Принципы фон Неймана построения ЭВМ

 

 

Содержание

 

1. Введение
2. Принципы фон Неймана построения ЭВМ
3. Заключение
4. Список используемой литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Он подключился к созданию первой в мире ламповой ЭВМ ENIAC в 1944 г., когда ее конструкция была уже выбрана. В процессе работы во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. В 1946 г. ученые изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье “Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства”.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Принципы фон Неймана построения ЭВМ

 

Авторство концепции, положенной в основу фон-неймановской архитектуры, в действительности принадлежит коллективу авторов (фон Нейман, Дж. Экерт, Дж. Макли), которые работали над созданием одной из первых ЭВМ общего назначения с возможностью перепрограммирования - ENIAC (1943, в частности фон Нейман был консультантом в этом проекте), а потом уже глубже реализована в машине EDVAC (1952). Сами принципы были сформулированы в нескольких публикациях, среди которых следует выделить такую ​​как Burks, AW, Goldstine, HH, and von Neumann, J. Preliminary Discussion Of The Logical Design Of An Electronic Computing Instrument , 1945 («Предыдущая дискуссия о логическом устройстве электронного вычислительного инструмента ») и Von Neumann, J. First Draft Of A Report On The EDVAC , 1946 («Первый вариант доклада о EDVAC»).

Собственно, главной проблемой, которая стояла перед «пионерами» вычислительной техники была чрезвычайная сложность введения алгоритма вычислений в ЭВМ, для чего приходилось иметь дело с многочисленными переключателями, тумблерами, разъемами и другими коммутирующих элементов. Это затрудняло процесс, приводило к огромному количеству ошибок и отнюдь не прибавляло этим машинам универсальности.

Фон Нейман в своей «Предварительный дискуссии» предложил взамен хранить алгоритм вместе с данными для вычислений в памяти вычислительной машины, что бы давало возможность во-первых оперативно перепрограммировать систему, а во-вторых обращаться с командами как с данными, проводить над ними такие же вычислительные операции, то есть фактически открывало возможность для написания программ, которые сами себя модифицируют (и это было совсем не экзотикой на то время, а практической необходимостью). Таким образом предлагалась организация вычислений, которая действительно делала вычислительную машину универсальным инструментом.

Такая структура делала невозможным различение команд от данных в памяти машины по структуре представления, но фон-Нейманом было указано, что такое размещение возможно «при условии, если машина каким-то образом сможет различить их». Для того, чтобы указать машине на то, где есть команды, а где есть данные, была впоследствии предложена концепциясчетчика команд (program counter), в котором хранилась адрес текущей команды, а после ее выполнения заменялась адресу следующей. Адреса же самих операндов (данных) хранились непосредственно в команде.

Также в «Предварительный дискуссии» была достаточно подробно рассмотрена четырехкомпонентной структура вычислительного инструмента, которая сейчас считается классической структурой фон-неймановской машины, а именно: арифметическое устройство, устройство управления, память и пульт оператора.

Принципы фон Неймана построения ЭВМ:

1. вычислительная машина конструктивно делится на ряд устройств: процессор, запоминающее устройство (для хранения программ и данных), устройство ввода–вывода и т.д.;
2. наличие хранимой в памяти программы;

3. одинаковое представление чисел и команд в виде двоичных кодов;

4. принцип микропрограммного управления процессом вычислений;

5. естественный порядок выборки команд.

Согласно первому принципу ЭВМ состоит из ряда устройств, взаимодействующих друг с другом в процессе решения задачи. Рассмотрим кратко основные устройства и их функции (рис. 1).

 

Рис. 1. Структурная схема ЭВМ

 

 

Арифметико–логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения предусмотренных в ЭВМ арифметических и логических операций. Участвующие в операциях данные выбираются из ОЗУ, результаты операций отсылаются в ОЗУ. Для ускорения выборки операндов (данных, участвующих в операциях) АЛУ может снабжаться собственной местной памятью (сверхоперативным запоминающим устройством – СОЗУ) на небольшое число данных (в сравнении с ОЗУ), но обладающей быстродействием, превышающим быстродействие ОЗУ. При этом результаты операций, если они участвуют в последующих операциях, могут не отсылаться в ОЗУ, а храниться в СОЗУ. Оперативная память вместе с СОЗУ представляет собой единый массив памяти, непосредственно доступный процессору для записи и чтения данных, а также считывания программного кода. К настоящему времени для оптимизации работы созданы процессоры с несколькими уровнями (от одного до трех) кэширования ОЗУ (несколькими СОЗУ).

