Архитектура Фон Неймана. Принципы создания ЭВМ согласно Фон Нейману

 

Содержание: 

1.Введение……………………………………………………………………..3

2.Краткая биография Джон Фон Неймана…………………………………..4

3.Архитектура Джон Фон Неймана………………………………………….5

4.Принципы Джон Фон Неймана…………………………………………….6

5. Электронно-вычислительная машина Джон Фон Неймана………………7

6.Схема вычислительной машины Джон Фон Неймана…………………….13

7.Заключение…………………………………………………………………..14

8.Список использованной литературы……………………………………….15 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.Введение 
 

В своей курсовой работе на тему «Архитектура Фон Неймана. Принципы создания ЭВМ согласно Фон Нейману» я расскажу вам краткую биографию

Американского математика Джон фон Неймана, о том  как создавались его вычислительные машины (компьютеры),о принципах, созданных  Джон Фон Нейманом и о самих  вычислительных машинах и их составляющих ,а так  же отображу схему вычислительных машин. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Краткая биография Джон фон Неймана

Джон Фон Нейман  (1903 — 1957) — американский математик. Внес

большой вклад  в создание первых ЭВМ и разработку методов их

применения. Интерес фон Неймана к компьютерам  в какой-то степени связан с его  участием в сверхсекретном Манхэттенском  проекте по созданию атомной бомбы, который разрабатывался в Лос-Аламосе, шт. Нью-Мексико.

Однако  фон Нейман понимал, что компьютер  — это не больше, чем простой  калькулятор, что — по крайней  мере потенциально — он представляет собой универсальный инструмент для научных исследований.

В 1945 году был опубликован доклад фон Неймана, в котором он наметил основные принципы построения и компоненты современного компьютера. Согласно выводам фон Неймана в компьютере должны быть следующие устройства: арифметико-логические устройство (для выполнения арифметических и логических операций), устройство управления (управление работой всей машины), оперативная память (для хранения команд и данных), устройства ввода и вывода информации. 

Компьютеры, построенные в соответствии с  принципами фон Неймана, стали называть "машинами фон Неймана".

Архитектурные принципы организации компьютера указанные фон Нейманом, оставались почти неизменными вплоть до 1970-х годов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3.Архитектура Джон Фон Неймана

Архитектура Фон Неймана (англ. von Neumann architecture) — широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана», однако, соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.

Наличие заданного  набора исполняемых команд и программ было характерной чертой первых компьютерных систем. Сегодня подобный дизайн применяют  с целью упрощения конструкции  вычислительного устройства. Так, настольные калькуляторы, в принципе, являются устройствами с фиксированным набором  выполняемых программ. Их можно использовать для математических расчётов, но невозможно применить для обработки текста и компьютерных игр, для просмотра  графических изображений или  видео. Изменение встроенной программы  для такого рода устройств требует  практически полной их переделки, и  в большинстве случаев невозможно. Впрочем, перепрограммирование ранних компьютерных систем всё-таки выполнялось, однако требовало огромного объёма ручной работы по подготовке новой  документации, перестройки блоков и  устройств и т. п. Всё изменила идея хранения компьютерных программ в общей памяти. Ко времени её появления использование архитектур, основанных на наборах исполняемых  инструкций, и представление вычислительного  процесса как процесса выполнения инструкций, записанных в программе, чрезвычайно  увеличило гибкость вычислительных систем в плане обработки данных. Один и тот же подход к рассмотрению данных и инструкций сделал лёгкой задачу изменения самих программ.

В настоящее  время фон-неймановской архитектурой называется организация ЭВМ, при  которой вычислительная машина состоит  из двух основных частей — линейно-адресуемой памяти, слова которой хранят команды  и элементы данных, и процессора выполняющего эти команды. В основе модели вычислений фон Неймана лежат принцип последовательной передачи управления (счётчик команд) и концепция переменной (идентификатор).  
 
 
 
 

4.Принципы Джон Фон Неймана

 

1. Принцип двоичного кодирования.

Для представления  данных и команд используется двоичная система счисления(цифры 0 и 1)

2. Принцип однородности памяти.

Как программы (команды), так и относящиеся к  программам 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.

3. Принцип адресуемости памяти.

Структурно  основная память состоит из пронумерованных  ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка; память внутренняя.

4. Принцип последовательного программного управления.

Все команды  располагаются в памяти и выполняются  последовательно, одна после завершения другой, в последовательности, определяемой программой.

5. Принцип жесткости архитектуры.

Неизменяемость  в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд. 
 
 
 
 
 

5.Электронно вычислительная машина Джон Фон Неймана

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, предназначенного для организации выполнения программ; запоминающих устройств (ЗУ), в т.ч. оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и внешнего запоминающего устройства (ВЗУ); внешних устройств для ввода-вывода данных. 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.

Первые компьютерные системы отличались жестко заданным набором исполняемых команд и программ. Примером такого рода вычислительных устройств являются калькуляторы. 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.

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).

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.

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.

Электронно-вычислительные машины (ЭВМ), или, как их теперь чаще называют, компьютеры, - одно из самых  удивительных творений человека. В  узком смысле ЭВМ - это приспособления, выполняющие разного рода вычисления или облегчающие этот процесс. Простейшие устройства, служащие подобным целям, появились в глубокой древности, несколько тысячелетий назад. По мере развития человеческой цивилизации  они медленно эволюционировали, непрерывно совершенствуясь. Однако только в 40-е годы нашего столетия было положено начало созданию компьютеров современной архитектуры и с современной логикой. Именно эти годы можно по праву считать временем рождения современных ( естественно, электронных ) вычислительных машин.

В своем историческом докладе, опубликованном в 1945 году, Джон Фон Нейман выделил и детально описал пять ключевых компонентов того, что ныне называют " архитектурой фон Неймана " современного компьютера. 

Чтобы компьютер  был и эффективным , и универсальным  инструментом, он должен включать следующие  структуры: центральное арифметико-логическое устройство (АЛУ), центральное устройство управления (УУ), " дирижирующее " операциями, запоминающее устройство, или память, а также устройства ввода-вывода информации.

Фон Нейман отмечал, что эта система должна работать с двоичными числами, быть электронным, а не механическим устройством и выполнять операции последовательно, одну за другой.

Таким образом ЭВМ содержат следующие основные функциональные блоки:

1. запоминающее устройство (память);
2. арифметико-логическое устройство (АЛУ); процессор
3. управляющее устройство (УУ);
4. устройства ввода и вывода информации

 

 

Путь информации в машине начинается с устройства ввода. Это глаза и уши ЭВМ. Она может воспринять информацию, считывая ее с карт, с перфоленты, с магнитной ленты, магнитного или лазерного диска, с телетайпа или же получая ее от оператора ЭВМ, сидящего за пультом дисплея. Нажатием клавиш оператор вводит исходные данные в машину и одновременно видит их на экране. Это очень удобно. Вводимая информация идет без каких-либо промежуточных носителей. Весь процесс - общение с машиной - происходит в режиме диалога с ней.

Введенная в  ЭВМ информация поступает в  оперативный накопитель. Некоторая часть ее остается здесь до поры до времени, не вступая в действие. Для другой оперативный накопитель - своего рода пересыльный пункт. Через него часть информации попадает в запоминающее устройство - своеобразную записную книжку машины, хранящую множество полезных для работы сведений. Их не сотни и не тысячи единиц, а миллионы. И запись эта может храниться очень долго. Другая часть информации нужна для немедленной переработки: она тотчас же поступает в АЛУ, состоящее из сумматоров. Они-то и выполняют все арифметические и логические действия.