Принципы фон Неймана (Архитектура фон Неймана)

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

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.

Принципы фон Неймана

Фон Нейман сформулировал 5 основных принципов:

• Двоичная система в ЭВМ. Ее главное достоинство, в сравнении со стандартной, в том, что арифметические и логические счисления проходят намного проще. Стоит отметить, что фон Нейман в этом вопросе не стал первооткрывателем. В ЭВМ $Z1-Z4$, разработка которых стартовала в 1938 году в Германии, уже применялась двоичная система.
• Память в устройстве представляет собой линейную последовательность элементов (ячеек), при этом каждой присвоен адрес. Другие компоненты могут помещать данные в любой элемент, считывать их, обращаясь к нему по ее адресу. Такой принцип определяет возможность работы с переменными.
• Программное управление. Работа ЭВМ подчиняется программе, хранящейся в памяти, при этом участие человека не обязательно. Исключение — ситуации, когда участие заложено в ее суть, к примеру, ввод определенных данных. Чтобы лучше понять принцип действия таких программ, можно провести параллель с калькулятором. При этом любая команда сама определяет, какой будет следующий шаг, или дальнейшая команда будет выполняться из элемента, находящегося рядом. Процесс продолжается до того момента, пока программа не подойдет к концу.
• Память компьютера предназначена для хранения данных и программ. Компьютер не способен определять, что именно локализовано в элементе. Это определяет возможность выполнения над командами и данными одних и тех же действий. Компьютер не способен установить, что содержится в конкретной ячейке. И команды программы, и данные кодируются в двоичной системе счисления, то есть одинаково записываются. Так что есть ситуации, в которых над обоими видами информации можно выполнять одинаковые действия. Как результат, команды программы могут быть получены от предыдущей. Из этого принципа исходит другой — принцип сохранности программы в памяти вместе с данными. Это предопределяет сравнительную простоту изменения программы. Для ЭВМ, созданных до того, как фон Нейман сформулировал принципы, перепрограммирование было либо априори невозможным, либо для его реализации требовалось переключать перемычки на панели, что могло занять до нескольких суток.
• Условный переход. Независимо от того, что команды идут друг за другом, в них есть возможность переходить к любому участку кода.

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

Архитектура фон Неймана

Архитектура ЭВМ фон Неймана включает:

• Запоминающее устройство (ЗУ).
• Арифметико-логический блок (АЛБ).
• Управляющее устройство (УУ).
• Устройство ввода-вывода.

К каждому ЭВМ прилагается список операций, которые могут проводиться с его помощью. Команда имеет следующую структуру:

• Определение операции.
• Определение адресов ячеек, откуда берутся данные для проведения операции.
• Определение адресов ячеек памяти, куда сохраняются итоги.

Программа включает финальную команду для завершения. АЛБ проводит перечисленные в командах операции, и итоги записывает на ЗУ, или устройство вывода. Роль УУ — перенаправлять сигналы между составными частями, и принимать отчет об их состоянии. У последнего имеются собственные регистры, в том числе — специальный регистр команд. В нем содержаться номер той команды, которая восполняется в данную секунду. Когда она завершена, счетчик увеличивает значение на 1.

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Принципы фон Неймана на практике

Electronic Delay Storage Automatic calculator — первая машина, воплотившая перечисленные выше принципы на практике. Ее разработкой занимались сотрудники Кембриджского университета, и завершили работу в 1949 году. ЭВМ, созданные впоследствии, также производились на базе описанной архитектуры. На территории Советского Союза в 1951 году была создана ЭВМ МЭМС, более всего походившая на машины, созданные по принципам фон Неймана. Главным руководителем стал С.А.Лебедев.

В компьютерах последних поколений все так же применяется двоичная система, принципы автоматической работы и сохранности. Оставшиеся 2 принципа применяются в отдельных случаях.

Есть модели, способные устанавливать отличия между данными и программами. В таких компьютерах ячейки не просто хранят информацию, но и имеют метку, указывающую на характер ее содержимого. Чтобы сэкономить память, метки устанавливаются не на каждую ячейку, а на их последовательность, что дает возможность различать команды и данные.

Во многих современных компьютерах нарушаются принципы однородности и линейности. К примеру, память состоит из 2 частей с независимыми адресами ячеек, или ячейки в принципе без адресов (ассоциативная память).

Все модели новых поколений, у которых больше 1 процессора, не выполняют команды последовательно. У таких компьютеров есть возможность выполнять сразу несколько команд, при этом они могут относиться к одной программе, или к разным.

Принципы фон Неймана построения электронно-вычислительной машины.

· Принцип двоичного кодирования

Читайте также:  Устройства двигателя гольф 2 дизель

· Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов (двоичных цифр, битов) и разделяется на единицы, называемые словами.

· Принцип однородности памяти

· Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

· Принцип адресуемости памяти

· Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к хранящимся в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

· Принцип последовательного программного управления

· Предполагает, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

· Принцип жесткости архитектуры

· Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.

