В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом (Рисунок 8.5). Впервые эти принципы были опубликованы в его предложениях по машине EDVAC. Эта ЭВМ была одной из первых машин с хранимой программой, т.е. с программой, запомненной в памяти машины, а не считываемой с перфокарты или другого подобного устройства.
Рисунок 9.5 – Джон фон Нейман, 1945 г.
1. Принцип программного управления . Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды.
А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти.
Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой ячейке памяти, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды “стоп”.
Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.
По мнению Джона фон Неймана, компьютер должен состоять из центрального арифметико-логического устройства, центрального устройства управления, запоминающего устройства и устройства ввода-вывода информации. Компьютер, по его мнению, должен работать с двоичными числами, быть электронным (а не электрическим); выполнять операции последовательно.
Все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов-команд. Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию, место нахождения (адреса) операндов и ряд служебных признаков. Операнды - переменные, значения которых участвуют в операциях преобразования данных. Список (массив) всех переменных (входных данных, промежуточных значений и результатов вычислений) является еще одним неотъемлемым элементом любой программы.
Для доступа к программам, командам и операндам используются их адреса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти ЭВМ, предназначенных для хранения объектов. Информация(командная и данные: числовая, текстовая, графическая и т.п.) кодируется двоичными цифрами 0 и 1.
Поэтому различные типы информации, размещенные в памяти ЭВМ, практически неразличимы, идентификация их возможна лишь при выполнении программы, согласно ее логике, по контексту.
2. Принцип однородности памяти . Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции - перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.
3. Принцип адресности . Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.
Принципы фон-Неймана практически можно реализовать множеством различных способов. Здесь приведем два из них: ЭВМ с шиной и канальной организацией. Перед тем, как описать принципы функционирования ЭВМ, введем несколько определений.
Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.
Структура компьютера - это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства - от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.
Весьма часто употребляется термин конфигурация ЭВМ , под которым понимается компоновка вычислительного устройства с четким определением характера, количества, взаимосвязей и основных характеристик его функциональных элементов. Термин «организация ЭВМ » определяет, как реализованы возможности ЭВМ,
Команда – совокупность сведений, необходимых процессору для выполнения определенного действия при выполнении программы.
Команда состоит из кода операции , содержащего указание на операцию, которую необходимо выполнить, и несколько адресных полей , содержащих указание на месте расположения операндов команды.
Способ вычисления адреса по информации, содержащейся в адресном поле команды, называется режимом адресации . Множество команд, реализованных в данной ЭВМ, образует её систему команд.
· использование двоичной системы для представления чисел. В работе фон Неймана продемонстрированы преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство выполнения арифметических и логических операций. В дальнейшем стали обрабатывать нечисловые виды информации: текстовую, графическую, звуковую и т.д. Двоичное кодирование- основа современного компьютера.
· принципы «хранимой программы». Программа, записанная с помощью двоичных кодов, должна храниться в той же самой памяти, что и обрабатываемые данные.
· принцип адресности. Команды и данные перемещаются в ячейки памяти доступ к котором осуществляется по адресу. Адресом ячейки является ее ее номер, местонахождение информации в ОЗУ так же кодируется в виде двоичных систем.
В ЭВМ по принципу фон Неймана происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти из которой извлечена команда программы формируется и хранится в специальном устройстве счетчике команд.
В соответствии с принципами фон Неймана компьютер должен иметь в составе следующие устройства:
· Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для обработки закодированной информации и может выполнять арифметические и логические операции:;
· Устройство управление (УУ) организует выполнение программ;
· Память или запоминающее устройство (ЗУ)- хранение программ и данных. Память компьютера состоит из некоторого количества пронумерованных ячеек. В каждой из них могут находиться обрабатываемы данные или инструкции программ;
· Внешние устройства для ввода и вывода информации, обеспечивают прямую и обратную связь.
Рассмотрим состав и назначение основных блоков ПК (рис. 2).
Рис. 2. Структурная схема персонального компьютера
Микропроцессор (МП). Это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.
В состав микропроцессора входят:
§ устройство управления (УУ) – формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов;
§ арифметико-логическое устройство (АЛУ) – предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор);
§ микропроцессорная память (МПП) – служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие);
§ интерфейсная система микропроцессора – реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной. Интерфейс (interface) – совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. Порт ввода-вывода (I/O – Input/Output port) – аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство ПК.
Генератор тактовых импульсов. Он генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины.
Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины.
Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.
Системная шина. Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.
Системная шина включает в себя:
§ кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;
§ кодовую шину адреса (КША), включающую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;
§ кодовую шину инструкций (КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины;
§ шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.
Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:
1) между микропроцессором и основной памятью;
2) между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
3) между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).
Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему – контроллер шины, формирующий основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.
Основная память (ОП). Она предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию (изменить информацию в ПЗУ нельзя).
ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени. Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка ОЗУ следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость).
Внешняя память. Она относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, но наиболее распространенными, имеющимися практически на любом компьютере, являются накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках.
Назначение этих накопителей – хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. Различаются НЖМД и НГМД лишь конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации.
В качестве устройств внешней памяти используются также запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (стриммеры), накопители на оптических дисках (CD-ROM – Compact Disk Read Only Memory – компакт-диск с памятью, только читаемой) и др. (см. подразд. 4.4).
Источник питания. Это блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.
Таймер. Это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания – аккумулятору и при отключении машины от сети продолжает работать.
Внешние устройства (ВУ). Это важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса. Достаточно сказать, что по стоимости ВУ иногда составляют 50 - 80% всего ПК. От состава и характеристик ВУ во многом зависят возможность и эффективность применения ПК в системах управления и в народном хозяйстве в целом.
ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими ЭВМ. ВУ весьма разнообразны и могут быть классифицированы по ряду признаков. Так, по назначению можно выделить следующие виды ВУ:
§ внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК;
§ диалоговые средства пользователя;
§ устройства ввода информации;
§ устройства вывода информации;
§ средства связи и телекоммуникации.
Диалоговые средства пользователя включают в свой состав видеомониторы (дисплеи), реже пультовые пишущие машинки (принтеры с клавиатурой) и устройства речевого ввода-вывода информации.
Видеомонитор (дисплей) – устройство для отображения вводимой и выводимой из ПК информации (см. подразд. 4.5).
Устройства речевого ввода-вывода относятся к быстроразвивающимся средствам мультимедиа. Устройства речевого ввода – это различные микрофонные акустические системы, "звуковые мыши", например, со сложным программным обеспечением, позволяющим распознавать произносимые человеком буквы и слова, идентифицировать их и закодировать.
Устройства речевого вывода – это различные синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через громкоговорители (динамики) или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру.
К устройствам ввода информации относятся:
§ клавиатура – устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК (см. подразд. 4.5);
§ графические планшеты (диджитайзеры) – для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняются считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК;
§ сканеры (читающие автоматы) – для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей; в устройстве кодирования сканера в текстовом режиме считанные символы после сравнения с эталонными контурами специальными программами преобразуются в коды ASCII, а в графическом режиме считанные графики и чертежи преобразуются в последовательности двухмерных координат (см. подразд. 4.5);
§ манипуляторы (устройства указания): джойстик – рычаг, мышь, трекбол - шар в оправе, световое перо и др. – для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК;
§ сенсорные экраны – для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК.
К устройствам вывода информации относятся:
§ принтеры – печатающие устройства для регистрации информации на бумажный носитель (см. подразд. 4.5);
§ графопостроители (плоттеры) – для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель; плоттеры бывают векторные с вычерчиванием изображения с помощью пера и растровые: термографические, электростатические, струйные и лазерные. По конструкции плоттеры подразделяются на планшетные и барабанные. Основные характеристики всех плоттеров примерно одинаковые: скорость вычерчивания – 100 - 1000 мм/с, у лучших моделей возможны цветное изображение и передача полутонов; наибольшая разрешающая способность и четкость изображения у лазерных плоттеров, но они самые дорогие.
Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи и т.п.) и для подключения ПК к каналам связи, к другим ЭВМ и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы, "стыки", мультиплексоры передачи данных, модемы).
В частности, показанный на рис. 4.2 сетевой адаптер является внешним интерфейсом ПК и служит для подключения его к каналу связи для обмена информацией с другими ЭВМ, для работы в составе вычислительной сети. В глобальных сетях функции сетевого адаптера выполняет модулятор-демодулятор (модем, см. гл. 7).
Многие из названных выше устройств относятся к условно выделенной группе – средствам мультимедиа.
Средства мультимедиа (multimedia – многосредовость) – это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и др.
