Architektonické princípy Von Neumannovej aplikácie práce. Von Neumannove zásady stavby elektronického počítača. Základné princípy architektúry od Johna von Neumanna

Štátna vzdelávacia inštitúcia

vyššie odborné vzdelanie regiónu Ťumeň

TYUMENSKÁ ŠTÁTNA AKADÉMIA

SVETOVÁ EKONOMIKA, SPRÁVA A PRÁVA

Katedra matematiky a informatiky

podľa disciplíny

„POČÍTAČOVÉ SYSTÉMY, SIETE A TELEKOMUNIKÁCIE“

„ZÁSADY VONA NEUMANA“

Úvod ……………………………………………………………… .... 2

Základné princípy architektúry od Johna von Neumanna …………… .3

Štruktúra počítača …………………………………………………………… 3

Ako funguje stroj Johna von Neumanna ………………………… ... 4

Záver ……………………………………………………………… ... 6

Referencie …………………………………………………………… ... 8

Úvod

Od polovice 60. rokov sa prístup k vytváraniu počítačov dramaticky zmenil. Namiesto vývoja hardvérovej a matematickej podpory sa začal navrhovať systém, ktorý pozostáva zo syntézy hardvéru a softvéru. Súčasne sa do popredia dostal koncept interakcie. Tak vznikol nový koncept - počítačová architektúra.

Architektúra počítača sa zvyčajne chápe ako súbor všeobecných zásad pre organizáciu hardvéru a softvéru a ich hlavné charakteristiky, ktoré určujú funkčnosť počítača pri riešení zodpovedajúcich typov problémov.

Počítačová architektúra pokrýva značnú škálu problémov spojených s vytvorením komplexu hardvéru a softvéru a zohľadňuje veľký počet určujúcich faktorov. Medzi tieto faktory patria hlavne tieto: cena, rozsah, funkčnosť, jednoduchosť použitia a hardvér sa považuje za jednu z hlavných súčastí architektúry.

Architektúru výpočtového zariadenia je potrebné odlišovať od štruktúry, pretože štruktúra výpočtového zariadenia určuje jeho aktuálne zloženie na určitej úrovni podrobností a opisuje spojenia v rámci zariadenia. Architektúra na druhej strane definuje základné pravidlá pre interakciu základných prvkov výpočtového zariadenia, ktorých opis sa vykonáva v rozsahu potrebnom na vytvorenie pravidiel interakcie. Nestanovuje všetky spojenia, ale iba tie najnutnejšie, ktoré by mali byť známe pre kompetentnejšie používanie použitého nástroja.

Užívateľa počítača teda nezaujíma, na akých prvkoch sú vyrobené elektronické obvody, príkazy sú vykonávané v obvode alebo softvéri a podobne. Počítačová architektúra skutočne odráža celý rad problémov, ktoré sa týkajú všeobecného návrhu a konštrukcie počítačov a ich softvéru.

Architektúra počítača obsahuje štruktúru, ktorá odráža zloženie počítača, ako aj softvérovú a matematickú podporu. Štruktúra počítača je sada prvkov a spojení medzi nimi. Základným princípom konštrukcie všetkých moderných počítačov je softvérové ​​ovládanie.

Základy teórie počítačovej architektúry položil John von Neumann. Kombinácia týchto princípov dala vzniknúť klasickej (von Neumannovej) počítačovej architektúre.

Základné princípy architektúry od Johna von Neumanna

John von Neumann (1903 - 1957) je americký matematik, ktorý významne prispel k vzniku prvých počítačov a vývoju metód pre ich aplikáciu. Bol to on, kto položil základy doktríny architektúry počítačov, keď sa pripojil k vytvoreniu prvého elektrónkového počítača ENIAC na svete v roku 1944, keď už bol vybraný jeho dizajn. V procese práce, počas početných diskusií so svojimi kolegami G. Goldsteinom a A. Berksom, John von Neumann vyjadril myšlienku zásadne nového počítača. V roku 1946 vedci načrtli svoje princípy stavby počítačov v dnes už klasickom článku „Predbežné zváženie logického návrhu elektronického počítačového zariadenia“. Odvtedy uplynulo viac ako pol storočia, ale ustanovenia, ktoré sú v ňom uvedené, zostávajú aktuálne aj dnes.

Tento článok presvedčivo odôvodňuje použitie binárneho systému na reprezentáciu čísel, pretože predtým všetky počítače ukladali spracované čísla v desatinnej forme. Autori predviedli výhody binárneho systému pre technickú implementáciu, pohodlie a jednoduchosť vykonávania aritmetických a logických operácií v ňom. V budúcnosti počítače začali spracovávať nečíselné typy informácií - textové, grafické, zvukové a ďalšie, ale binárne kódovanie údajov stále tvorí informačný základ každého moderného počítača.

Ďalšou revolučnou myšlienkou, ktorej dôležitosť je ťažké preceňovať, je princíp „uloženého programu“, ktorý navrhol Neumann. Program bol pôvodne nastavený nastavením prepojok na špeciálny patch panel. Bola to veľmi namáhavá úloha: zmena programu stroja ENIAC napríklad trvala niekoľko dní, pričom skutočný výpočet nemohol trvať dlhšie ako niekoľko minút - obrovské množstvo žiaroviek bolo mimo prevádzky. Neumann ako prvý uhádol, že program je možné uložiť aj ako sadu núl a jednotiek a do rovnakej pamäte ako čísla, ktoré spracováva. Absencia zásadného rozdielu medzi programom a údajmi umožnila počítaču vytvoriť si pre seba program v súlade s výsledkami výpočtov.

Štruktúra počítača

John von Neumann nielenže predložil základné princípy logického zariadenia počítača, ale navrhol aj jeho štruktúru, ktorá bola reprodukovaná počas prvých dvoch generácií počítačov. Podľa Neumanna sú hlavnými blokmi riadiaca jednotka (CU) a aritmetická logická jednotka (ALU), zvyčajne kombinované do centrálneho procesora, ktorý obsahuje aj sadu registrov na všeobecné použitie (RON) - na dočasné ukladanie informácií počas jeho spracovanie; pamäť, externá pamäť, vstupné a výstupné zariadenia. Je potrebné poznamenať, že externá pamäť sa líši od vstupných a výstupných zariadení v tom, že údaje sú do nej vkladané vo forme vhodnej pre počítač, ale nedostupnej pre priame ľudské vnímanie.

Počítačová architektúra založená na princípoch Johna von Neumanna.

Plné čiary so šípkami označujú smer informačných tokov, prerušované čiary označujú riadiace signály.

Ako funguje stroj Johna von Neumanna

Teraz sa porozprávajme podrobnejšie o tom, ako funguje stroj postavený na tejto architektúre. Stroj von Neumann pozostáva z úložného zariadenia (pamäte) - pamäte, aritmeticko -logického zariadenia - ALU, riadiaceho zariadenia - CU, ako aj vstupných a výstupných zariadení, ktoré je možné vidieť na ich diagramoch a čo už bolo spomenuté.

Programy a údaje sa zadávajú do pamäte zo vstupného zariadenia pomocou aritmetického logického zariadenia. Všetky príkazy programu sú zapísané do susedných pamäťových buniek a údaje na spracovanie môžu byť obsiahnuté v ľubovoľných bunkách. V prípade akéhokoľvek programu musí byť posledným príkazom príkaz na vypnutie.

Príkaz pozostáva zo zadania, akú operáciu je potrebné vykonať, a adries pamäťových buniek, v ktorých sú uložené údaje, na ktorých sa má zadaná operácia vykonať, ako aj adresy bunky, do ktorej by sa mal zapísať výsledok, ak sa vyžaduje uloženie. v pamäti.

Aritmetická logická jednotka vykonáva operácie označené príkazmi na uvedených údajoch. Z neho sú výsledky odoslané do pamäte alebo na výstupné zariadenie.

Riadiaca jednotka (CU) ovláda všetky časti počítača. Odosiela signály do iných zariadení „čo robiť“ a z iných zariadení CU prijíma informácie o ich stave. Obsahuje špeciálny register (bunku) nazývaný „počítadlo príkazov“. Po načítaní programu a údajov do pamäte sa adresa prvého príkazu programu zapíše do počítadla príkazov a CU načíta z pamäte obsah bunky pamäte, ktorej adresa je v počítadle príkazov, a umiestni ho do špeciálneho zariadenia - „Register príkazov“. UU určuje činnosť príkazu, „označí“ údaje v pamäti, ktorých adresy sú uvedené v príkaze, a riadi vykonávanie príkazu.

ALU - poskytuje aritmetické a logické spracovanie dvoch premenných, v dôsledku čoho sa vytvára výstupná premenná. ALU funkcie sú zvyčajne redukované na jednoduché aritmetické a logické operácie a posunové operácie. Tiež generuje množstvo atribútov výsledku (vlajok), ktoré charakterizujú získaný výsledok a udalosti, ktoré nastali v dôsledku jeho prijatia (rovnosť na nulu, znamienko, parita, pretečenie). UU môže analyzovať vlajky, aby sa mohol rozhodnúť o ďalšej sekvencii vykonávania príkazu.

V dôsledku vykonania akéhokoľvek príkazu sa počítadlo príkazov zmení o jeden, a preto ukazuje na nasledujúci príkaz v programe. Ak je potrebné vykonať príkaz, ktorý nie je nasledujúci v poradí s aktuálnym, ale je od neho daný určitým počtom adries, potom špeciálny príkaz skok obsahuje adresu bunky, do ktorej sa má prenos preniesť. .

Záver

Zopakujme teda ešte raz základné princípy, ktoré navrhol von Neumann:

Princíp binárneho kódovania. Na reprezentáciu údajov a príkazov sa používa systém binárnych čísel.

Princíp homogenity pamäte. Programy (pokyny) aj údaje sú uložené v rovnakej pamäti (a kódované v rovnakom číselnom systéme - najčastejšie binárnom). S príkazmi môžete vykonávať rovnaké akcie ako s údajmi.

Princíp adresovateľnosti pamäte.Štrukturálne pozostáva hlavná pamäť z očíslovaných buniek; procesor má kedykoľvek k dispozícii akúkoľvek bunku.

Princíp sekvenčného riadenia programu. Všetky príkazy sú umiestnené v pamäti a sú vykonávané postupne, jeden po druhom.

Princíp podmieneného skoku. Príkazy z programu nie sú vždy vykonávané jeden po druhom. Je možné, že program obsahuje inštrukcie podmieneného skoku, ktoré menia postupnosť vykonávania príkazov v závislosti od hodnôt údajov. (Samotný princíp sformulovali dávno pred Johnom von Neumannom Ada Lovelace a Charles Babbage, ale je logicky zaradený do von Neumannovej sady ako doplnok k predchádzajúcemu princípu.)

John von Neumann významne prispel k vývoju prvých počítačov a vývoju metód pre ich aplikáciu. Základy architektúry výpočtových zariadení vyvinuté von Neumannom sa ukázali byť také zásadné, že v literatúre dostali názov „von Neumannova architektúra“. Princípy tejto architektúry sú dnes široko používané. Drvivú väčšinu počítačov dnes tvoria stroje von Neumann. Výnimkou sú iba určité typy systémov pre paralelné výpočty, v ktorých neexistuje počítadlo inštrukcií, klasický koncept premennej nie je implementovaný a existujú ďalšie významné zásadné rozdiely od klasického modelu (príkladom sú počítače so streamovaním a redukciou).

Riadiaca jednotka a aritmeticko -logická jednotka v moderných počítačoch sú kombinované do jednej jednotky - procesora, ktorý je prevodníkom informácií pochádzajúcich z pamäte a externých zariadení (to zahŕňa načítanie pokynov z pamäte, kódovanie a dekódovanie, vykonávanie rôznych činností vrátane aritmetiky , operácie, koordinácia práce počítačových uzlov).

Moderné počítače majú „viacúrovňové“ úložné zariadenie na ukladanie informácií a programov. Obsahuje pamäť RAM (Random Access Memory), ktorá ukladá informácie, s ktorými počítač v danom čase priamo pracuje (spustiteľný program, niektoré údaje naň potrebné, niektoré riadiace programy) a externé úložné zariadenia (VCU) oveľa väčšia kapacita ako RAM, ale s výrazne pomalším prístupom. Klasifikácia pamäťových zariadení nekončí RAM a VZU-určité funkcie vykonávajú SRAM (superoperačná pamäť), ROM (pamäť iba na čítanie) a ďalšie poddruhy počítačovej pamäte.

K významnej odchýlke od von Neumannovej architektúry zrejme dôjde iba v dôsledku vývoja myšlienky strojov piatej generácie, v ktorých spracovanie informácií nie je založené na výpočtoch, ale na logických záveroch.

Bibliografia

H. Craigon. Počítačová architektúra a jej implementácia. Výučba. - S-Pb., Mir, 2004.

E. Tanenbauem. Počítačová architektúra. Vedecká literatúra. - Petrohrad., Peter, 2003.

História počítača. [Elektronický zdroj]. - Režim prístupu: http://www.chernykh.net/. Dátum prístupu: 10.11.2010.

Planéta informatiky. [Elektronický zdroj]. - Režim prístupu: http: // www. inf1.info/. Dátum prístupu: 12.11.2010.

1. Architektúra pozadie Neumann

   Abstrakt >> Konštrukcia

   Spoluautori a tieto nápady boli pomenované „ zásady pozadie Neumann ". Princíp binárne kódovanie. Reprezentovať údaje ... k typu von Neumanna. Počítače postavené na zásady pozadie Neumann V polovici štyridsiatych rokov minulého storočia projekt počítača, ktorý ukladal ...

2. Zásady organizácia a práca s PC

   Kurz >> Informatika

   Zariadenie s centrálnym procesorom. 1. ZÁSADY ORGANIZÁCIE A OSOBNÉ POČÍTAČE ... Pozadie Neumann predložil nielen základné zásady logický ... počítač postavený na zásady pozadie Neumann... Vyvinutý pozadie Neumann základy architektúry ...

3. Princíp Heisenbergova neistota

   Životopis >> Biológia

   Kinematické a mechanické vzťahy “venované princíp neistota. Podľa princíp neistota, súčasné meranie dvoch ... ideálnych meraní, niekedy nazývaných aj merania pozadie

V roku 1946 John von Neumann (so spoluautormi) popísal architektúru nejakej abstraktnej kalkulačky, ktorá sa dnes bežne nazýva von Neumannov stroj... Tento stroj je abstraktný model Sálovým počítačom sa však táto abstrakcia líši od abstraktných vykonávateľov algoritmov (napríklad Turingove stroje). Ak je Turingov stroj v zásade nemožné implementovať kvôli nekonečnej páske, ktorá je súčasťou jeho architektúry, potom nie je možné implementovať stroj von Neumann, pretože mnoho detailov v architektúre tohto stroja nešpecifikované... Toto sa robilo účelovo, aby sa nebránilo kreatívnemu prístupu k podnikaniu medzi inžiniermi-vývojármi nových počítačov.

V istom zmysle je stroj von Neumann podobný abstraktné dátové štruktúry, ktoré ste študovali v predchádzajúcom semestri. Ako si pamätáte, pre tieto dátové štruktúry bolo nevyhnutné, aby ich použitie bolo mapovať na dátové štruktúry úložiska a implementovať s nimi vhodné operácie.

Môžeme povedať, že stroj von Neumann obsahuje tie architektonické prvky, ktoré by podľa názoru autorov tohto abstraktného stroja mali byť do istej miery vlastné všetkým počítačom. Prakticky všetky moderné počítače sa samozrejme líšia svojou architektúrou od stroja von Neumanna, ale je vhodné tieto rozdiely študovať presne ako rozdiely porovnávaním a porovnávaním s von Neumannovým strojom. Pri našom zvažovaní tohto stroja bude pozornosť upriamená na rozdiely medzi architektúrou von Neumannovho stroja a modernými počítačmi. Základné vlastnosti architektúry stroja von Neumanna budú formulované ako von Neumannove princípy... Tieto zásady už mnoho rokov určujú hlavné črty architektúry počítačov niekoľkých generácií.

Na obr. 2.1 ukazuje diagram von Neumannovho stroja, ako je znázornený vo väčšine učebníc o počítačovej architektúre. Na tomto obrázku sú znázornené hrubé šípky toky príkazov a údajov a tenký - prenos medzi zariadeniami riadiace signály... Stroj von Neumann pozostáva z pamäte, vstupných / výstupných zariadení a centrálna procesorová jednotka(CPU). Centrálny procesor sa zase skladá z ovládacie zariadenia(UU) a aritmetická logická jednotka(ALU). Pozrime sa postupne na zariadenia von Neumannovho stroja a funkcie, ktoré vykonávajú.

Pamäť

Princíp linearity a homogenity pamäte.

Pamäť- lineárna (usporiadaná) homogénna postupnosť niektorých prvkov, tzv bunky... Ostatné zariadenia zariadenia (pozdĺž hrubých šípok) môžu zapisovať a čítať informácie do akejkoľvek pamäťovej bunky a čas na čítanie z akejkoľvek bunky je pre všetky bunky rovnaký. Čas záznamu v akejkoľvek bunke je tiež rovnaký (toto je princíp homogenita Pamäť). Takáto pamäť v moderných počítačoch sa nazýva Náhodný vstup do pamäťe(Pamäť s náhodným prístupom, RAM). V praxi môže mať mnoho počítačov sekcie pamäte rôznych typov, z ktorých niektoré podporujú iba čítanie informácií (pamäť iba na čítanie, ROM), iné umožňujú zápis, ale na dlhší čas ako vo zvyšnej časti pamäte (toto je prípad -nazývaný polotrvalé pamäť) atď.

Pamäťové bunky vo von Neumannovom stroji sú očíslované od nuly do nejakého kladného čísla N, čo je zvyčajne mocnina dvoch. Adresa bunky volá sa jej číslo. Každá bunka sa skladá z menších častí tzv výboje a tiež číslované od nuly do určitého čísla. Počet číslic v bunke znamená kapacita pamäte... Každá číslica môže uložiť číslicu v určitom číselnom systéme. Väčšina počítačov používa systém binárnych čísel, pretože to je výhodnejšie z hľadiska hardvérovej implementácie, v tomto prípade každý bit jeden uloží trocha informácie. Osem bitov je jeden byte.

Obsah bunky sa nazýva strojové slovo... Z architektonického hľadiska je strojové slovo minimálnym množstvom údajov, ktoré je možné vymieňať medzi rôznymi uzlami stroja (netreba však zabúdať na prenos riadiacich signálov pozdĺž tenkých šípok). Každú pamäťovú bunku je možné prečítať kopírovať strojové slovo a preneste ho do inej časti pamäte, pričom originál sa nezmení. Pri zápise do pamäte starý obsah bunky zmizne a nahradí ho nové strojové slovo.

Všimnite si toho, že v praxi je riešenie problému zachovania pôvodného strojového slova pri čítaní z bunky pre niektoré typy pamäte netriviálne a časovo náročné, pretože v tejto pamäti (nazýva sa dynamický pamäť) pri čítaní originálu sa zničí. Tu sú niektoré typické pamäťové charakteristiky moderné počítače.

1. Kapacita pamäte - stovky miliónov buniek (spravidla osembitových).

2. Rýchlosť pamäte: prístupový čas(minimálne oneskorenie pri čítaní slova) a doba cyklu(minimálne oneskorenie pri čítaní dvoch slov z tej istej bunky) je rádovo v jednotkách a desiatkach nanosekúnd (1 sekunda = 10 9 nanosekúnd). Všimnite si toho, že pre vyššie uvedenú haldu je to doba cyklu viac ako je prístupový čas, pretože stále je potrebné obnoviť obsah bunky zničenej počas čítania.

3. Náklady. Pokiaľ ide o hlavnú pamäť počítača, stačí vedieť, že čím je taká pamäť rýchlejšia, tým je samozrejme drahšia. Konkrétne hodnoty nákladov na pamäť nie sú v rámci našich prednášok zaujímavé.

Princíp nerozoznateľnosti príkazov a údajov. Počítačové slovo je buď príkaz, alebo údaje, ktoré sa majú spracovať (číslo, symbolické informácie, obrazový prvok atď.). Pre stručnosť budeme v nasledujúcom texte tieto informácie nazývať „čísla“. Tento von Neumannov princíp je, že čísla a príkazy nerozoznateľný navzájom - v pamäti sú obidva reprezentované určitou sadou bitov a podľa vzhľadu strojového slova nie je možné určiť, čo predstavuje - príkaz alebo číslo.

Z tohto princípu vyplýva zrejmý dôsledok - princíp uloženého programu ... Tento princíp je veľmi dôležitý, jeho podstata spočíva v tom, že program je uložený v pamäti spolu s číslami, čo znamená, že sa môže počas výpočtu tohto programu meniť. Hovorí sa tiež, že program môže svojpomocne upravovať počas počítania. Všimnite si toho, že keď von Neumann písal svoje dielo, väčšina vtedajších počítačov ukladala program do jedného druhu pamäte a čísla do iného druhu pamäte. V moderných počítačoch sú programy aj údaje uložené v rovnakej pamäti.

V roku 1946 D. von Neumann, G. Goldstein a A. Berks v spoločnom článku načrtli nové princípy konštrukcie a prevádzky počítačov. Následne boli na základe týchto princípov vyrobené prvé dve generácie počítačov. V neskorších generáciách došlo k určitým zmenám, aj keď Neumannovy zásady sú stále aktuálne.

Neumannovi sa v skutočnosti podarilo zovšeobecniť vedecký vývoj a objavy mnohých ďalších vedcov a na ich základe formulovať zásadne nové veci.

Von Neumannove princípy

1. Použitie systému binárnych čísel v počítačoch... Výhodou oproti systému s desatinnými číslami je, že zariadenia je možné vykonávať veľmi jednoducho, aritmetické a logické operácie v systéme binárnych čísel sú tiež celkom jednoduché.
2. Ovládanie počítačového programu... Prevádzka počítača je riadená programom pozostávajúcim zo sady pokynov. Príkazy sa vykonávajú postupne jeden po druhom. Vytvorenie stroja s programom uloženým v pamäti položilo základ tomu, čo dnes nazývame programovaním.
3. Počítačová pamäť sa používa nielen na ukladanie údajov, ale aj na programy... V tomto prípade sú príkazy programu aj údaje kódované v binárnom číselnom systéme, t.j. ich spôsob písania je rovnaký. V určitých situáciách preto môžete s príkazmi vykonávať rovnaké akcie ako s údajmi.
4. Bunky pamäte počítača majú adresy, ktoré sú postupne očíslované... Na akúkoľvek pamäťovú bunku sa môžete kedykoľvek odvolať podľa jej adresy. Tento princíp otvoril možnosť použitia premenných v programovaní.
5. Schopnosť podmienečne skákať počas vykonávania programu... Napriek tomu, že sa príkazy vykonávajú sekvenčne, programy môžu implementovať schopnosť preskočiť na ľubovoľnú časť kódu.

Najdôležitejší dôsledok týchto princípov možno nazvať skutočnosťou, že teraz program už nebol trvalou súčasťou stroja (ako kalkulačka). Program sa dá ľahko zmeniť. Vybavenie však samozrejme zostáva nezmenené a je veľmi jednoduché.

Na porovnanie, počítačový program ENIAC (kde v pamäti nebol uložený žiadny program) bol určený špeciálnymi prepojkami na paneli. Preprogramovanie stroja (nastavenie prepojok inak) môže trvať viac ako jeden deň. Napriek tomu, že napísanie programov pre moderné počítače môže trvať roky, po niekoľkých minútach inštalácie na pevný disk fungujú na miliónoch počítačov.

Ako funguje stroj von Neumann

Stroj von Neumann pozostáva z úložného zariadenia (pamäte) - pamäte, aritmetického logického zariadenia - ALU, riadiaceho zariadenia - CU, ako aj zo vstupných a výstupných zariadení.

Programy a údaje sa zadávajú do pamäte zo vstupného zariadenia pomocou aritmetického logického zariadenia. Všetky príkazy programu sú zapísané do susedných pamäťových buniek a údaje na spracovanie môžu byť obsiahnuté v ľubovoľných bunkách. V prípade akéhokoľvek programu musí byť posledným príkazom príkaz na vypnutie.

Príkaz pozostáva zo zadania, ktorá operácia sa má vykonať (z možných operácií na danom hardvéri) a adries pamäťových buniek, kde sú uložené údaje, na ktorých by sa mala vykonať zadaná operácia, ako aj adresy bunky, kde má byť výsledok písomne ​​(ak sa vyžaduje uloženie do pamäte).

Aritmetická logická jednotka vykonáva operácie označené príkazmi na uvedených údajoch.

Z aritmetickej logickej jednotky sú výsledky odoslané do pamäte alebo na výstupné zariadenie. Zásadný rozdiel medzi pamäťou a výstupným zariadením je v tom, že údaje sú v pamäti uložené vo forme, ktorá je vhodná na spracovanie v počítači, a výstupné zariadenia (tlačiareň, monitor atď.) Sa prijímajú tak, ako je to vhodné pre osoba.

UU ovláda všetky časti počítača. Z riadiaceho zariadenia do iných zariadení sú prijímané signály „čo robiť“ a z iných zariadení CU prijíma informácie o ich stave.

Riadiace zariadenie obsahuje špeciálny register (bunku) nazývaný „počítadlo príkazov“. Po načítaní programu a údajov do pamäte sa do čítača príkazov zapíše adresa prvého príkazu programu. UU načíta z pamäte obsah bunky pamäte, ktorej adresa je v počítadle príkazov, a umiestni ju do špeciálneho zariadenia - „Register príkazov“. UU určuje činnosť príkazu, „označí“ údaje v pamäti, ktorých adresy sú uvedené v príkaze, a riadi vykonávanie príkazu. Operáciu vykonáva ALU alebo počítačový hardvér.

V dôsledku vykonania akéhokoľvek príkazu sa počítadlo príkazov zmení o jeden, a preto ukazuje na nasledujúci príkaz v programe. Ak je potrebné vykonať príkaz, ktorý nie je nasledujúci v poradí s aktuálnym, ale je od neho daný určitým počtom adries, potom špeciálny príkaz skok obsahuje adresu bunky, do ktorej sa má prenos preniesť. .

Všetky moderné počítače, napriek tomu, že uplynulo veľa času, fungujú na princípoch, ktoré navrhol americký matematik John von Neumann (1903 - 1957). Významne prispel aj k vývoju a aplikácii počítačov. Bol prvým, kto založil princípy, na ktorých počítač funguje:

1. Princíp binárneho kódovania: všetky informácie v počítači sú prezentované v binárnej forme, kombinácia 0 a 1.

2. Princíp homogenity pamäte: programy aj údaje sú uložené v rovnakej pamäti. Počítač preto nerozpozná, čo je uložené v tejto bunke pamäte, ale môžu existovať čísla, text, príkaz atď. Nad príkazmi môžete môže vykonávať rovnaké akcie ako nad údajmi.

3. Princíp adresovateľnosti pamäte: schematicky OP (hlavná pamäť) pozostáva z očíslovaných buniek, CPU (centrálna procesorová jednotka) kedykoľvek a z akejkoľvek dostupnej pamäťovej bunky. Preto je možné priradiť názvy pamäťovým blokom pre pohodlnejšiu interakciu medzi OP a CPU.

4. Princíp sekvenčného riadenia programu: program sa skladá zo sady príkazov, ktoré vykonáva CPU postupne jeden po druhom.

5. Princíp podmieneného skoku: nie vždy sa stáva, že príkazy sú vykonávané jeden po druhom, preto môže existovať príkaz podmieneného skoku, ktorý zmení sekvenčné vykonávanie príkazov v závislosti od hodnoty uložených údajov.

... Klasifikácia moderných počítačov.

Moderné počítač sú rozdelené na vstavané mikroprocesory, mikropočítač(osobné počítače), sálové počítače a superpočítač- počítačový komplex s niekoľkými procesormi.

Mikroproces- procesory implementované vo formulári integrálne elektronický mikroobvody... Mikroprocesory môžu byť zabudované do telefónov, televízorov a ďalších zariadení, strojov a zariadení.

Na integrovaných obvodoch implementujú sa procesory a pamäť s ľubovoľným prístupom všetkých moderných mikropočítačov, ako aj všetkých blokov sálových počítačov a superpočítačov, ako aj všetkých programovateľných zariadení.

Výkon mikroprocesora predstavuje niekoľko milión operácie za sekundu a objemy moderných blokov RAM sú niekoľko miliónov bajtov.

Mikropočítač - tieto sú plné výpočtový autá ktoré majú nielen procesor a pamäť s ľubovoľným prístupom na spracovanie údajov, ale aj vstupno-výstupné zariadenia a zariadenia na ukladanie informácií.

Osobné počítače - toto je mikropočítač majúce zariadenia na zobrazovanie na elektronických obrazovkách, ako aj vstupno-výstupné zariadenia vo forme klávesnice a prípadne zariadenia na pripojenie k počítačovým sieťam.

Mikropočítačová architektúra založené na použití základnej chrbtice systému - zariadenia rozhrania, ku ktorému sú pripojené procesory a jednotky RAM, ako aj všetkých zariadení na vstup a výstup informácií.

Použitie kufra umožňuje zmeniť zloženie a štruktúra mikropočítač- pridať ďalšie vstupno-výstupné zariadenia a zvýšiť funkčnosť počítačov.

Dlhodobé skladovanie informácie v moderných počítačoch sa vykonávajú pomocou elektronických, magnetických a optických médií - magnetických diskov, optických diskov a blokov pamäte flash.

Architektúra moderných počítačov predpokladá prítomnosť dlhodobej pamäte, kde sa nachádzajú súbory, softvérové ​​balíky, databázy a operačné systémy.

Veľké počítače - počítače vysoká produktivita s veľkým množstvom externej pamäte. Veľké počítače sa používajú ako servery pre počítačové siete a veľké dátové úložiská.

Veľké počítače slúži ako základ pre organizáciu korporátny informácie systémy slúžiace priemyselným spoločnostiam a vládnym agentúram.

Superpočítač- toto je multiprocesor počítač so zložitou architektúrou, s najvyšším výkonom a používa sa na riešenie superkomplexných výpočtových problémov.

Výkon superpočítača je desiatky a stovky tisíc miliarda výpočtový operácie za sekundu. Súčasne sa zvyšuje počet procesorov v superpočítači a architektúra počítača je stále komplexnejšia.

Tento druh sa často označuje pojmom „von Neumannov stroj“, ale zhoda týchto pojmov nie je vždy jednoznačná. Vo všeobecnosti, keď hovorí o von Neumannovej architektúre, majú na mysli princíp ukladania dát a inštrukcií do jednej pamäte.

Collegiate YouTube

• 1 / 5

  Základy doktríny architektúry počítačov položil von Neumann v roku 1944, keď sa pridal k vytvoreniu prvého elektrónkového počítača na svete ENIAC. Pri práci na ENIAC na univerzite v Pensylvánii, počas početných diskusií s kolegami Johnom Williamom Mockleyom, Johnom Eckertom, Hermanom Goldsteinom a Arthurom Burksom, prišla myšlienka lepšieho stroja s názvom EDVAC. Výskumné práce na EDVAC pokračovali súbežne s výstavbou ENIAC.

  V marci 1945 boli zásady logickej architektúry formalizované v dokumente s názvom „Prvý návrh správy o EDVAC“ - správa pre balistické laboratórium americkej armády, ktorá financovala výstavbu ENIAC a vývoj EDVAC. Správa, pretože to bol len náčrt, nebola určená na uverejnenie, ale iba na distribúciu v rámci skupiny, Herman Goldstein - kurátor projektu z americkej armády - však túto vedeckú prácu znásobil a poslal ju do širokého spektra. vedcov na preskúmanie. Keďže na prvej strane dokumentu bolo iba von Neumannovo meno, tí, ktorí si dokument prečítali, mali falošný dojem, že je autorom všetkých myšlienok uvedených v diele. Dokument poskytol dostatok informácií, aby tí, ktorí ho čítali, mohli stavať svoje počítače ako EDVAC na rovnakých princípoch a s rovnakou architektúrou, ktorá sa nakoniec stala známou ako „von Neumannova architektúra“.

  Po skončení 2. svetovej vojny a ukončení prác na ENIAC vo februári 1946 sa tím inžinierov a vedcov rozišiel, John Mauchly, John Eckert sa rozhodol podnikať a vytvárať počítače na komerčnom základe. Von Neumann, Goldstein a Burks sa vybrali tam, kde sa rozhodli vytvoriť vlastný počítačový „stroj IAS“, podobný EDVAC, a použiť ho na výskum a vývoj. V júni 1946 stanovili svoje zásady pre stavbu počítačov v dnes už klasickom článku „Predbežné zváženie logického návrhu elektronického počítačového zariadenia“. Odvtedy uplynulo viac ako pol storočia, ale ustanovenia, ktoré sú v ňom uvedené, zostávajú aktuálne aj dnes. Tento článok presvedčivo odôvodňuje použitie binárneho systému na reprezentáciu čísel a koniec koncov, všetky počítače už skôr ukladali spracované čísla v desatinnej forme. Autori predviedli výhody binárneho systému pre technickú implementáciu, pohodlie a jednoduchosť vykonávania aritmetických a logických operácií v ňom. V budúcnosti počítače začali spracovávať nečíselné typy informácií - textové, grafické, zvukové a ďalšie, ale binárne kódovanie údajov stále tvorí informačný základ každého moderného počítača.

  Okrem strojov, ktoré pracovali s binárnym kódom, existovali a stále existujú ternárne stroje. Ternárne počítače majú oproti binárnym počítačom množstvo výhod a nevýhod. Medzi výhody patrí vysokorýchlostný výkon (sčítacie operácie sa vykonávajú asi jeden a pol krát rýchlejšie), prítomnosť binárnej a ternárnej logiky, symetrické znázornenie celých čísel so znamienkom (v binárnej logike budú trvať buď dve nuly (pozitívne a negatívne) miesto, alebo tam bude číslo, ktoré nemá pár s opačným znamienkom). Nevýhodou je komplexnejšia implementácia v porovnaní s binárnymi strojmi.

  Ďalšou revolučnou myšlienkou, ktorej dôležitosť je ťažké preceňovať, je princíp „uloženého programu“. Program bol pôvodne nastavený nastavením prepojok na špeciálny patch panel. Bola to veľmi namáhavá úloha: zmena programu stroja ENIAC napríklad trvala niekoľko dní, pričom skutočný výpočet nemohol trvať dlhšie ako niekoľko minút - žiarovky, ktorých bolo obrovské množstvo, zlyhali. Program však môže byť uložený aj ako množina núl a jednotiek a do rovnakej pamäte ako čísla, ktoré spracováva. Absencia zásadného rozdielu medzi programom a údajmi umožnila počítaču vytvoriť si pre seba program v súlade s výsledkami výpočtov.

  Prítomnosť danej sady spustiteľných príkazov a programov bola charakteristickou črtou prvých počítačových systémov. Dnes sa podobný dizajn používa na zjednodušenie konštrukcie počítačového zariadenia. Stolné kalkulačky sú teda v zásade zariadenia s pevnou sadou spustiteľných programov. Môžu byť použité na matematické výpočty, ale je takmer nemožné ich použiť na spracovanie textu a počítačové hry, na prezeranie grafiky alebo videa. Zmena firmvéru pre takéto zariadenia vyžaduje takmer úplné prepracovanie a vo väčšine prípadov je nemožné. Preprogramovanie raných počítačových systémov sa však stále vykonávalo, ale na prípravu novej dokumentácie, opätovné pripojenie a prestavbu blokov a zariadení bolo potrebné obrovské množstvo ručnej práce.

  Všetko zmenila myšlienka ukladať počítačové programy do zdieľanej pamäte. V čase, keď sa objavil, používanie architektúr založených na súboroch spustiteľných inštrukcií a pohľad na výpočtový proces ako na proces vykonávania pokynov napísaných v programe výrazne zvýšil flexibilitu počítačových systémov z hľadiska spracovania údajov. Rovnaký prístup k prezeraniu údajov a pokynov umožnil jednoduchú zmenu samotných programov.

  Von Neumannove princípy

  Princíp homogenity pamäte Zásadný rozdiel medzi architektúrou „von Neumanna“ (Princeton) od „Harvardu“. Pokyny a údaje sú uložené v rovnakej pamäti a externe sa v pamäti nedajú rozlíšiť. Rozpoznať ich možno iba podľa spôsobu použitia; to znamená, že rovnakú hodnotu v bunke pamäte je možné použiť ako údaje, príkaz aj adresu, a to iba v závislosti od spôsobu prístupu k nej. To vám umožní vykonávať rovnaké operácie s príkazmi ako s číslami, a preto sa otvára množstvo možností. Cyklickou zmenou adresovej časti príkazu teda môžete poskytnúť prístup k sekvenčným prvkom dátového poľa. Táto technika sa nazýva modifikácia príkazov a nie je podporovaná z hľadiska moderného programovania. Užitočnejší je ďalší dôsledok zásady homogenity, keď je možné pokyny jedného programu získať v dôsledku vykonania iného programu. Táto schopnosť je základom prekladu - prekladu textu programu z jazyka na vysokej úrovni do jazyka konkrétneho počítača. Princíp adresovania Štrukturálne sa hlavná pamäť skladá z očíslovaných buniek a procesor má procesor kedykoľvek k dispozícii. Binárne kódy príkazov a údajov sú rozdelené do informačných jednotiek, nazývaných slová, a sú uložené v pamäťových bunkách a na ich prístup sa používajú čísla príslušných buniek - adries. Princíp programovaného riadenia Všetky výpočty poskytnuté algoritmom na riešenie problému musia byť predložené vo forme programu pozostávajúceho zo sekvencie riadiacich slov - príkazov. Každý príkaz predpisuje určitú operáciu zo sady operácií implementovaných počítačom. Programové inštrukcie sú uložené v sekvenčných pamäťových bunkách počítača a sú vykonávané v prirodzenej sekvencii, to znamená v poradí podľa ich polohy v programe. V prípade potreby je možné túto postupnosť zmeniť pomocou špeciálnych príkazov. Rozhodnutie zmeniť poradie vykonávania príkazov programu sa prijíma buď na základe analýzy výsledkov predchádzajúcich výpočtov, alebo bezpodmienečne. Princíp binárneho kódovania Podľa tohto princípu sú všetky informácie, údaje aj príkazy, kódované binárnymi číslicami 0 a 1. Každý typ informácie je reprezentovaný binárnou postupnosťou a má svoj vlastný formát. Sekvencia bitov vo formáte, ktorý má konkrétny význam, sa nazýva pole. V numerických informáciách sa spravidla rozlišuje znakové pole a významné bitové pole. V najjednoduchšom prípade je možné vo formáte príkazu rozlíšiť dve polia: pole kódu operácie a pole adresy.

