст якої повинен бути миттєво доступний. Спочатку вони запропонували використовувати спеціальну вакуумну трубку, яка називається Selectron, яка була винайдена в Прінстонській лабораторії. Такі трубки були дорогими і зробити їх дуже важко, особливо якщо використовується дана архітектура. Фон Нейман згодом вирішив збудувати машину, засновану на пам'яті Williams. Ця машина, яка була завершена в червні 1952 року в Прінстоні, стала широко відома Maniac (або просто Maniacs). Її дизайн надихнув творців на конструювання напівдюжини або більше аналогічних приладів, які зараз будуються в Америці і жартома називаються Johniacs.

Принципи створення

Один з найсучасніших цифрових комп'ютерів, що втілювали розробки та вдосконалення в техніці автоматичного електронного обчислення, був продемонстрований у Національній фізичній лабораторії в Теддінгтоні, де він був спроектований і побудований невеликою групою математиків, електронників та інженерів-дослідників, за сприяння ряду виробничих інженерів Company Ltd. Обладнання досі знаходиться в лабораторії, але лише як досвідчений зразок набагато більшої установки, яка відома як Automatic Computing Engine. Але, незважаючи на порівняно невелику масу і вміст лише 800 термоіонних клапанів, він є надзвичайно швидкою та універсальною лічильною машиною.

Основні поняття та абстрактні принципи розрахунку за допомогою машини були сформульовані доктором Тьюрингом на базі того ж Лондонського математичного товариства ще в 1936 році, але робота над такими машинами у Великобританії була затримана війною. В 1945 розгляд проблем створення таких пристроїв продовжився в Національній фізичній лабораторії доктором Вормслі, суперінтендантом лабораторії Відділення математики. Він приєднався до Тьюрингу зі своїм невеликим штатом фахівців, а до 1947 попереднього планування було досить просунуто, щоб виправдати створення спеціальної групи.

Перші комп'ютери на архітектурі фон Неймана

Перший проект описує схему, яка була використана багатьма університетами та корпораціями, щоб побудувати свої комп'ютери. Серед них лише ILLIAC та ORDVAC мали сумісні набори інструкцій.

Класична архітектура фон Неймана була втілена в Манчестерській малій експериментальній машині (SSEM) на прізвисько Baby з університету Манчестера, яка здійснила свій перший успішний запуск як пристрій, що зберігає програму в пам'яті, 21 червня 1948 року.

EDSAC з Кембриджського університету, перший практичний електронний комп'ютер такого типу, був запущений вперше успішно у травні 1949 року.

Розвиток створених моделей

IBM SSEC мав можливість розглядати інструкції як дані та був публічно продемонстрований 27 січня 1948 року. Ця здатність утверджувалася в патенті США. Однак це була частково електромеханічна машина, а не електронна. На практиці інструкції були прочитані з паперової стрічки через його обмежену пам'ять.

Baby був першим повністю електронним комп'ютером для запуску збережених програм. Він запускав програму факторингу протягом 52 хвилин 21 червня 1948 після запуску простого обчислення поділу і розрахунку, який показує, що два числа є взаємно простими.

ENIAC був змінений, щоб працювати в якості примітивної ЕОМ тільки для читання, але за тією ж архітектурою, і був продемонстрований 16 вересня 1948, а запуск програми Адель Гольдштейн організувала за допомогою фон Неймана.

BINAC провів кілька тестових програм у лютому, березні та квітні 1949 року, хоч і не був завершений до вересня 1949 року. Крім того, здійснювалися тестові запуски (деякі успішні) інших електронно-обчислювальних машин, для яких властива ця архітектура. Фон Нейман, до речі, продовжував роботу над проектом "Манхеттен". Ось така універсальна людина.

Еволюція шинної системи архітектури

Через десятиліття, вже у 60-ті і 70-ті роки, комп'ютери загалом стали менше і швидше, що призвело до деяких еволюцій, які зазнала архітектура ЕОМ по фон Нейману. Наприклад, відображення в пам'яті введення та виводу дозволяє відповідним пристроям, дані та інструкції з інтеграції в систему яких будуть оброблятися, залишатися в пам'яті. Одна шинна система може бути використана для забезпечення модульної системи з меншими. Це іноді називають "раціоналізацією" архітектури. У наступні десятиліття прості мікроконтролери іноді не використовують деякі риси типової моделі, щоб знизити вартість та розмір. А ось великі комп'ютери слідують встановленій архітектурі, тому що в них додані функції підвищення продуктивності.

Державний освітній заклад

вищої професійної освіти Тюменської області

ТЮМЕНСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

СВІТОВОЇ ЕКОНОМІКИ, УПРАВЛІННЯ І ПРАВА

Кафедра математики та інформатики

з дисципліни

«ВИЧИСЛЮВАЛЬНІ СИСТЕМИ, МЕРЕЖІ І ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЇ»

«ПРИНЦИПИ ФОН НЕЙМАНА»

1. Вступ………………………………………………………………....2

2. Основні принципи архітектури Джона фон Неймана…………….3

3. Структура ЕОМ…………………………………………………………3

4. Як працює машина Джона фон Неймана…………………………...4

5. Висновок……………………………………………………………...6

Список литературы………………………………………………………...8

Вступ

Основні засади архітектури Джона фон Неймана

Структура ЕОМ

Архітектура ЕОМ, побудована за принципами Джон фон Неймана.

Суцільні лінії зі стрілками вказують напрямок потоків інформації, пунктирні - сигналів, що управляють.

Як працює машина Джона фон Неймана

Висновок

Отже, виділимо ще раз основні принципи, запропоновані фон Нейманом:

У основу побудови переважної більшості комп'ютерів покладено такі загальні принципи, сформульовані 1945 р. американським вченим Джоном фон Нейманом (Малюнок 8.5). Вперше ці принципи були опубліковані у його пропозиціях щодо машини EDVAC. Ця ЕОМ була однією з перших машин зі збереженою програмою, тобто. з програмою, запам'ятованою в пам'яті машини, а не зчитуваною з перфокарти або іншого пристрою.

Малюнок 9.5 - Джон фон Нейман, 1945

1. Принцип програмного управління . З нього випливає, що програма складається з набору команд, які виконуються процесором автоматично один за одним у певній послідовності.

Вибір програми з пам'яті здійснюється за допомогою лічильника команд. Цей регістр процесора послідовно збільшує адресу чергової команди, що зберігається в ньому, на довжину команди.

Оскільки команди програми розташовані в пам'яті один за одним, то цим організується вибірка ланцюжка команд з послідовно розташованих осередків пам'яті.

Якщо ж потрібно після виконання команди перейти не до наступної, а до якоїсь іншої комірки пам'яті, використовуються команди умовного або безумовного переходів, які заносять до лічильника команди номер комірки пам'яті, що містить наступну команду. Вибірка команд із пам'яті припиняється після досягнення та виконання команди “стоп”.

Таким чином процесор виконує програму автоматично, без втручання людини.

На думку Джона фон Неймана, комп'ютер повинен складатися з центрального арифметико-логічного пристрою, центрального пристрою управління, пристрою та введення-виведення інформації. Комп'ютер, на його думку, має працювати із двійковими числами, бути електронним (а не електричним); виконувати операції послідовно.

Усі обчислення, запропоновані алгоритмом розв'язання задачі, мають бути представлені у вигляді програми, що складається з послідовності керуючих слів-команд. Кожна команда містить вказівки на конкретну операцію, місце знаходження (адреси) операндів і ряд службових ознак. Операнди – змінні, значення яких беруть участь в операціях перетворення даних. Список (масив) всіх змінних (вхідних даних, проміжних значень та результатів обчислень) є ще одним невід'ємним елементом будь-якої програми.

Для доступу до програм, команд та операндів використовуються їх адреси. Як адреси виступають номери осередків пам'яті ЕОМ, призначених для зберігання об'єктів. Інформація (командна та дані: числова, текстова, графічна тощо) кодується двійковими цифрами 0 та 1.

Тому різні типи інформації, розміщені в пам'яті ЕОМ, практично невиразні, ідентифікація їх можлива лише при виконанні програми, згідно з її логікою, за контекстом.

2. Принцип однорідності пам'яті . Програми та дані зберігаються в одній і тій же пам'яті. Тому комп'ютер не розрізняє, що зберігається в цій клітинці пам'яті - число, текст чи команда. Над командами можна виконувати такі самі дії, як і над даними. Це відкриває цілу низку можливостей. Наприклад, програма в процесі свого виконання також може перероблятися, що дозволяє задавати в самій програмі правила отримання деяких її частин (так у програмі організується виконання циклів і підпрограм). Більше того, команди однієї програми можуть бути отримані як результати виконання іншої програми. На цьому принципі засновані методи трансляції - переклад тексту програми з мови програмування високого рівня на мову конкретної машини.

3. Принцип адресності . Структурно основна пам'ять складається з перенумерованих осередків; процесору в довільний момент часу доступна будь-яка комірка. Звідси можна давати імена областям пам'яті, щоб до запам'ятованим у яких значенням можна було згодом звертатися чи змінювати в процесі виконання програм з допомогою присвоєних імен.

Принципи фон-Неймана можна реалізувати безліччю різних способів. Тут наведемо два з них: ЕОМ з шиною та канальною організацією. Перед тим, як описати принципи функціонування ЕОМ, запровадимо кілька визначень.

Архітектурою комп'ютера називається його опис на деякому загальному рівні, що включає опис можливостей програмування, системи команд, системи адресації, організації пам'яті і т.д. Архітектура визначає принципи дії, інформаційні зв'язки та взаємне з'єднання основних логічних вузлів комп'ютера: процесора, оперативного ЗУ, зовнішніх ЗУ та периферійних пристроїв. Спільність архітектури різних комп'ютерів забезпечує їхню сумісність з погляду користувача.

Структура комп'ютера - це сукупність його функціональних елементів та зв'язків між ними. Елементами можуть бути різні пристрої - від основних логічних вузлів комп'ютера до найпростіших схем. Структура комп'ютера графічно представляється як структурних схем, з допомогою яких можна дати опис комп'ютера будь-якому рівні детализации.

Дуже часто вживається термін конфігурація ЕОМ , Під яким розуміється компонування обчислювального пристрою з чітким визначенням характеру, кількості, взаємозв'язків та основних характеристик його функціональних елементів. Термін « організація ЕОМ» визначає, як реалізовані можливості ЕОМ,

Команда – сукупність відомостей, необхідних процесору до виконання певної дії і під час програми.

Команда складається з коду операції, містить вказівку на операцію, яку необхідно виконати, та кілька адресних полів, що містять вказівку на місці розташування операндів команди.

Спосіб обчислення адреси за інформацією, що міститься в адресному полі команди, називається режимом адресації. Безліч команд, реалізованих у цій ЕОМ, утворює її систему команд.