К средствам мультимедиа относятся устройства речевого ввода и вывода информации; широко распространенные уже сейчас сканеры (поскольку они позволяют автоматически вводить в компьютер печатные тексты и рисунки); высококачественные видео- (video-) и звуковые (sound-) платы, платы видеозахвата (videograbber), снимающие изображение с видеомагнитофона или видеокамеры и вводящие его в ПК; высококачественные акустические и видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами. Но, пожалуй, еще с большим основанием к средствам мультимедиа относят внешние запоминающие устройства большой емкости на оптических дисках, часто используемые для записи звуковой и видеоинформации.
CD широко используются, например, при изучении иностранных языков, правил дорожного движения, бухгалтерского учета, законодательства вообще и налогового законодательства в частности. И все это сопровождается текстами и рисунками, речевой информацией и мультипликацией, музыкой и видео. В чисто бытовом аспекте CD можно использовать для хранения аудио- и видеозаписей, т.е. использовать вместо плейерных аудиокассет и видеокассет. Следует упомянуть, конечно, и о большом количестве программ компьютерных игр, хранимых на CD.
Таким образом, CD-ROM открывает доступ к огромным объемам разнообразной и по функциональному назначению, и по среде воспроизведения информации, записанной на компакт-дисках.
Дополнительные схемы. К системной шине и к МП ПК наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и некоторые дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора: математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.
Математический сопроцессор широко используется для ускоренного выполнения операций над двоичными числами с плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами, для вычисления некоторых трансцендентных, в том числе тригонометрических, функций. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно (совмещено во времени) с основным МП, но под управлением последнего. Ускорение операций происходит в десятки раз. Последние модели МП, начиная с МП 80486 DX, включают сопроцессор в свою структуру.
Контроллер прямого доступа к памяти освобождает МП от прямого управления накопителями на магнитных дисках, что существенно повышает эффективное быстродействие ПК. Без этого контроллера обмен данными между ВЗУ и ОЗУ осуществляется через регистр МП, а при его наличии данные непосредственно передаются между ВЗУ и ОЗУ, минуя МП.
Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с МП значительно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств (дисплей, принтер, НЖМД, НГМД и др.); освобождает МП от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует и режим прямого доступа к памяти.
Важнейшую роль играет в ПК контроллер прерываний.
Прерывание – временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент более важной (приоритетной) программы
Прерывания возникают при работе компьютера постоянно . Достаточно сказать, что все процедуры ввода-вывода информации выполняются по прерываниям, например, прерывания от таймера возникают и обслуживаются контроллером прерываний 18 раз в секунду (естественно, пользователь их не замечает).
Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в МП. МП, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению специальной программы обслуживания того прерывания, которое запросило внешнее устройство. После завершения программы обслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы. Контроллер прерываний является программируемым.
В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В последствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальны и сегодня.
По сути, Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципиально новое.
Принципы фон Неймана
- Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах . Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.
- Программное управление ЭВМ . Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.
- Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ . При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.
- Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы . В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.
- Возможность условного перехода в процессе выполнения программы . Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.
Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.
Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было хранимой в памяти программы) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) мог потребоваться далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться годы, однако они работают на миллионах компьютеров после несколько минутной установки на жесткий диск.
Как работает машина фон Неймана
Машина фон Неймана состоит из запоминающего устройства (памяти) - ЗУ, арифметико-логического устройства - АЛУ, устройства управления – УУ, а также устройств ввода и вывода.
Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние ячейки памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных ячейках. У любой программы последняя команда должна быть командой завершения работы.
Команда состоит из указания, какую операцию следует выполнить (из возможных операций на данном «железе») и адресов ячеек памяти, где хранятся данные, над которыми следует выполнить указанную операцию, а также адреса ячейки, куда следует записать результат (если его требуется сохранить в ЗУ).
Арифметико-логическое устройство выполняет указанные командами операции над указанными данными.
Из арифметико-логического устройства результаты выводятся в память или устройство вывода. Принципиальное различие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройства вывода (принтер, монитор и др.) поступают так, как удобно человеку.
УУ управляет всеми частями компьютера. От управляющего устройства на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии.
Управляющее устройство содержит специальный регистр (ячейку), который называется «счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. УУ считывает из памяти содержимое ячейки памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство - «Регистр команд». УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера.
В результате выполнения любой команды счетчик команд изменяется на единицу и, следовательно, указывает на следующую команду программы. Когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов, то специальная команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать управление.
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 принцип хранения данных и инструкций в одной памяти.
Энциклопедичный YouTube
-
1 / 5
Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил фон Нейман в 1944 году, когда подключился к созданию первого в мире лампового компьютера ЭНИАК . В процессе работы над ЭНИАКом в в Пенсильванском Университете во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Джоном Уильямом Мокли , Джоном Экертом , Германом Голдстайном и Артуром Бёрксом, возникла идея более совершенной машины под названием EDVAC . Исследовательская работа над EDVAC продолжалась параллельно с конструированием ЭНИАКа.
В марте 1945 года принципы логической архитектуры были оформлены в документе, который назывался «Первый проект отчёта о EDVAC » - отчет для Баллистической Лаборатории Армии США, на чьи деньги осуществлялась постройка ЭНИАКа и разработка EDVACа . Отчет, поскольку он являлся всего лишь наброском, не предназначался для публикации, а только для распространения внутри группы, однако Герман Голдстайн - куратор проекта со стороны Армии США - размножил эту научную работу и разослал её широкому кругу ученых для ознакомления. Так как на первой странице документа стояло только имя фон Неймана , у читавших документ сложилось ложное впечатление, что автором всех идей, изложенных в работе, является именно он. Документ давал достаточно информации для того, чтобы читавшие его могли построить свои компьютеры, подобные EDVACу на тех же принципах и с той же архитектурой, которая в результате стала называться «архитектурой фон Неймана».
После завершения Второй Мировой войны и окончания работ над ЭНИАКом в феврале 1946 года команда инженеров и ученых распалась, Джон Мокли , Джон Экерт решили обратиться в бизнес и создавать компьютеры на коммерческой основе. Фон Нейман, Голдстайн и Бёркс перешли в , где решили создать свой компьютер «IAS-машина », подобный EDVACу , и использовать его для научно-исследовательской работы. В июне 1946 года они изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства» . С тех пор прошло более полувека, но выдвинутые в ней положения сохраняют свою актуальность и сегодня. В статье убедительно обосновывается использование двоичной системы для представления чисел, а ведь ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде. Авторы продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации - текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.
Помимо машин, работавших с двоичным кодом, существовали и существуют троичные машины . Троичные компьютеры имеют ряд преимуществ и недостатков перед двоичными. Среди преимуществ можно выделить быстродействие (операции сложения выполняются примерно в полтора раза быстрее), наличие двоичной и троичной логики, симметричное представление целых чисел со знаком (в двоичной логике либо будут иметь место два нуля (положительный и отрицательный), либо будет иметь место число, которому нет пары с противоположным знаком). К недостаткам - более сложная реализация по сравнению с двоичными машинами.
Ещё одной революционной идеей, значение которой трудно переоценить, является принцип «хранимой программы». Первоначально программа задавалась путём установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например, для изменения программы машины ЭНИАК требовалось несколько дней, в то время как собственно расчет не мог продолжаться более нескольких минут - выходили из строя лампы, которых было огромное количество. Однако программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причём в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.
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 почти 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 , перекоммутации и 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.
Принципы фон Неймана
Принцип однородности памяти Принципиальное отличие архитектуры "фон Неймана" (принстонской) от "Гарвардской ". Команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти неразличимы. Распознать их можно только по способу использования; то есть одно и то же значение в ячейке памяти может использоваться и как данные, и как команда, и как адрес в зависимости лишь от способа обращения к нему. Это позволяет производить над командами те же операции, что и над числами, и, соответственно, открывает ряд возможностей. Так, циклически изменяя адресную часть команды, можно обеспечить обращение к последовательным элементам массива данных. Такой прием носит название модификации команд и с позиций современного программирования не приветствуется. Более полезным является другое следствие принципа однородности, когда команды одной программы могут быть получены как результат исполнения другой программы. Эта возможность лежит в основе трансляции - перевода текста программы с языка высокого уровня на язык конкретной вычислительной машины. Принцип адресности Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причём процессору в произвольный момент доступна любая ячейка. Двоичные коды команд и данных разделяются на единицы информации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, а для доступа к ним используются номера соответствующих ячеек - адреса. Принцип программного управления Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов - команд. Каждая команда предписывает некоторую операцию из набора операций, реализуемых вычислительной машиной. Команды программы хранятся в последовательных ячейках памяти вычислительной машины и выполняются в естественной последовательности, то есть в порядке их положения в программе. При необходимости, с помощью специальных команд, эта последовательность может быть изменена. Решение об изменении порядка выполнения команд программы принимается либо на основании анализа результатов предшествующих вычислений, либо безусловно. Принцип двоичного кодирования Согласно этому принципу, вся информация, как данные, так и команды, кодируются двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип информации представляется двоичной последовательностью и имеет свой формат. Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. В числовой информации обычно выделяют поле знака и поле значащих разрядов. В формате команды в простейшем случае можно выделить два поля: поле кода операции и поле адресов.
Компьютеры, построенные на принципах фон Неймана
По плану, первым компьютером, построенным по архитектуре фон Неймана, должен был стать EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) - одна из первых электронных вычислительных машин. В отличие от своего предшественника ЭНИАКа, это был компьютер на двоичной, а не десятичной основе. Как и ЭНИАК, EDVAC был разработан в Институте Мура Пенсильванского Университета для Лаборатории баллистических исследований (англ.) Армии США командой инженеров и учёных во главе с Джоном Преспером Экертом (англ.) и Джоном Уильямом Мокли при активной помощи математика], однако до 1951 года EDVAC не был запущен из-за технических трудностей в создании надёжной компьютерной памяти и разногласий в группе разработчиков. Другие научно-исследовательские институты, ознакомившись с ЭНИАКом и проектом EDVAC, сумели решить эти проблемы гораздо раньше. Первыми компьютерами, в которых были реализованы основные особенности архитектуры фон Неймана, были:
- прототип - Манчестерская малая экспериментальная машина - Манчестерский университет , Великобритания, 21 июня 1948 года;
- EDSAC - Кембриджский университет , Великобритания, 6 мая 1949 года;
- Манчестерский Марк I - Манчестерский университет , Великобритания, 1949 год;
- BINAC - США, апрель или август 1949 года;
- CSIR Mk 1
- EDVAC - США, август 1949 года - фактически запущен в 1952 году;
- CSIRAC - Австралия, ноябрь 1949 года;
- SEAC - США, 9 мая 1950 года;
- ORDVAC - США, ноябрь 1951 года;
- IAS-машина - США, 10 июня 1952 года;
- MANIAC I - США, март 1952 года;
- AVIDAC - США, 28 января 1953 года;
- ORACLE - США, конец 1953 года;
- WEIZAC - Израиль, 1955 год;
- SILLIAC - Австралия, 4 июля 1956 года.
В СССР первой полностью электронной вычислительной машиной, близкой к принципам фон Неймана, стала МЭСМ , построенная Лебедевым (на базе киевского Института электротехники АН УССР), прошедшая государственные приемочные испытания в декабре 1951 года.
Узкое место архитектуры фон Неймана
Совместное использование шины для памяти программ и памяти данных приводит к узкому месту архитектуры фон Неймана, а именно ограничению пропускной способности между процессором и памятью по сравнению с объёмом памяти. Из-за того, что память программ и память данных не могут быть доступны в одно и то же время, пропускная способность канала "процессор-память" и скорость работы памяти существенно ограничивают скорость работы процессора - гораздо сильнее, чем если бы программы и данные хранились в разных местах. Так как скорость процессора и объём памяти увеличивались гораздо быстрее, чем пропускная способность между ними, узкое место стало большой проблемой, серьёзность которой возрастает с каждым новым поколением процессоров [ ] ; данная проблема решается совершенствованием систем кэширования, а это порождает множество новых проблем [каких? ] .
Термин «узкое место архитектуры фон Неймана» ввел Джон Бэкус в 1977 в своей лекции «Можно ли освободить программирование от стиля фон Неймана?», которую он прочитал при вручении ему Премии Тьюринга
Ученые из США и Италии в 2015 заявили о создании прототипа мем-процессора (английское memprocessor) с отличной от фон-неймановской архитектурой и возможности его использования для решения -полных задач .
См. также
Литература
- Herman H. Goldstine. The Computer from Pascal to von Neumann . - Princeton University Press, 1980. - 365 p. - ISBN 9780691023670 . (англ.)
- William Aspray. John von Neumann and the Origins of Modern Computing . - MIT Press, 1990. - 394 p. - ISBN 0262011212 . (англ.)
- Scott McCartney. ENIAC: The Triumphs and Tragedies of the World"s First Computer . - Berkley Books, 2001. - 262 p. -
В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В дальнейшем на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальны и сегодня.
По сути, Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципиально новое.
Принцип программного управления: программа состоит из набора команд, выполняющихся процессором определённой последовательности.
Принцип однородности памяти: программы и данные хранятся в одной и той же памяти.
Принцип адресности: структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.
Компьютеры, построенные на перечисленных принципах, относятся к типу фон – неймановских.
Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было хранимой в памяти программы) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) мог потребоваться далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться годы, однако они работают на миллионах компьютеров, установка программ не требует значительных временных затрат.
Помимо перечисленных трёх принципов фон Нейман предложил принцип двоичного кодирования - для представления данных и команд используется двоичная система счисления (первые машины использовали десятичную систему счисления). Но последующие разработки показали, возможность использования нетрадиционных систем счисления.
В начале 1956 г. по инициативе академика С.Л. Соболева, заведующего кафедрой вычислительной математики на механико-математическом факультете Московского университета, в вычислительном центре МГУ был учрежден отдел электроники и стал работать семинар с целью создать практичный образец цифровой вычислительной машины, предназначенной для использования в вузах, а также в лабораториях и конструкторских бюро промышленных предприятий. Требовалось разработать малую ЭВМ, простую в освоении и применениях, надежную, недорогую и вместе с тем эффективную в широком спектре задач. Обстоятельное изучение в течение года имевшихся в то время вычислительных машин и технических возможностей их реализации привело к нестандартному решению употребить в создаваемой машине не двоичный, а троичный симметричный код, реализовав уравновешенную систему счисления, которую Д. Кнут двадцать лет спустя назовет быть может, самой изящной и как затем стало известно, достоинства которой были выявлены К. Шенноном в 1950г. В отличие от общепринятого в современных компьютерах двоичного кода с цифрами 0, 1, арифметически неполноценного вследствие невозможности непосредственного представления в нем отрицательных чисел, троичный код с цифрами -1, 0, 1 обеспечивает оптимальное построение арифметики чисел со знаком. Троичная система счисления основана на том же позиционном принципе кодирования чисел, что и принятая в современных компьютерах двоичная система, однако вес i -й позиции (разряда) в ней равен не 2 i , а 3 i . При этом сами разряды не двухзначны (не биты), а трехзначны (триты) - помимо 0 и 1 допускают третье значение, которым в симметричной системе служит -1, благодаря чему единообразно представимы как положительные, так и отрицательные числа. Значение n -тритного целого числа N определяется аналогично значению n -битного:
где а i ∈ {1, 0, -1} - значение цифры i -го разряда.
В апреле 1960 г. были проведены междуведомственные испытания опытного образца вычислительной машины, названной «Сетунь».По результатам этих испытаний “Сетунь” была признана первым действующим образцом универсальной вычислительной машины на безламповых элементах, которому свойственны “высокая производительность, достаточная надежность, малые габариты и простота технического обслуживания”.“Сетунь”, благодаря естественности троичного симметричного кода, оказалась поистине универсальным, несложно программируемым и весьма эффективным вычислительным инструментом, положительно зарекомендовавшим себя, в частности, как техническое средство обучения вычислительной математике более чем в тридцати вузах. А в Военно-воздушной инженерной академии им. Жуковского именно на “Сетуни” была впервые реализована автоматизированная система компьютерного обучения.
В соответствии с принципами фон Неймана компьютер состоит из:
· арифметико-логического устройства - АЛУ (англ. ALU, Arithmetic and Logic Unit), выполняющего арифметические и логические операции; устройства управления -УУ, предназначенного для организации выполнения программ;
· запоминающих устройств (ЗУ) , в т.ч. оперативного запоминающего устройства (ОЗУ – первичная память) и внешнего запоминающего устройства (ВЗУ); в основной памяти хранятся данные и программы; модуль памяти состоит из множества пронумерованных ячеек, в каждую ячейку может быть записано двоичное число, которое интерпретируется либо как команда, либо как данные;
· устройств ввода-вывода, которые служат для передачи данных между компьютером и внешним окружением, состоящим из различных периферийных устройств, в число которых входят вторичная память, коммуникационное оборудование и терминалы.
Обеспечивает взаимодействие между процессором (АЛУ и УУ), основной памятью и устройствами ввода – вывода системная шина .
Фон-неймановская архитектура компьютера считается классической, на ней построено большинство компьютеров. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных. Идея хранения компьютерных программ в общей памяти позволяла превратить вычислительные машины в универсальные устройства, которые способны выполнять широкий круг задач. Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние ячейки памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных ячейках. У любой программы последняя команда должна быть командой завершения работы.
Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день – фон-Неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины). По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.
2.2 Команда, форматы команд
Команда – это описание элементарной операции, которую должен выполнить компьютер.
Структура команды.
Количество разрядов, которые отводятся для записи команды, зависит от аппаратных средств конкретной модели компьютера. В связи с этим, структуру конкретной команды будем рассматривать для общего случая.
В общем случае команда содержит следующую информацию:
Ø код выполняемой операции;
Ø указания по определению операндов или их адресов;
Ø указания по размещению получаемого результата.
Для любой конкретной машины должно быть задано число двоичных разрядов, отводимых в команде для каждого из её адресов и для кода операций, так же как и сами фактические коды операций. Число двоичных разрядов в команде, отведенное при конструировании машины для каждого из её адресов, определяет верхнюю границу числа ячеек памяти машины, имеющих отдельные адреса: если адрес в команде изображается с помощью n двоичных разрядов, то в памяти с быстрой выборкой не может содержаться больше чем 2 n ячеек.
Команды выполняются последовательно, начиная с начального адреса (точки входа) исполняемой программы, адрес каждой следующей команды на единицу больше адреса предыдущей команды, если она не являлась командой перехода.
В современных машинах длина команд переменная (как правило, от двух до четырёх байт), а способы указания адресов переменных весьма разнообразны.
В адресной части команды может быть указан, например:
Операнд;
Адрес операнда;
Адрес адреса операнда (номер байта, начиная с которого расположен адрес операнда) и т.д.
Рассмотрим структуру возможных вариантов нескольких типов команд.
Трёхадресные команды.
Двухадресные команды.
Одноадресные команды.
Безадресные команды.
Рассмотрим бинарную операцию сложения: с = a + b.
Для каждой переменной в памяти определим условные адреса:
Пусть 53 – код операции сложения.
В этом случае структура трёхадресной команды выглядит следующим образом:
· Трёхадресные команды.
Процесс выполнения команды разбивается на следующие этапы:
Из ячейки памяти, адрес которой хранится в счётчике команд, выбирается очередная команда; содержимое счётчика изменяется и теперь содержит адрес следующей по порядку команды;
Выбранная команда передаётся в устройство управления на регистр команд;
Устройство управления расшифровывает адресное поле команды;
По сигналам УУ значения операндов считываются из памяти и записываются в АЛУ на специальные регистры операндов;
УУ расшифровывает код операции и выдаёт в АЛУ сигнал выполнить соответствующую операцию над данными;
Результат операции в данном случае отправляется в память(в одноадресных и двухадресных ЭВМ остаётся в процессоре);
Все предыдущие действия выполняются до достижения команды ОСТАНОВ.
2.3 ЭВМ как автомат
«Электронные цифровые машины с программным управлением представляют собой пример одного из наиболее распространенных в настоящее время типов преобразователей дискретной информации, называемых дискретными или цифровыми автоматами»(Глушков В.М. Синтез цифровых автоматов)
Любая вычислительная машина работает автоматически (будь то большая или малая ЭВМ, персональный компьютер или Супер-ЭВМ). В этом смысле вычислительная машина как автомат может быть описана структурной схемой, представленной на рис. 2.1.
В предыдущих параграфах была рассмотрена структурная схема вычислительной машины. Исходя из структурной схемы вычислительной машины и схемы автомата, мы можем сопоставить блоки схемы автомата и элементы структурной схемы ЭВМ.
В качестве исполнительных элементов в автомат включаются:
· арифметико-логическое устройство:
· память;
· устройства ввода-вывода информации.
Управляющим элементом автомата является устройство управления, которое собственно обеспечивает автоматический режим работы. Как уже отмечалось, в современных вычислительных устройствах основным исполнительным элементом является процессор или микропроцессор, который содержит в себе АЛУ, память, устройство управления.
Вспомогательными устройствами автомата могут быть всевозможные дополнительные средства, улучшающие или расширяющие возможности автомата.
