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.
· Принцип двоичного кодирования
· Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов (двоичных цифр, битов) и разделяется на единицы, называемые словами.
· Принцип однородности памяти
· Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. 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. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к хранящимся в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.
· Принцип последовательного программного управления
· Предполагает, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
· Принцип жесткости архитектуры
· Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.
· Компьютеры, построенные на этих принципах, относят 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. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.
· 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.
· 
· 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.
16)Структура и архитектура вычислительной системы
Система (от греческого systema - целое, составленное из частей соединение) - это совокупность элементов, взаимодействующих друг с другом, образующих определенную целостность, единство.
Вычислительная система - это совокупность одного или нескольких компьютеров или процессоров, программного обеспечения и периферийного оборудования, организованная для совместного выполнения информационно-вычислительных процессов.
Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку.
Основные принципы построения, закладываемые при создании ВС:
возможность работы в разных режимах;
модульность структуры технических и программных средств, что позволяет совершенствовать и модернизировать вычислительные системы без коренных их переделок;
унификация и стандартизация технических и программных решений;
иерархия в организации управления процессами;
способность систем к адаптации, самонастройке и самоорганизации;
обеспечение необходимым сервисом пользователей при выполнении вычислений
По назначению ВС делят на
универсальные,
проблемно-ориентированные
специализированные.
Универсальные предназначаются для решения широкого класса задач. Проблемно-ориентированные используются для решения определенного круга задач в сравнительно узкой сфере. Специализированные ориентированы на решение узкого класса задач
По типу ВС различаются на
многомашинные
многопроцессорные.
Вычислительная система может строиться на базе либо целых компьютеров (многомашинная ВС), либо на базе отдельных процессоров (многопроцессорная ВС).
По типу ЭВМ или процессоров различают
однородные – строятся на базе однотипных компьютеров или процессоров.
неоднородные системы – включает в свой состав различные типы компьютеров или процессоров.
Территориально ВС делятся на:
сосредоточенные (все компоненты располагаются в непосредственной близости друг от друга);
распределенные (компоненты могут располагаться на значительном расстоянии, например, вычислительные сети);
По методам управления элементами ВС различают
централизованные,
децентрализованные
со смешанным управлением.
По режиму работы ВС различают системы, работающие в
оперативном
неоперативном временных режимах.
Кроме этого, ВС могут быть структурно
одноуровневыми (имеется лишь один общий уровень обработки данных);
Многоуровневыми (иерархическими) структурами. В иерархических ВС машины или процессоры распределены по разным уровням обработки информации, некоторые машины (процессоры) могут специализироваться на выполнении определенных функций.
Структура вычислительной системы.
Структура ВС - это совокупность комплексируемых элементов и их связей. В качестве элементов ВС выступают отдельные ЭВМ и процессоры.
В описанной многоуровневой структуре реализуется классическая фон- неймановская организация ВС и предполагает последовательную обработку информации по заранее составленной программе.
Архитектура вычислительных систем. Классификация архитектур вычислительных систем.
Архитектура системы – совокупность свойств системы, существенных для пользования.
Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д.
Классическая архитектура (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.
Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко.
Самой ранней и наиболее известной является классификация архитектур вычислительных систем, предложенная в 1966 году М.Флинном.
· Классификация базируется на понятии потока, под которым понимается последовательность элементов, команд или данных, обрабатываемая процессором. На основе числа потоков команд и потоков данных Флинн выделяет четыре класса архитектур: SISD,MISD,SIMD,MIMD.
SISD (single instruction stream / single data stream) - одиночный поток команд и одиночный поток данных. К этому классу относятся, прежде всего, классические последовательные машины, или иначе, машины фон-неймановского типа, например, PDP-11 или VAX 11/780. В таких машинах есть только один поток команд, все команды обрабатываются последовательно друг за другом и каждая команда инициирует одну операцию с одним потоком данных. Не имеет значения тот факт, что для увеличения скорости обработки команд и скорости выполнения арифметических операций может применяться конвейерная обработка - как машина CDC 6600 со скалярными функциональными устройствами, так и CDC 7600 с конвейерными попадают в этот класс.
SIMD (single instruction stream / multiple data stream) - одиночный поток команд и множественный поток данных. В архитектурах подобного рода сохраняется один поток команд, включающий, в отличие от предыдущего класса, векторные команды. Это позволяет выполнять одну арифметическую операцию сразу над многими данными - элементами вектора. Способ выполнения векторных операций не оговаривается, поэтому обработка элементов вектора может производится либо процессорной матрицей, как в ILLIAC IV, либо с помощью конвейера, как, например, в машине CRAY-1.
MISD (multiple instruction stream / single data stream) - множественный поток команд и одиночный поток данных. Определение подразумевает наличие в архитектуре многих процессоров, обрабатывающих один и тот же поток данных. Однако ни Флинн, ни другие специалисты в области архитектуры компьютеров до сих пор не смогли представить убедительный пример реально существующей вычислительной системы, построенной на данном принципе. Ряд исследователей относят конвейерные машины к данному
Джон фон Нейман уже в восьмилетнем возрасте владел основами высшей математики и несколькими иностранными и классическими языками. Закончив в 1926 году Будапештский университет, фон Нейман преподавал в Германии, а в 1930 году эмигрировал в США и стал сотрудником Принстонского института перспективных исследований.
В 1944 году фон Нейман и экономист О. Моргенштерн написали книгу «Теория игр и экономическое поведение». Эта книга содержит не только математическую теорию игр, но ее применения к экономическим, военным и другим наукам. Джон фон Нейман был направлен в группу разработчиков ENIAC консультантом по математическим вопросам, с которыми встретилась эта группа.
В 1946 году вместе с Г. Гольдстейном и А. Берксом он написал и выпустил отчет «Предварительное обсуждение логической конструкции электронной вычислительной машины». Поскольку имя фон Неймана как выдающегося физика и математика было уже хорошо известно в широких научных кругах, все высказанные положения в отчете приписывались ему. Более того, архитектура первых двух поколений ЭВМ с последовательным выполнением команд в программе получила название «фон Неймановской архитектуры ЭВМ».
1. Принцип программного управления
Этот принцип обеспечивает автоматизацию процессов вычислений на ЭВМ.
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. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, 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
2. Принцип однородности памяти
Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатом вычислений.
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.
3. 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.
Фон Нейман описал, каким должен быть компьютер, чтобы он был универсальным и удобным средством для обработки информации . Он прежде всего должен иметь следующие устройства:
- Арифметическо-логическое устройство, которое выполняет арифметические и логические операции Устройство управления, которое организует процесс выполнения программ Запоминающее устройство для хранения программ и данных Внешние устройства для ввода-вывода информации.
Компьютеры, построенные на этих принципах, относят к типу фон-неймановских.
На сегодняшний день это подавляющие большинство компьютеров, в том числе и IBM PC – совместимые. Но есть и компьютерные системы с иной архитектурой – например системы для параллельных вычислений.
Магистрально-модульный принцип построения ЭВМ
Под архитектурой компьютера понимается его логическая организация, структура, ресурсы, т. е. средства вычислительной системы. Архитектура современных ПК основана на магистрально-модульном принципе.
Модульный принцип позволяет потребителю самому подобрать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости его модернизацию. Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информации. Магистраль или системная шина - это набор электронных линий, связывающих воедино по адресации памяти, передачи данных и служебных сигналов процессор, память и периферийные устройства.
Обмен информацией между отдельными устройствами ЭВМ производится по трем многоразрядным шинам, соединяющим все модули, - шине данных, шине адресов и шине управления.
Подключение отдельных модулей компьютера к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, а на программном обеспечивается драйверами. Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответствующее устройство смогло принять этот сигнал и отреагировать на него. За реакцию устройства процессор не отвечает - это функция контроллера. Поэтому внешние устройства ЭВМ заменяемы, и набор таких модулей произволен.
Разрядность шины данных задается разрядностью процессора, т. е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт.
Данные по шине данных могут передаваться как от процессора к какому-либо устройству, так и в обратную сторону, т. е. шина данных является двунаправленной. К основным режимам работы процессора с использованием шины передачи данных можно отнести следующие: запись/чтение данных из оперативной памяти и из внешних запоминающих устройств, чтение данных с устройств ввода, пересылка данных на устройства вывода.
Выбор абонента по обмену данными производит процессор, который формирует код адреса данного устройства, а для ОЗУ - код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине, причем сигналы передаются в одном направлении, от процессора к устройствам, т. е. эта шина является однонаправленной.
По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией, и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией.
Внешние устройства к шинам подключаются посредством интерфейса. Под интерфейсом понимают совокупность различных характеристик какого-либо переферийного устройства ПК, определяющих организацию обмена информацией между ним и центральным процессором. В случае несовместимости интерфейсов (например, интерфейс системной шины и интерфейс винчестера) используют контроллеры.
Чтобы устройства, входящие в состав компьютера, могли взаимодействовать с центральным процессором, в IBM-совместимых компьютерах предусмотрена система прерываний (Interrupts). Система прерываний позволяет компьютеру приостановить текущее действие и переключиться на другие в ответ на поступивший запрос, например, на нажатие клавиши на клавиатуре. Ведь с одной стороны, желательно, чтобы компьютер был занят возложенной на него работой, а с другой - необходима его мгновенная реакция на любой требующий внимания запрос. Прерывания обеспечивают немедленную реакцию системы.
Прогресс компьютерных технологий идет семимильными шагами. Каждый год появляются новые процессоры, платы, накопители и прочие периферийные устройства. Рост потенциальных возможностей ПК и появление новых более производительных компонентов неизбежно вызывает желание модернизировать свой компьютер. Однако нельзя в полной мере оценить новые достижения компьютерной технологии без сравнения их с существующими стандартами.
Разработка нового в области ПК всегда базируется на старых стандартах и принципах. Поэтому знание их является основополагающим фактором для (или против) выбора новой системы.
В состав ЭВМ входят следующие компоненты :
- центральный процессор (CPU); оперативная память (memory);
- устройства хранения информации (storage devices);
- устройства ввода (input devices);
- устройства вывода (output devices);
- устройства связи (communication devices).
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.
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.