  Počítače postavené na von Neumannových princípoch

  Podľa plánu mal byť prvým počítačom postaveným podľa von Neumannovej architektúry EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) - jeden z prvých elektronických počítačov. Na rozdiel od svojho predchodcu ENIAC to bol počítač na binárnom, nie desatinnom základe. Rovnako ako ENIAC, aj EDVAC vyvinul na Moorovom inštitúte Univerzity v Pensylvánii pre laboratórium balistického výskumu americkej armády tím inžinierov a vedcov vedených Johnom Presperom Eckertom a Johnom Williamom Mockleym za aktívnej pomoci matematika], ale až do roku 1951 EDVAC nebol spustený kvôli technickým problémom pri vytváraní spoľahlivej pamäte počítača a nezhodám vo vývojovom tíme. Ostatné výskumné ústavy, ktoré sa oboznámili s projektom ENIAC a projektom EDVAC, dokázali tieto problémy vyriešiť oveľa skôr. Prvé počítače, v ktorých boli implementované hlavné črty von Neumannovej architektúry, boli:

  1. prototyp - Manchester Small Experimental Machine - University of Manchester, UK, 21. júna 1948;
  2. EDSAC - University of Cambridge, UK, 6. mája 1949;
  3. Manchester Mark I - University of Manchester, UK, 1949;
  4. BINAC - USA, apríl alebo august 1949;
  5. CSIR Mk 1
  6. EDVAC - USA, august 1949 - skutočne spustený v roku 1952;
  7. CSIRAC Australia, november 1949
  8. SEAC - USA, 9. mája 1950;
  9. ORDVAC - USA, november 1951;
  10. IAS Machine - USA, 10. júna 1952
  11. MANIAC I - USA, marec 1952;
  12. AVIDAC - USA, 28. januára 1953;
  13. ORACLE - USA, koniec roku 1953;
  14. WEIZAC - Izrael, 1955;
  15. SILLIAC - Austrália, 4. júla 1956.

  V ZSSR bol prvým plne elektronickým počítačom blízkym von Neumannovým princípom MESM, vybudovaný Lebedevom (na základe Kyjevského elektrotechnického ústavu Akadémie vied Ukrajinskej SSR), ktorý v decembri prešiel štátnymi akceptačnými testami 1951.

  Úzke miesto architektúry von Neumanna

  Zdieľanie zbernice pre programovú a dátovú pamäť vedie k úzkemu miestu vo von Neumannovej architektúre, konkrétne k obmedzeniu šírky pásma medzi procesorom a pamäťou v porovnaní s množstvom pamäte. Vzhľadom na to, že k programovej pamäti a dátovej pamäti nie je možné pristupovať súčasne, šírka pásma kanála procesor-pamäť a rýchlosť práce pamäte výrazne obmedzujú rýchlosť procesora-oveľa viac, ako keby boli programy a údaje uložené na rôznych miestach. Pretože sa rýchlosť procesora a pamäť zvýšili oveľa rýchlejšie, ako je šírka pásma medzi nimi, úzke miesto sa stalo veľkým problémom, ktorého závažnosť sa zvyšuje s každou novou generáciou procesorov [ ]; tento problém je vyriešený vylepšením systémov ukladania do vyrovnávacej pamäte, a preto vzniká mnoho nových problémov [ čo?] .

  Termín „úzke miesto vo von Neumannovej architektúre“ vymyslel John Backus v roku 1977 vo svojej prednáške „Dá sa programovanie oslobodiť od von Neumannovho štýlu?“

  Vedci z USA a Talianska v roku 2015 oznámili vytvorenie prototypu meme procesora (anglický memprocesor) s odlišnou architektúrou ako von Neumann a možnosťou jeho použitia na riešenie úplných problémov.

  pozri tiež

  Literatúra

  • Herman H. Goldstine. Počítač od Pascala po von Neumanna. - Princeton University Press, 1980.- 365 s. - ISBN 9780691023670.(Angličtina)
  • William Aspray. John von Neumann a počiatky modernej práce na počítači. - MIT Press, 1990.- 394 s. - ISBN 0262011212.(Angličtina)
  • Scott McCartney. ENIAC: Triumfy a tragédie prvého počítača na svete. - Berkley Books, 2001. - 262 s. -