İş uygulamasının Von Neumann mimarisi ilkeleri. Von Neumann'ın elektronik bilgisayar yapma ilkeleri. John von Neumann tarafından mimarlığın temel ilkeleri

Devlet eğitim kurumu

Tyumen bölgesinin yüksek mesleki eğitimi

TYUMEN DEVLET AKADEMİ

DÜNYA EKONOMİSİ, YÖNETİM VE HAKLAR

Matematik ve Bilişim Bölümü

disipline göre

"BİLGİSAYAR SİSTEMLERİ, AĞLAR VE TELEKOMÜNİKASYON"

"VON NEUMAN'IN İLKELERİ"

Giriş ………………………………………………………… .... 2

John von Neumann tarafından mimarlığın temel ilkeleri …………… .3

Bilgisayar yapısı …………………………………………………… 3

John von Neumann'ın makinesi nasıl çalışır …………………………… ... 4

Sonuç ………………………………………………………… ... 6

Kaynaklar ……………………………………………………… ... 8

Tanıtım

60'ların ortalarından bu yana, bilgisayar yaratma yaklaşımı önemli ölçüde değişti. Donanım ve matematiksel destek geliştirmek yerine, donanım ve yazılımın sentezinden oluşan bir sistem tasarlanmaya başlandı. Aynı zamanda etkileşim kavramı da ön plana çıkmıştır. Yeni bir kavram böyle ortaya çıktı - bilgisayar mimarisi.

Bir bilgisayarın mimarisi genellikle, donanım ve yazılımın düzenlenmesi için bir dizi genel ilke ve ilgili sorun türlerini çözerken bir bilgisayarın işlevselliğini belirleyen ana özellikleri olarak anlaşılır.

Bilgisayar mimarisi, bir donanım ve yazılım kompleksinin oluşturulması ve çok sayıda belirleyici faktörün dikkate alınmasıyla ilgili önemli bir dizi sorunu kapsar. Bu faktörlerin başlıcaları şunlardır: maliyet, kapsam, işlevsellik, kullanım kolaylığı ve donanım, mimarinin ana bileşenlerinden biri olarak kabul edilir.

Bilgi işlem tesisinin mimarisi, yapıdan ayırt edilmelidir, çünkü bilgi işlem tesisinin yapısı, mevcut kompozisyonunu belirli bir ayrıntı düzeyinde belirler ve tesis içindeki bağlantıları tanımlar. Öte yandan mimari, tanımı etkileşim kurallarını oluşturmak için gerekli olduğu ölçüde gerçekleştirilen bir bilgi işlem tesisinin kurucu öğelerinin etkileşimi için temel kuralları tanımlar. Tüm bağlantıları kurmaz, sadece kullanılan aletin daha yetkin kullanımı için bilinmesi gereken en gerekli bağlantıları kurar.

Dolayısıyla bilgisayar kullanıcısı, elektronik devrelerin hangi elemanlar üzerinde yapıldığı, komutların devre veya yazılımda yürütüldüğü vb. ile ilgilenmez. Bilgisayar mimarisi, bilgisayarların ve yazılımlarının genel tasarımı ve yapımı ile ilgili bir dizi sorunu gerçekten yansıtmaktadır.

Bir bilgisayarın mimarisi, hem bir PC'nin bileşimini yansıtan bir yapı hem de yazılım ve matematiksel desteği içerir. Bir bilgisayarın yapısı, aralarındaki bir dizi öğe ve bağlantıdır. Tüm modern bilgisayarların temel yapım ilkesi yazılım kontrolüdür.

Bilgisayar mimarisi teorisinin temelleri John von Neumann tarafından atılmıştır. Bu ilkelerin birleşimi, klasik (von Neumann) bilgisayar mimarisini ortaya çıkardı.

John von Neumann tarafından mimarlığın temel ilkeleri

John von Neumann (1903 - 1957), ilk bilgisayarların yaratılmasına ve uygulamaları için yöntemlerin geliştirilmesine büyük katkı sağlayan Amerikalı bir matematikçidir. 1944'te tasarımının zaten seçildiği dünyanın ilk tüp bilgisayarı ENIAC'ın yaratılmasına katılarak bilgisayar mimarisi doktrininin temellerini atan oydu. Çalışma sürecinde, meslektaşları G. Goldstein ve A. Berks ile çok sayıda tartışma sırasında John von Neumann, temelde yeni bir bilgisayar fikrini dile getirdi. 1946'da bilim adamları, artık klasik olan "Bir Elektronik Hesaplama Cihazının Mantıksal Tasarımının Ön Değerlendirmesi" adlı makalesinde bilgisayar inşa etme ilkelerini özetlediler. O zamandan bu yana yarım yüzyıldan fazla bir süre geçti, ancak burada öne sürülen hükümler bugün de geçerliliğini koruyor.

Makale, daha önce tüm bilgisayarlar işlenmiş sayıları ondalık biçimde sakladığından, sayıları temsil etmek için ikili bir sistemin kullanımını ikna edici bir şekilde doğrulamaktadır. Yazarlar, teknik uygulama, kolaylık ve içinde aritmetik ve mantıksal işlemler gerçekleştirmenin basitliği için ikili bir sistemin avantajlarını gösterdiler. Gelecekte, bilgisayarlar sayısal olmayan bilgi türlerini - metin, grafik, ses ve diğerleri - işlemeye başladı, ancak verilerin ikili kodlaması hala herhangi bir modern bilgisayarın bilgi temelini oluşturuyor.