· Компьютеры, построенные на этих принципах, относят 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. 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.

·

·

· 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.

16)Структура и архитектура вычислительной системы

Система (от греческого systema — целое, составленное из частей соединение) — это совокупность элементов, взаимодействующих друг с другом, образующих определенную целостность, единство.
Вычислительная система — это совокупность одного или нескольких компьютеров или процессоров, программного обеспечения и периферийного оборудования, организованная для совместного выполнения информационно-вычислительных процессов.
Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку.
Основные принципы построения, закладываемые при создании ВС:
• возможность работы в разных режимах;
• модульность структуры технических и программных средств, что позволяет совершенствовать и модернизировать вычислительные системы без коренных их переделок;
• унификация и стандартизация технических и программных решений;
• иерархия в организации управления процессами;
• способность систем к адаптации, самонастройке и самоорганизации;
• обеспечение необходимым сервисом пользователей при выполнении вычислений
По назначению ВС делят на
• универсальные,
• проблемно-ориентированные
• специализированные.
Универсальные предназначаются для решения широкого класса задач. Проблемно-ориентированные используются для решения определенного круга задач в сравнительно узкой сфере. Специализированные ориентированы на решение узкого класса задач
По типу ВС различаются на
• многомашинные
• многопроцессорные.
Вычислительная система может строиться на базе либо целых компьютеров (многомашинная ВС), либо на базе отдельных процессоров (многопроцессорная ВС).
По типу ЭВМ или процессоров различают
• однородные – строятся на базе однотипных компьютеров или процессоров.
• неоднородные системы – включает в свой состав различные типы компьютеров или процессоров.
Территориально ВС делятся на:
• сосредоточенные (все компоненты располагаются в непосредственной близости друг от друга);
• распределенные (компоненты могут располагаться на значительном расстоянии, например, вычислительные сети);
По методам управления элементами ВС различают
• централизованные,
• децентрализованные
• со смешанным управлением.

Читайте также:  Магический кристалл пазл машина как собрать

По режиму работы ВС различают системы, работающие в
• оперативном
• неоперативном временных режимах.
Кроме этого, ВС могут быть структурно
• одноуровневыми (имеется лишь один общий уровень обработки данных);
• Многоуровневыми (иерархическими) структурами. В иерархических ВС машины или процессоры распределены по разным уровням обработки информации, некоторые машины (процессоры) могут специализироваться на выполнении определенных функций.
Структура вычислительной системы.
Структура ВС — это совокупность комплексируемых элементов и их связей. В качестве элементов ВС выступают отдельные ЭВМ и процессоры.
В описанной многоуровневой структуре реализуется классическая фон- неймановская организация ВС и предполагает последовательную обработку информации по заранее составленной программе.
Архитектура вычислительных систем. Классификация архитектур вычислительных систем.
Архитектура системы – совокупность свойств системы, существенных для пользования.
Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д.
Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа. Это однопроцессорный компьютер.
Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко.
Самой ранней и наиболее известной является классификация архитектур вычислительных систем, предложенная в 1966 году М.Флинном.

· Классификация базируется на понятии потока, под которым понимается последовательность элементов, команд или данных, обрабатываемая процессором. На основе числа потоков команд и потоков данных Флинн выделяет четыре класса архитектур: SISD,MISD,SIMD,MIMD.
SISD (single instruction stream / single data stream) — одиночный поток команд и одиночный поток данных. К этому классу относятся, прежде всего, классические последовательные машины, или иначе, машины фон-неймановского типа, например, PDP-11 или VAX 11/780. В таких машинах есть только один поток команд, все команды обрабатываются последовательно друг за другом и каждая команда инициирует одну операцию с одним потоком данных. Не имеет значения тот факт, что для увеличения скорости обработки команд и скорости выполнения арифметических операций может применяться конвейерная обработка — как машина CDC 6600 со скалярными функциональными устройствами, так и CDC 7600 с конвейерными попадают в этот класс.
SIMD (single instruction stream / multiple data stream) — одиночный поток команд и множественный поток данных. В архитектурах подобного рода сохраняется один поток команд, включающий, в отличие от предыдущего класса, векторные команды. Это позволяет выполнять одну арифметическую операцию сразу над многими данными — элементами вектора. Способ выполнения векторных операций не оговаривается, поэтому обработка элементов вектора может производится либо процессорной матрицей, как в ILLIAC IV, либо с помощью конвейера, как, например, в машине CRAY-1.
MISD (multiple instruction stream / single data stream) — множественный поток команд и одиночный поток данных. Определение подразумевает наличие в архитектуре многих процессоров, обрабатывающих один и тот же поток данных. Однако ни Флинн, ни другие специалисты в области архитектуры компьютеров до сих пор не смогли представить убедительный пример реально существующей вычислительной системы, построенной на данном принципе. Ряд исследователей относят конвейерные машины к данному