Устройство управления (УУ) – координирует работу процессора, посылая в определенной временной последовательности управляющие сигналы в устройства ЭВМ, обеспечивая их соответствующее функционирование и взаимодействие друг с другом.

Оперативная память (ОЗУ) – реализуется, как правило, на модулях (микросхемах) динамической памяти. ОЗУ служит для хранения программы, исходных данных задачи, промежуточных и конечных результатов решения задачи.

Память ЭВМ к настоящему времени приобрела довольно сложную структуру и "расползлась" по многим компонентам. Кроме оперативной, память включает также и постоянную (ПЗУ), из которой можно только считывать команды и данные, и некоторые виды специальной памяти (например видеопамять графического адаптера). Вся эта память вместе с оперативной располагается в едином пространстве с линейной адресацией. В любом компьютере обязательно есть постоянная память, в которой хранится программа начального запуска компьютера и минимальный необходимый набор сервисов (например: ROM BIOS).

Все узлы ЭВМ не входящие в ядро называются периферийными. Они обеспечивают расширение возможностей ЭВМ, облегчают пользование ими. В состав периферийных (внешних) устройств могут входить следующие узлы.

Внешняя память (устройства хранения данных, например, дисковые) – память, имеющая относительно невысокое быстродействие, но по сравнению с ОЗУ существенно более высокую емкость. Внешняя память предназначена для записи данных с целью последующего считывания (возможно, и на другом компьютере). От рассмотренной выше памяти, называемой также внутренней, устройства хранения отличаются тем, что процессор не имеет непосредственного доступа к данным по линейному адресу. Доступ к данным на устройствах хранения выполняется с помощью специальных программ, обращающихся к контроллерам этих устройств. В силу того что быстродействие внешней памяти значительно ниже быстродействия АЛУ, последнее в процессе работы взаимодействует лишь с ОЗУ, получая из него команды и данные, отсылая в эту память результаты операций. Часто при решении сложных задач емкость ОЗУ оказывается недостаточной. В этих случаях в процессе решения задач данные определенными порциями могут пересылаться из внешней памяти в ОЗУ, откуда они затем выбираются для обработки в АЛУ.

Устройства ввода/вывода (УВВ) служат для преобразования информации из внутреннего представления в компьютере (биты и байты) в форму, доступную окружающим, и обратно. Под окружающими понимаем как людей, так и другие машины (например технологическое оборудование, которым управляет компьютер). К устройствам ввода относятся клавиатура, мышь, джойстик, микрофон, сканер, видеокамера, различные датчики; к устройствам вывода – дисплей, принтер, плоттер, акустические системы (наушники), исполнительные механизмы. Список устройств ввода/вывода безграничен – благодаря фантазии и техническому прогрессу в него входят все новые и новые устройства; так, например, шлем виртуальной реальности из области фантастики вышел в производственно–коммерческую. Устройства хранения к УВВ относить некорректно, поскольку здесь преобразования информации ради доступности внешнему миру не происходит. Устройства хранения вместе с УВВ можно объединить общим понятием периферийные устройства. Существует еще большой класс коммуникационных устройств, предназначенных для передачи информации между компьютерами и (или) их частями. Эти устройства обеспечивают, например, соединение компьютеров в локальные сети или подключение терминала (это УВВ) к компьютеру через пару модемов. Периферийные и коммуникационные устройства снабжаются контроллерами или адаптерами, которые доступны процессору.

 

2 принцип: наличие хранимой в памяти программы;

Другим важнейшим принципом является принцип хранимой в памяти программы. Согласно этому принципу команды программы, закодированные в цифровом виде, хранятся в памяти наравне с числами. В команде указываются не сами участвующие в операциях числа, а адреса ячеек ОП, в которых они находятся, и адрес ячейки, куда помещается результат операции.

Поскольку программа хранится в памяти, одни и те же команды могут нужное число раз извлекаться из памяти и выполняться. Более того, так как команды представляются в машине в форме чисел, то над командами как над числами машина может производить операции (“модификации команд”).

Команды выполняются в порядке, соответствующем их расположению в последовательных ячейках памяти, кроме команд безусловного и условного переходов, изменяющих этот порядок соответственно безусловно или только при выполнении некоторого условия, обычно задаваемого в виде равенства нулю, положительного или отрицательного результата предыдущей команды или отношения типа >, =, < для указываемых командой чисел. Именно благодаря наличию команд условного перехода ЭВМ может автоматически изменять соответствующим образом ход вычислительного процесса, решать сложные логические задачи.