Önemini abartması zor olan bir başka devrimci fikir, Neumann tarafından önerilen "depolanmış program" ilkesidir. Başlangıçta, program özel bir patch panelde jumper'lar ayarlanarak kuruldu. Bu çok zaman alan bir işti: örneğin, ENIAC makinesinin programını değiştirmek birkaç gün alırken, gerçek hesaplama birkaç dakikadan fazla sürmedi - çok sayıda arızalı lamba vardı. Neumann, bir programın sıfırlar ve birler kümesi olarak ve işlediği sayılarla aynı bellekte saklanabileceğini ilk tahmin eden kişiydi. Program ile veriler arasında temel bir farkın olmaması, bilgisayarın hesaplama sonuçlarına göre kendisi için bir program oluşturmasını mümkün kılmıştır.

bilgisayar yapısı

John von Neumann, yalnızca bir bilgisayarın mantıksal aygıtının temel ilkelerini ortaya koymakla kalmadı, aynı zamanda ilk iki bilgisayar nesli sırasında yeniden üretilen yapısını da önerdi. Neumann'a göre, ana bloklar bir kontrol ünitesi (CU) ve bir aritmetik mantık ünitesidir (ALU), genellikle merkezi bir işlemcide birleştirilir, bu da bir dizi genel amaçlı kayıt (RON) içerir - sırasında bilgilerin ara depolanması için. işlenmesi; bellek, harici bellek, giriş ve çıkış aygıtları. Harici belleğin giriş ve çıkış cihazlarından farklı olduğu, çünkü verilerin bilgisayara uygun bir biçimde girildiği, ancak doğrudan insan algısı için erişilemediği belirtilmelidir.

John von Neumann ilkelerine dayanan bilgisayar mimarisi.

Oklu düz çizgiler bilgi akışının yönünü, kesikli çizgiler kontrol sinyallerini gösterir.

John von Neumann'ın makinesi nasıl çalışır?

Şimdi bu mimari üzerine kurulu bir makinenin nasıl çalıştığı hakkında daha detaylı konuşalım. Von Neumann makinesi, bir depolama aygıtından (bellek) - bellek, bir aritmetik-mantık aygıtı - ALU, bir kontrol aygıtı - CU'dan ve şemalarında ve daha önce bahsedilenlerden görülebilen giriş ve çıkış aygıtlarından oluşur.

Programlar ve veriler, bir giriş aygıtından bir aritmetik mantık aygıtı aracılığıyla belleğe girilir. Tüm program komutları bitişik bellek hücrelerine yazılır ve işleme için veriler isteğe bağlı hücrelerde bulunabilir. Herhangi bir program için son komut bir kapatma komutu olmalıdır.

Komut, hangi işlemin yapılması gerektiğini ve belirtilen işlemin gerçekleştirileceği verilerin depolandığı bellek hücrelerinin adreslerini ve ayrıca saklanması gerekiyorsa sonucun yazılacağı hücrenin adreslerini belirtmekten oluşur. bellekte.

Aritmetik mantık birimi, belirtilen veriler üzerinde komutların belirttiği işlemleri gerçekleştirir. Ondan, sonuçlar belleğe veya bir çıkış aygıtına çıktılanır.

Kontrol Ünitesi (CU) bilgisayarın tüm parçalarını kontrol eder. Diğer cihazlara “ne yapılması gerektiği” sinyalleri gönderir ve diğer cihazlardan CU, durumları hakkında bilgi alır. "Komut sayacı" adı verilen özel bir kayıt (hücre) içerir. Programı ve verileri belleğe yükledikten sonra, programın ilk komutunun adresi komut sayacına yazılır ve CU, adresi komut sayacında bulunan bellek hücresinin içeriğini bellekten okur, ve onu özel bir cihaza yerleştirir - "Komut kaydı". UU, komutun çalışmasını belirler, adresleri komutta belirtilen verileri bellekte "işaretler" ve komutun yürütülmesini kontrol eder.

ALU - iki değişkenin aritmetik ve mantıksal işlenmesini sağlar, bunun sonucunda çıktı değişkeni oluşturulur. ALU işlevleri genellikle basit aritmetik ve mantıksal işlemlere ve kaydırma işlemlerine indirgenir. Ayrıca, elde edilen sonucu ve alınmasının bir sonucu olarak meydana gelen olayları (sıfıra eşitlik, işaret, parite, taşma) karakterize eden bir dizi sonuç özniteliği (bayrak) üretir. Komut yürütmenin sonraki sırası hakkında bir karar vermek için bayraklar UU tarafından analiz edilebilir.

Herhangi bir komutun yürütülmesinin bir sonucu olarak, komut sayacı birer birer değişir ve bu nedenle programdaki bir sonraki komutu işaret eder. Geçerli olanın yanında olmayan, ancak verilenden belirli sayıda adresle aralıklı bir komutun yürütülmesi gerektiğinde, özel bir atlama komutu, kontrolün aktarılacağı hücrenin adresini içerir.

Çözüm

O halde, von Neumann tarafından önerilen temel ilkeleri bir kez daha vurgulayalım:

İkili kodlama ilkesi. Verileri ve komutları temsil etmek için bir ikili sayı sistemi kullanılır.

Bellek homojenliği ilkesi. Hem programlar (talimatlar) hem de veriler aynı bellekte saklanır (ve aynı sayı sisteminde kodlanır - çoğu zaman ikili). Verilerde olduğu gibi komutlarda da aynı eylemleri gerçekleştirebilirsiniz.

Bellek adreslenebilirliği ilkesi. Yapısal olarak ana bellek, numaralandırılmış hücrelerden oluşur; herhangi bir hücre herhangi bir zamanda işlemci tarafından kullanılabilir.

Sıralı program kontrolü ilkesi. Tüm komutlar bellekte bulunur ve birbiri ardına tamamlandıktan sonra sırayla yürütülür.

Koşullu atlama ilkesi. Programdan gelen komutlar her zaman birbiri ardına yürütülmez. Programda, veri değerlerine bağlı olarak komut yürütme sırasını değiştiren koşullu atlama talimatlarının varlığı mümkündür. (İlkenin kendisi, John von Neumann'dan çok önce Ada Lovelace ve Charles Babbage tarafından formüle edilmiştir, ancak mantıksal olarak, önceki ilkenin bir tamamlayıcısı olarak von Neumann kümesine dahil edilmiştir.)

John von Neumann, ilk bilgisayarların geliştirilmesine ve bunların uygulanması için yöntemlerin geliştirilmesine büyük katkıda bulundu. Von Neumann tarafından geliştirilen bilgi işlem cihazlarının mimarisinin temelleri o kadar temel oldu ki, literatürde "von Neumann mimarisi" olarak adlandırıldılar. Bu mimarinin ilkeleri bugün yaygın olarak kullanılmaktadır. Günümüzde bilgisayarların ezici çoğunluğu von Neumann makineleridir. Tek istisna, talimat sayacının olmadığı, klasik değişken kavramının uygulanmadığı ve klasik modelden başka önemli temel farklılıkların bulunduğu paralel hesaplama için belirli sistem türleridir (örnekler akış ve indirgeme bilgisayarlarıdır).

Modern bilgisayarlardaki kontrol ünitesi ve aritmetik-mantık ünitesi tek bir ünitede birleştirilir - bellekten ve harici cihazlardan gelen bilgilerin dönüştürücüsü olan bir işlemci (bu, bellekten komutları almayı, kodlamayı ve kod çözmeyi, aritmetik dahil çeşitli işlemleri gerçekleştirmeyi içerir) , işlemler, bilgisayar düğümlerinin çalışmalarının koordinasyonu).

Modern bilgisayarlar, bilgi ve programları depolayan "çok katmanlı" bir depolama aygıtına sahiptir. Bilgisayarın belirli bir zamanda doğrudan çalıştığı bilgileri (çalıştırılabilir bir program, bunun için gerekli verilerin bir kısmı, bazı kontrol programları) ve harici depolama aygıtlarını (VCU) depolayan rastgele erişim belleğini (RAM) içerir. RAM'den çok daha büyük kapasite, ancak önemli ölçüde daha yavaş erişime sahip. Bellek aygıtlarının sınıflandırılması RAM ve VZU ile bitmez - belirli işlevler SRAM (süper işlem belleği) ve ROM (salt okunur bellek) ve bilgisayar belleğinin diğer alt türleri tarafından gerçekleştirilir.

Görünüşe göre, von Neumann mimarisinden önemli bir sapma, yalnızca bilgi işlemenin hesaplamalara değil, mantıksal sonuçlara dayandığı beşinci nesil makineler fikrinin geliştirilmesinin bir sonucu olarak ortaya çıkacaktır.

bibliyografya

H. Craigon. Bilgisayar mimarisi ve uygulanması. öğretici. - S-Pb., Mir, 2004.

E. Tanenbauem. Bilgisayar Mimarisi. Bilimsel edebiyat. - St. Petersburg., Peter, 2003.

Bilgisayarın tarihi. [Elektronik kaynak]. - Erişim modu: http://www.chernykh.net/. Erişim tarihi: 10.11.2010.

Bilişim gezegeni. [Elektronik kaynak]. - Erişim modu: http://www. inf1.info/. Erişim tarihi: 12.11.2010.

1. Mimari arka fon Neumann

   Özet >> İnşaat

   Ortak yazarlar ve bu fikirlerin adı “ prensipler arka fon Neumann". Prensip ikili kodlama Verileri temsil etmek için ... von Neumann türüne. Üzerine kurulu bilgisayarlar prensipler arka fon Neumann 1940'ların ortalarında, bir bilgisayar depolama projesi ...

2. Prensipler PC'nin organizasyonu ve çalışması

   Kurs >> Bilgisayar Bilimi

   Merkezi işlemci aygıtı. 1. PRENSİPLER KURULUŞLAR VE KİŞİSEL BİLGİSAYAR İŞLEMLERİ... Arka plan Neumann, yalnızca temel prensipler mantıksal ... üzerine kurulu bir bilgisayar prensipler arka fon Neumann... Tarafından geliştirilmiş arka fon Neumann mimarlığın temelleri...

3. Prensip Heisenberg belirsizlikleri

   Biyografi >> Biyoloji

   Kinematik ve Mekanik İlişkiler "adanmış prensip belirsizlik. Buna göre prensip belirsizlik, iki ... ideal ölçümün eşzamanlı ölçümü, bazen ölçüm olarak adlandırılır arka fon

1946'da John von Neumann (ortak yazarlarla birlikte) bazı soyut hesap makinelerinin mimarisini tanımladı. von Neumann makinesi... Bu makine soyut model Ancak anabilgisayar, bu soyutlama algoritmaların soyut yürütücülerinden (örneğin Turing makineleri) farklıdır. Turing makinesinin mimarisinde bulunan sonsuz bant nedeniyle uygulanması temelde imkansızsa, bu makinenin mimarisindeki birçok ayrıntı nedeniyle von Neumann makinesi uygulanamaz. belirtilmemiş... Bu, yeni bilgisayarların mühendisleri-geliştiricileri arasında işe yaratıcı yaklaşımı engellememek için bilerek yapıldı.

Bir anlamda, von Neumann makinesi şuna benzer: soyut veri yapıları,önceki yarıyılda okudunuz. Bu tür veri yapıları için, hatırlayacağınız gibi, bunları kullanmak için, depolama veri yapılarıyla eşlemek ve bu veriler üzerinde uygun işlemleri uygulamak gerekiyordu.

Von Neumann makinesinin, bu soyut makinenin yazarlarının görüşüne göre, bir dereceye kadar tüm bilgisayarlarda bulunması gereken mimari özellikleri içerdiğini söyleyebiliriz. Elbette, pratikte tüm modern bilgisayarlar, mimarileri bakımından von Neumann makinesinden farklıdır, ancak bu farklılıkları tam olarak şu şekilde incelemek uygundur: farklılıklar von Neumann makinesi ile karşılaştırmalar ve karşılaştırmalar yaparak. Bu makineyi incelerken, von Neumann makinesinin mimarisi ile modern bilgisayarlar arasındaki farklara dikkat çekilecektir. Von Neumann makine mimarisinin temel özellikleri şu şekilde formüle edilecektir: von Neumann ilkeleri... Uzun yıllar boyunca bu ilkeler, birkaç neslin bilgisayar mimarisinin temel özelliklerini belirlemiştir.

İncirde. 2.1, bilgisayar mimarisiyle ilgili çoğu ders kitabında gösterildiği gibi, bir von Neumann makinesinin bir diyagramını gösterir. Bu şekilde, kalın oklar komut ve veri akışları ve cihazlar arasında ince aktarım kontrol sinyalleri... Bir von Neumann makinesi bellek, giriş/çıkış aygıtları ve Merkezi işlem birimi(İŞLEMCİ). Merkezi işlemci, sırayla, oluşur kontrol araçları(UU) ve aritmetik mantık Birimi(ALÜ). Şimdi von Neumann makinesinin aygıtlarını ve gerçekleştirdikleri işlevleri sırayla ele alalım.

Hafıza

Doğrusallık ve belleğin homojenliği ilkesi.

Hafıza- olarak adlandırılan bazı öğelerin doğrusal (sıralı) homojen dizisi hücreler... Makinenin diğer cihazları (kalın oklar boyunca) herhangi bir bellek hücresine bilgi yazabilir ve okuyabilir ve herhangi bir hücreden okuma süresi tüm hücreler için aynıdır. Herhangi bir hücredeki kayıt süresi de aynıdır (ilke budur) homojenlik hafıza). Modern bilgisayarlarda bu tür belleğe denir rasgele erişim belleği(Rastgele Erişim Belleği, RAM). Pratikte, birçok bilgisayarda, bazıları yalnızca bilgi okumayı destekleyen (Salt Okunur Bellek, ROM), diğerleri yazmaya izin veren, ancak belleğin geri kalanından daha uzun bir süre için (bu böyledir) farklı türde bellek bölümleri olabilir. -aranan yarı kalıcı bellek), vb.

Bir von Neumann makinesindeki bellek hücreleri, sıfırdan, genellikle ikinin kuvveti olan bazı pozitif N sayısına kadar numaralandırılır. hücre adresi onun numarası aranır. Her hücre adı verilen daha küçük parçalardan oluşur. deşarj ve ayrıca sıfırdan belirli bir sayıya kadar numaralandırılmıştır. Bir hücredeki basamak sayısı anlamına gelir hafıza kapasitesi... Her basamak, belirli bir sayı sisteminde bir basamak saklayabilir. Çoğu bilgisayar ikili sayı sistemi kullanır, çünkü bu, donanım uygulaması açısından daha avantajlıdır, bu durumda her bit bir tane depolar biraz bilgi. Sekiz bit birdir bayt.

Hücrenin içeriği denir makine kelimesi... Mimari bir bakış açısından, bir makine kelimesi, çeşitli makine düğümleri arasında değiş tokuş edilebilecek minimum veri miktarıdır (ancak, kontrol sinyallerini ince oklar boyunca iletmeyi unutmamak gerekir). Her bellek hücresi okunabilir kopyalamak makine sözcüğü ve orijinali değişmezken onu belleğin başka bir bölümüne aktarın. Belleğe yazarken, hücrenin eski içeriği kaybolur ve yerini yeni bir makine kelimesi alır.

Pratikte, bazı bellek türleri için bir hücreden okurken orijinal makine kelimesini koruma problemini çözmenin önemsiz ve oldukça zaman alıcı olduğuna dikkat edin, çünkü bu bellekte (buna denir. dinamik bellek) orijinali okurken yok edilir. İşte bazı tipik hafıza özellikleri modern bilgisayarlar.

1. Bellek kapasitesi - yüz milyonlarca hücre (genellikle sekiz bit).

2. Bellek hızı: erişim zamanı(bir kelimeyi okumak için minimum gecikme) ve devir süresi(aynı hücreden iki kelime okumak için minimum gecikme) birimler ve onlarca nanosaniye (1 saniye = 109 nanosaniye) mertebesindedir. Yukarıda belirtilen yığın belleği için döngü süresinin daha fazla erişim süresinden daha fazla, çünkü okuma sırasında yok edilen hücrenin içeriğini geri yüklemek hala gerekli.

3. Maliyet. Ana bilgisayar belleği için, bu tür bir bellek ne kadar hızlı olursa, doğal olarak o kadar pahalı olduğunu bilmek yeterlidir. Hafıza maliyetinin spesifik değerleri, derslerimiz çerçevesinde ilgi çekici değildir.

Komutların ve verilerin ayırt edilemezliği ilkesi. Bir bilgisayar kelimesi ya bir komuttur ya da işlenecek bir veridir (sayı, sembolik bilgi, görüntü elemanı, vb.). Kısaca, aşağıda bu tür bilgileri “sayılar” olarak adlandıracağız. Bu von Neumann ilkesi, sayıların ve komutların ayırt edilemez birbirinden - bellekte, her ikisi de belirli bir bit kümesiyle temsil edilir ve bir makine kelimesinin görünümü ile neyi temsil ettiğini belirlemek imkansızdır - bir komut veya bir sayı.

Bu ilkeden bariz bir sonuç çıkar: saklanan program ilkesi ... Bu ilke çok önemlidir, özü, programın sayılarla birlikte bellekte saklanmasıdır, yani bu programın hesaplanması sırasında değişebilir. Ayrıca programın yapılabileceği söyleniyor. kendini değiştirmek sayım sırasında. Von Neumann çalışmasını yazarken, o zamanın çoğu bilgisayarı bir programı bir tür bellekte ve sayıları başka bir tür bellekte sakladı. Modern bilgisayarlarda hem programlar hem de veriler aynı bellekte saklanır.

1946'da D. von Neumann, G. Goldstein ve A. Berks ortak makalelerinde bilgisayarların yapımı ve işletimi için yeni ilkelerin ana hatlarını çizdiler. Daha sonra, ilk iki nesil bilgisayarlar bu ilkeler temelinde üretildi. Neumann'ın ilkeleri bugün hala geçerli olsa da, sonraki nesillerde bazı değişiklikler meydana geldi.

Aslında Neumann, diğer birçok bilim insanının bilimsel gelişmelerini ve keşiflerini özetlemeyi ve temel olarak yeni şeyler formüle etmeyi başardı.

Von Neumann ilkeleri

1. Bilgisayarlarda ikili sayı sisteminin kullanımı... Ondalık sayı sistemine göre avantajı, cihazların oldukça basit hale getirilebilmesi, ikili sayı sisteminde aritmetik ve mantıksal işlemlerin de oldukça basit olmasıdır.
2. Bilgisayar programı kontrolü... Bilgisayarın çalışması, bir dizi talimattan oluşan bir program tarafından kontrol edilir. Komutlar birbiri ardına sırayla yürütülür. Hafızada saklanan bir programa sahip bir makinenin yaratılması, bugün programlama dediğimiz şeyin temelini attı.
3. Bilgisayar belleği yalnızca veri depolamak için değil, aynı zamanda programlar için de kullanılır.... Bu durumda, hem program komutları hem de veriler bir ikili sayı sisteminde kodlanmıştır, yani. yazma yöntemleri aynıdır. Bu nedenle, belirli durumlarda, komutlar üzerinde verilerle aynı eylemleri gerçekleştirebilirsiniz.
4. Bilgisayar bellek hücrelerinin sıralı olarak numaralandırılmış adresleri vardır.... Herhangi bir zamanda, herhangi bir bellek hücresine adresiyle başvurabilirsiniz. Bu ilke, programlamada değişkenleri kullanma olasılığını açtı.
5. Program yürütme sırasında koşullu atlama yeteneği... Komutların sıralı olarak yürütülmesine rağmen, programlar kodun herhangi bir bölümüne atlama yeteneğini uygulayabilir.

Bu ilkelerin en önemli sonucu, programın artık makinenin (bir hesap makinesi gibi) kalıcı bir parçası olmadığı gerçeği olarak adlandırılabilir. Programı değiştirmek kolaylaştı. Ancak ekipman elbette değişmeden ve çok basit kalır.

Karşılaştırma için, ENIAC bilgisayar programı (bellekte saklanan hiçbir programın olmadığı) paneldeki özel jumper'lar ile belirlendi. Makineyi yeniden programlamak bir günden fazla sürebilir (atlatıcıları farklı şekilde ayarlayın). Modern bilgisayarlar için programların yazılması yıllar alabilse de, sabit sürücüye birkaç dakikalık kurulumdan sonra milyonlarca bilgisayarda çalışırlar.

Von Neumann makinesi nasıl çalışır?

Von Neumann makinesi bir depolama aygıtından (bellek) - bellek, bir aritmetik mantık aygıtı - ALU, bir kontrol aygıtı - CU ve ayrıca giriş ve çıkış aygıtlarından oluşur.

Programlar ve veriler, bir giriş aygıtından bir aritmetik mantık aygıtı aracılığıyla belleğe girilir. Tüm program komutları bitişik bellek hücrelerine yazılır ve işleme için veriler isteğe bağlı hücrelerde bulunabilir. Herhangi bir program için son komut bir kapatma komutu olmalıdır.

Komut, hangi işlemin gerçekleştirilmesi gerektiğini (belirli bir donanım üzerindeki olası işlemlerden) ve belirtilen işlemin gerçekleştirileceği verilerin depolandığı bellek hücrelerinin adreslerini ve sonucun gerçekleşeceği hücrenin adresini belirtmekten oluşur. yazılır (Bellek'e kaydedilmesi gerekiyorsa).

Aritmetik mantık birimi, belirtilen veriler üzerinde komutların belirttiği işlemleri gerçekleştirir.

Aritmetik mantık biriminden, sonuçlar belleğe veya bir çıkış aygıtına gönderilir. Bellek ile çıktı aygıtı arasındaki temel fark, verilerin bir bilgisayar tarafından işlenmesine uygun bir biçimde bellekte saklanması ve çıktı aygıtlarının (yazıcı, monitör vb.) uygun olduğu şekilde alınmasıdır. Bir kişi.

UU bilgisayarın tüm parçalarını kontrol eder. Kontrol cihazından diğer cihazlara "ne yapılması gerektiği" sinyalleri alınır ve diğer cihazlardan CU durumları hakkında bilgi alır.

Kontrol cihazı, "komut sayacı" adı verilen özel bir kayıt (hücre) içerir. Program ve veriler belleğe yüklendikten sonra komut sayacına programın ilk komutunun adresi yazılır. UU, adresi komut sayacında bulunan bellek hücresinin içeriğini bellekten okur ve özel bir cihaza yerleştirir - "Komut kaydı". UU, komutun çalışmasını belirler, adresleri komutta belirtilen verileri bellekte "işaretler" ve komutun yürütülmesini kontrol eder. İşlem ALU veya bilgisayar donanımı tarafından gerçekleştirilir.

Herhangi bir komutun yürütülmesinin bir sonucu olarak, komut sayacı birer birer değişir ve bu nedenle programdaki bir sonraki komutu işaret eder. Geçerli olanın yanında olmayan, ancak verilenden belirli sayıda adresle aralıklı bir komutun yürütülmesi gerektiğinde, özel bir atlama komutu, kontrolün aktarılacağı hücrenin adresini içerir.

Tüm modern bilgisayarlar, çok zaman geçmesine rağmen, Amerikalı matematikçi John von Neumann (1903 - 1957) tarafından önerilen ilkeler üzerinde çalışır. Ayrıca bilgisayarların geliştirilmesine ve kullanılmasına önemli katkılarda bulunmuştur. Bilgisayarın çalıştığı ilkeleri kuran ilk kişiydi:

1. İkili kodlama ilkesi: bir bilgisayardaki tüm bilgiler, 0 ve 1'in bir kombinasyonu olan ikili biçimde sunulur.

2. Hafıza homojenliği ilkesi: hem programlar hem de veriler aynı hafızada saklanır.Bu nedenle, bilgisayar bu hafıza hücresinde ne saklandığını tanımaz, ancak sayılar, metin, komut vb. Olabilir. yukarıdaki verilerin aynısını yapabilir.

3. Bellek adreslenebilirliği ilkesi: şematik olarak, OP (ana bellek) numaralı hücrelerden, herhangi bir zamanda CPU'dan (merkezi işlem birimi) ve mevcut herhangi bir bellek hücresinden oluşur. Bu nedenle, OP ve CPU arasında daha uygun etkileşim için bellek bloklarına adlar atamak mümkündür.

4. Sıralı program kontrolü ilkesi: Bir program, CPU tarafından birbiri ardına sırayla yürütülen bir dizi komuttan oluşur.

5. Koşullu atlama ilkesi: komutların birer birer yürütülmesi her zaman olmaz, bu nedenle, depolanan verilerin değerine bağlı olarak komutların sıralı yürütülmesini değiştiren bir koşullu atlama komutu olabilir.

... Modern bilgisayarların sınıflandırılması.

Modern bilgisayar yerleşik olarak bölünmüştür mikroişlemciler, mikrobilgisayar(kişisel bilgisayarlar), ana bilgisayarlar ve Süper bilgisayar- birkaç işlemcili bir bilgisayar kompleksi.

mikroişlemci- formda uygulanan işlemciler integral elektronik mikro devreler... Mikroişlemciler telefonlara, televizyonlara ve diğer cihazlara, makinelere ve cihazlara yerleştirilebilir.

Entegre devrelerde tüm modern mikrobilgisayarların işlemcileri ve rastgele erişimli belleğinin yanı sıra tüm ana bilgisayar ve süper bilgisayar bloklarının yanı sıra tüm programlanabilir aygıtlar uygulanmaktadır.

Mikroişlemci performansı birkaç tutar milyon operasyonlar saniyede ve modern RAM bloklarının hacimleri birkaç milyon bayttır.

mikrobilgisayar - bunlar dolu bilgi işlem arabalar sadece veri işleme için bir işlemciye ve rastgele erişimli belleğe sahip değil, aynı zamanda girdi-çıktı ve bilgi depolama aygıtlarına da sahip.

Kişisel bilgisayarlar - bu mikrobilgisayar elektronik ekranlarda görüntüleme cihazlarının yanı sıra klavye şeklinde giriş-çıkış cihazları ve muhtemelen bilgisayar ağlarına bağlanmak için cihazlara sahip olmak.

Mikro bilgisayar mimarisi sistem omurgasının kullanımına dayanır - işlemcilerin ve RAM birimlerinin bağlı olduğu bir arayüz cihazı ve ayrıca tüm bilgi giriş-çıkış cihazları.

bagaj kullanımı değiştirmenize izin verir kompozisyon ve yapı mikrobilgisayar- ek giriş-çıkış aygıtları ekleyin ve bilgisayarların işlevselliğini artırın.

Uzun süreli depolama modern bilgisayarlardaki bilgiler elektronik, manyetik ve optik ortamlar - manyetik diskler, optik diskler ve flash bellek blokları kullanılarak gerçekleştirilir.

Modern bilgisayarların mimarisi dosyaların, yazılım paketlerinin, veritabanlarının ve işletim sistemlerinin bulunduğu uzun süreli belleğin varlığını varsayar.

Büyük bilgisayarlar - bilgisayarlar yüksek verimlilik büyük miktarda harici bellek ile. Büyük bilgisayarlar, bilgisayar ağları ve büyük veri depoları için sunucu olarak kullanılır.

Büyük bilgisayarlar organizasyon için bir temel olarak kullanılır Kurumsal bilgi sistemler sanayi kuruluşlarına ve devlet kurumlarına hizmet vermektedir.

Süper bilgisayar- bu çok işlemcili bilgisayar karmaşık bir mimariye sahip, en yüksek performansa sahip ve süper karmaşık hesaplama problemlerini çözmek için kullanılır.

süper bilgisayar performansı NS düzinelerce ve yüzlerce bin milyar bilgi işlem operasyonlar her saniye. Aynı zamanda, bir süper bilgisayardaki işlemci sayısı artıyor ve bilgisayar mimarisi daha karmaşık hale geliyor.

Bu tür genellikle "von Neumann makinesi" terimiyle belirtilir, ancak bu kavramların karşılığı her zaman açık değildir. Genel olarak, von Neumann mimarisi hakkında konuşurken, veri ve talimatların tek bir bellekte saklanması ilkesini kastediyorlar.

Üniversite YouTube'u

• 1 / 5

  Bilgisayar mimarisi doktrininin temelleri, 1944 yılında dünyanın ilk tüp bilgisayarı ENIAC'ın yaratılmasına katıldığı zaman von Neumann tarafından atıldı. Pennsylvania Üniversitesi'nde ENIAC üzerinde çalışırken, meslektaşları John William Mockley, John Eckert, Herman Goldstein ve Arthur Burks ile sayısız tartışma sırasında, EDVAC adlı daha iyi bir makine fikri ortaya çıktı. EDVAC ile ilgili araştırma çalışmaları ENIAC'ın yapımına paralel olarak devam etmiştir.

  Mart 1945'te, mantıksal mimarinin ilkeleri, ENIAC'ın inşasını ve EDVAC'ın gelişimini finanse eden ABD Ordusu Balistik Laboratuvarı için bir rapor olan "EDVAC Üzerine İlk Taslak Rapor" adlı bir belgede resmileştirildi. Rapor, sadece bir taslak olduğu için, yayınlanmak üzere değil, yalnızca grup içinde dağıtılmak üzere tasarlandı, ancak projenin ABD Ordusu'ndan küratörü Herman Goldstein, bu bilimsel çalışmayı kopyaladı ve geniş bir yelpazeye gönderdi. bilim adamlarının incelemesi için. Belgenin ilk sayfasında sadece von Neumann'ın adı geçtiğinden, belgeyi okuyanlar, eserde sunulan tüm fikirlerin yazarının kendisi olduğu gibi yanlış bir izlenime sahipti. Belge, onu okuyanların bilgisayarlarını EDVAC gibi aynı prensipler ve aynı mimari ile inşa edebilmeleri için yeterli bilgi sağladı ve sonunda "von Neumann mimarisi" olarak tanındı.

  İkinci Dünya Savaşı'nın sona ermesinden ve Şubat 1946'da ENIAC üzerindeki çalışmaların sona ermesinden sonra, mühendisler ve bilim adamlarından oluşan ekip ayrıldı, John Mauchly, John Eckert işe girmeye ve ticari olarak bilgisayarlar oluşturmaya karar verdi. Von Neumann, Goldstein ve Burks, EDVAC'a benzer kendi bilgisayar "IAS makinesini" oluşturmaya ve onu araştırma ve geliştirme çalışmaları için kullanmaya karar verdikleri yere gittiler. Haziran 1946'da, artık klasik olan "Bir Elektronik Hesaplama Cihazının Mantıksal Tasarımının Ön Değerlendirmesi" adlı makalesinde bilgisayar inşa etme ilkelerini ortaya koydular. O zamandan bu yana yarım yüzyıldan fazla bir süre geçti, ancak burada öne sürülen hükümler bugün de geçerliliğini koruyor. Makale, sayıları temsil etmek için ikili bir sistemin kullanıldığını ve sonuçta tüm bilgisayarların önceden işlenmiş sayıları ondalık biçimde sakladığını ikna edici bir şekilde doğrulamaktadır. Yazarlar, teknik uygulama, kolaylık ve içinde aritmetik ve mantıksal işlemler gerçekleştirmenin basitliği için ikili bir sistemin avantajlarını gösterdiler. Gelecekte, bilgisayarlar sayısal olmayan bilgi türlerini - metin, grafik, ses ve diğerleri - işlemeye başladı, ancak verilerin ikili kodlaması hala herhangi bir modern bilgisayarın bilgi temelini oluşturuyor.

  İkili kodla çalışan makinelere ek olarak üçlü makineler de olmuştur ve olmaya devam etmektedir. Üçlü bilgisayarların ikili bilgisayarlara göre bir takım avantajları ve dezavantajları vardır. Avantajları arasında hız (toplama işlemleri yaklaşık bir buçuk kat daha hızlı gerçekleştirilir), ikili ve üçlü mantığın varlığı, işaretli tamsayıların simetrik gösterimi (ikili mantıkta, iki sıfır (pozitif ve negatif) gerçekleşecek veya zıt işaretli bir çifti olmayan bir sayı olacaktır). Dezavantajları, ikili makinelere kıyasla daha karmaşık uygulamadır.

  Önemini abartması zor olan bir başka devrimci fikir, "depolanmış program" ilkesidir. Başlangıçta, program özel bir patch panelde jumper'lar ayarlanarak kuruldu. Bu çok zahmetli bir işti: örneğin, ENIAC makinesinin programını değiştirmek birkaç gün alırken, gerçek hesaplama birkaç dakikadan fazla süremedi - çok sayıda olan lambalar başarısız oldu. Bununla birlikte, bir program aynı zamanda sıfırlar ve birler kümesi olarak ve işlediği sayılarla aynı bellekte saklanabilir. Program ile veriler arasında temel bir farkın olmaması, bilgisayarın hesaplama sonuçlarına göre kendisi için bir program oluşturmasını mümkün kılmıştır.

  Belirli bir dizi yürütülebilir komut ve programın varlığı, ilk bilgisayar sistemlerinin karakteristik bir özelliğiydi. Bugün, bir bilgisayar cihazının tasarımını basitleştirmek için benzer bir tasarım kullanılmaktadır. Bu nedenle, masaüstü hesap makineleri, prensip olarak, sabit bir dizi yürütülebilir programa sahip cihazlardır. Matematiksel hesaplamalar için kullanılabilirler, ancak bunları kelime işleme ve bilgisayar oyunları, grafik veya video görüntülemek için kullanmak neredeyse imkansızdır. Bu tür cihazlar için bellenimi değiştirmek, neredeyse tamamen yeniden çalışmayı gerektirir ve çoğu durumda imkansızdır. Bununla birlikte, erken bilgisayar sistemlerinin yeniden programlanması hala gerçekleştiriliyordu, ancak yeni belgeler hazırlamak, blokları ve cihazları yeniden bağlamak ve yeniden oluşturmak vb. için büyük miktarda manuel çalışma gerektiriyordu.

  Bilgisayar programlarını paylaşılan bellekte saklama fikri her şeyi değiştirdi. Ortaya çıktığı zaman, yürütülebilir komut setlerine dayalı mimarilerin kullanımı ve hesaplama sürecinin bir programda yazılmış talimatları yürütme süreci olarak görülmesi, bilgi işlem sistemlerinin veri işleme açısından esnekliğini büyük ölçüde artırdı. Verilere ve talimatlara bakmak için aynı yaklaşım, programların kendilerinin değiştirilmesini kolaylaştırdı.

  Von Neumann ilkeleri

  Bellek homojenliği ilkesi "von Neumann" (Princeton) mimarisi ile "Harvard" arasındaki temel fark. Komutlar ve veriler aynı bellekte saklanır ve bellekte harici olarak ayırt edilemez. Yalnızca kullanılış biçimleriyle tanınabilirler; yani, bir bellek hücresindeki aynı değer, yalnızca erişim şekline bağlı olarak hem veri, komut olarak hem de adres olarak kullanılabilir. Bu, komutlar üzerinde sayılarla aynı işlemleri gerçekleştirmenize izin verir ve buna göre bir dizi olasılık açar. Böylece komutun adres kısmını çevrimsel olarak değiştirerek veri dizisinin sıralı elemanlarına erişim sağlayabilirsiniz. Bu tekniğe komut modifikasyonu denir ve modern programlama açısından teşvik edilmez. Homojenlik ilkesinin bir başka sonucu, bir programın talimatlarının başka bir programın yürütülmesi sonucunda elde edilebildiği durumlarda daha kullanışlıdır. Bu yetenek, çevirinin temelidir - bir program metninin yüksek seviyeli bir dilden belirli bir bilgisayarın diline çevirisi. Adresleme ilkesi Yapısal olarak, ana bellek numaralandırılmış hücrelerden oluşur ve herhangi bir hücre herhangi bir zamanda işlemci tarafından kullanılabilir. Komutların ve verilerin ikili kodları, kelime adı verilen bilgi birimlerine bölünür ve bellek hücrelerinde saklanır ve bunlara erişmek için karşılık gelen hücrelerin numaraları - adresler - kullanılır. Programlanmış kontrol ilkesi Problemi çözmek için algoritma tarafından sağlanan tüm hesaplamalar, bir dizi kontrol kelimesi - komutlardan oluşan bir program şeklinde sunulmalıdır. Her komut, bir bilgisayar tarafından uygulanan bir dizi işlemden belirli bir işlemi belirtir. Program talimatları, bir bilgisayarın sıralı bellek hücrelerinde saklanır ve doğal bir sırayla, yani programdaki konumlarına göre yürütülür. Gerekirse özel komutlar kullanılarak bu sıra değiştirilebilir. Program komutlarının yürütme sırasını değiştirme kararı, önceki hesaplamaların sonuçlarının analizi temelinde veya koşulsuz olarak verilir. İkili kodlama ilkesi Bu ilkeye göre, hem veri hem de komutlar olmak üzere tüm bilgiler, 0 ve 1 ikili sayılarıyla kodlanır. Her bilgi türü bir ikili diziyle temsil edilir ve kendi formatına sahiptir. Belirli bir anlamı olan bir biçimdeki bit dizisine alan denir. Sayısal bilgilerde, genellikle bir işaret alanı ve önemli bir bit alanı ayırt edilir. En basit durumda, komut biçiminde iki alan ayırt edilebilir: bir işlem kodu alanı ve bir adres alanı.

  Von Neumann ilkeleri üzerine kurulu bilgisayarlar

  Plana göre, von Neumann mimarisine göre yapılan ilk bilgisayarın, ilk elektronik bilgisayarlardan biri olan EDVAC (Elektronik Ayrık Değişken Otomatik Bilgisayar) olması gerekiyordu. Selefinden farklı olarak, ENIAC, ondalık değil, ikili tabanlı bir bilgisayardı. ENIAC gibi, EDVAC da Pennsylvania Üniversitesi Moore Enstitüsü'nde ABD Ordusu Balistik Araştırma Laboratuvarı için John Presper Eckert ve John William Mockley liderliğindeki bir mühendis ve bilim adamı ekibi tarafından bir matematikçinin aktif yardımı ile geliştirildi], ancak 1951'e kadar EDVAC, güvenilir bilgisayar belleği oluşturmadaki teknik zorluklar ve geliştirme ekibindeki anlaşmazlıklar nedeniyle başlatılamadı. ENIAC ve EDVAC projesine aşina olan diğer araştırma enstitüleri, bu sorunları çok daha önce çözebildiler. Von Neumann mimarisinin temel özelliklerinin uygulandığı ilk bilgisayarlar şunlardı:

  1. prototip - Manchester Küçük Deneysel Makinesi - Manchester Üniversitesi, İngiltere, 21 Haziran 1948;
  2. EDSAC - Cambridge Üniversitesi, Birleşik Krallık, 6 Mayıs 1949;
  3. Manchester Mark I - Manchester Üniversitesi, Birleşik Krallık, 1949;
  4. BINAC - ABD, Nisan veya Ağustos 1949;
  5. CSIR Mk 1
  6. EDVAC - ABD, Ağustos 1949 - aslında 1952'de piyasaya sürüldü;
  7. CSIRAC Avustralya, Kasım 1949
  8. SEAC - ABD, 9 Mayıs 1950;
  9. ORDVAC - ABD, Kasım 1951;
  10. IAS Aracı - ABD, 10 Haziran 1952
  11. MANIAC I - ABD, Mart 1952;
  12. AVIDAC - ABD, 28 Ocak 1953;
  13. ORACLE - ABD, 1953 sonu;
  14. WEIZAC - İsrail, 1955;
  15. SILLIAC - Avustralya, 4 Temmuz 1956.

  SSCB'de, von Neumann'ın ilkelerine yakın ilk tamamen elektronik bilgisayar, Aralık ayında devlet kabul testlerini geçen Lebedev (Ukrayna SSR Bilimler Akademisi Kiev Elektrik Mühendisliği Enstitüsü temelinde) tarafından inşa edilen MESM idi. 1951.

  Von Neumann mimarisinin darboğazı

  Program belleği ve veri belleği için veri yolunun paylaşılması, von Neumann mimarisinde bir darboğaza, yani bellek miktarına kıyasla işlemci ve bellek arasındaki bant genişliğinin sınırlandırılmasına yol açar. Program belleğine ve veri belleğine aynı anda erişilemediğinden, işlemciden belleğe kanalın bant genişliği ve bellek çalışma hızı, işlemcinin hızını önemli ölçüde sınırlar - programların ve verilerin olduğundan çok daha fazla. farklı yerlerde saklanır. İşlemci hızı ve bellek, aralarındaki bant genişliğinden çok daha hızlı arttığından, darboğaz, her yeni nesil işlemci ile şiddeti artan büyük bir sorun haline geldi. ]; bu sorun, önbellekleme sistemleri geliştirilerek çözülür ve bu, birçok yeni soruna yol açar [ ne?] .

  "Von Neumann mimarisinin darboğazı" terimi, 1977'de John Backus tarafından "Programlama von Neumann tarzından kurtarılabilir mi?"

  2015 yılında ABD ve İtalya'dan bilim adamları, von Neumann'dan farklı bir mimariye sahip bir meme işlemcisinin (İngilizce bellek işlemcisi) bir prototipinin oluşturulduğunu ve bunu eksiksiz sorunları çözmek için kullanma olasılığını duyurdular.

  Ayrıca bakınız

  Edebiyat

  • Herman H. Goldstine. Pascal'dan von Neumann'a Bilgisayar. - Princeton University Press, 1980 .-- 365 s. -ISBN 9780691023670.(İngilizce)
  • William Aspray. John von Neumann ve Modern Bilişimin Kökenleri. - MIT Press, 1990 .-- 394 s. - ISBN 0262011212.(İngilizce)
  • Scott McCartney. ENIAC: Dünyanın İlk Bilgisayarının Zaferleri ve Trajedileri. - Berkley Books, 2001. - 262 s. -