Перед решением задачи на ЭВМ программа и исходные данные должны быть помещены в ее память. Предварительно эта информация обычно заносится во внешнюю память. Затем при помощи устройства ввода программа и исходные данные считываются в ОП.

 

3 принцип: одинаковое представление чисел и команд в виде двоичных кодов согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных символов (сигналов);

Таким образом, в вычислительной технике используется система двоичного кодирования, основанная на представлении данных последовательностью всего двух знаков: 0 и 1. Эти знаки называются двоичными цифрами, по-английски — binary digit или сокращенно bit (бит). Одним битом могут быть выражены два понятия: 0 или 1 (да или нет, черное или белое, истина или ложь и т. п.). Если количество битов увеличить до двух, то уже можно выразить четыре различных понятия:

00 01 10 11

Тремя битами можно закодировать восемь различных значений: 000 001 010 011 100 101 110 111

Увеличивая на единицу количество разрядов в системе двоичного кодирования, мы увеличиваем в два раза количество значений, которое может быть выражено в данной системе, то есть общая формула имеет вид:

N=2m,

где N — количество независимых кодируемых значений;

т — разрядность двоичного кодирования, принятая в данной системе.

Кодирование целых и действительных чисел

Целые числа кодируются двоичным кодом достаточно просто — достаточно взять целое число и делить его пополам до тех пор, пока частное не будет равно единице. Совокупность остатков от каждого деления, записанная справа налево вместе с последним частным, и образует двоичный аналог десятичного числа.

19:2 = 9+1

9:2 = 4 + 1

4:2=2+0

2:2=1+0

Таким образом, 191() = 100112.

Для кодирования целых чисел от 0 до 255 достаточно иметь 8 разрядов двоичного кода (8 бит). Шестнадцать бит позволяют закодировать целые числа от 0 до 65 535, а 24 бита — уже более 16,5 миллионов разных значений.

Для кодирования действительных чисел используют 80-разрядное кодирование. При этом число предварительно преобразуется в нормализованную форму:

3,1415926 = 0,31415926×101

300 000 = 0,3 × 106

123 456 789 = 0,123456789×1010

Первая часть числа называется мантиссой, а вторая — характеристикой. Большую часть из 80 бит отводят для хранения мантиссы (вместе со знаком) и некоторое фиксированное количество разрядов отводят для хранения характеристики (тоже со знаком).

 Кодирование  текстовых данных

Если каждому символу алфавита сопоставить определенное целое число (например, порядковый номер), то с помощью двоичного кода можно кодировать и текстовую информацию. Восьми двоичных разрядов достаточно для кодирования 256 различных символов. Этого хватит, чтобы выразить различными комбинациями восьми битов все символы английского и русского языков, как строчные, так и прописные, а также знаки препинания, символы основных арифметических действий и некоторые общепринятые специальные символы, например символ "§".

Технически это выглядит очень просто, однако всегда существовали достаточно веские организационные сложности. В первые годы развития вычислительной техники они были связаны с отсутствием необходимых стандартов, а в настоящее время вызваны, наоборот, изобилием одновременно действующих и противоречивых стандартов. Для того чтобы весь мир одинаково кодировал текстовые данные, нужны единые таблицы кодирования, а это пока невозможно из-за противоречий между символами национальных алфавитов, а также противоречий корпоративного характера.

 

4 принцип: принцип микропрограммного управления процессом вычислений;

 

 Любая машинная команда рассматривается, как некоторое сложное действие, которое состоит из последовательности элементарных действий над словами информации – микроопераций. Методы и приемы синтеза дискретных устройств (ДУ) использовали их представление в виде совокупности двух основных блоков: комбинационного логического и блока элементов памяти. Такой подход обладает универсальностью и обеспечивает хорошие результаты при построении относительно несложных ДУ. Однако полученные на его основе процедуры синтеза ДУ оказываются чрезмерно громоздкими и трудоемкими при построении устройств средней и большой сложности, имеющих важное практическое значение. Работа таких устройств обычно заключается в реализации некоторого алгоритма обработки информации, т.е. в выполнении упорядоченной последовательности определенных операций над поступающими данными. При построении таких ДУ целесообразно использовать принцип микропрограммного управления, состоящий в следующем: