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.

Какому принципу не соответствует архитектура фон Неймана? Как работает машина фон Неймана?

Сегодня трудно поверить, но компьютеры, без которых многие уже не могут представить свою жизнь, появились всего каких-то 70 лет назад. Одним из тех, кто сделал решающий вклад в их создание, был американский ученый Джон фон Нейман. Он предложил принципы, на которых и по сей день работает большинство ЭВМ. Рассмотрим, как работает машина фон Неймана.

Краткая биографическая справка

Янош Нейман родился в 1930 году в Будапеште, в очень состоятельной еврейской семье, которой впоследствии удалось получить дворянский титул. Он с детства отличался выдающимися способностями во всех областях. В 23 года Нейман уже защитил кандидатскую диссертацию в области экспериментальной физики и химии. В 1930-м молодого ученого пригласили на работу в США, в Принстонский университет. Одновременно с этим Нейман стал одним из первых сотрудников Института перспективных исследований, где проработал профессором до конца жизни. Научные интересы Неймана были довольно обширны. В частности, он является одним из создателей матаппарата квантовой механики и концепции клеточных автоматов.

Вклад в информатику

Прежде чем выяснить, какому принципу не соответствует архитектура фон Неймана, будет интересно узнать о том, как ученый пришел к идее создания вычислительной машины современного типа.

Будучи экспертом в области математики взрывов и ударных волн, в начале 1940-х фон Нейман являлся научным консультантом в одной из лабораторий Управления боеприпасов Армии Соединенных Штатов. Осенью 1943 года он прибыл в Лос-Аламос для участия в разработке Манхеттэнского проекта по личному приглашению его руководителя Роберта Оппенгеймера. Перед ним была поставлена задача рассчитать силу имплозийного сжатия заряда атомной бомбы до критической массы. Для ее решения требовались большие вычисления, которые на первых порах осуществлялись на ручных калькуляторах, а позже на механических табуляторах фирмы IBM, с использованием перфокарт.

Фон Нейман познакомился с информацией о ходе создания электронно-механических и полностью электронных компьютеров. Вскоре его привлекли к разработке компьютеров EDVAC и ENIAC, в результате чего он начал писать работу «Первый проект отчета о EDVAC», оставшуюся неоконченной, в которой представил научному сообществу совершенно новую идею о том, какой должна быть компьютерная архитектура.

Принципы фон Неймана

Информатика как наука к 1945 году зашла в тупик, так как все вычислительные машины хранили в своей памяти обрабатываемые числа в 10-м виде, а программы для совершения операций задавались посредством установки перемычек на коммутационной панели.

Это значительно ограничивало возможности компьютеров. Настоящим прорывом стали принципы фон Неймана. Кратко их можно выразить одним предложением: переход к двоичной системе счисления и принцип хранимой программы.

Анализ

Рассмотрим, на каких принципах основана классическая структура машины фон Неймана, более подробно:

1. Переход к двоичной системе от десятиричной

Этот принцип неймановской архитектуры позволяет использовать достаточно простые логические устройства.

2. Программное управление электронной вычислительной машиной

Работа ЭВМ контролируется набором команд, выполняемых последовательно друг за другом. Разработка первых машины с программой, хранимой в памяти, положила начало современному программированию.

3. Данные и программы в памяти компьютера хранятся совместно

При этом и данные, и команды программы имеют одинаковый способ записи в двоичной системе счисления, поэтому в определенных ситуациях над ними возможно выполнение тех же действий, что и над данными.

Следствия

Кроме того, архитектура Фоннеймановской машины обладает следующими особенностями:

1. Ячейки памяти имеют адреса, которые пронумерованы последовательно

Благодаря применению этого принципа стало возможным использование переменных в программировании. В частности, в любой момент можно обратиться к той или иной ячейке памяти по ее адресу.

2. Возможность условного перехода в ходе выполнения программы

Как уже было сказано, команды в программах должны выполняться последовательно. Однако предусмотрена возможность совершить переход к любому участку кода.

Как работает машина фон Неймана

Такая математическая модель состоит из запоминающего (ЗУ), арифметико-логического устройства (АЛУ), управляющего, а также устройств ввода и вывода. Все команды программы записываются в ячейках памяти, расположенных по соседству, а данные для их обработки — в произвольных ячейках.

Любая команда должна состоять из:

• указания, какая операция должна быть выполнена;
• адресов ячеек памяти, в которых хранятся исходные данные, затрагиваемые указанной операцией;
• адресов ячеек, в которые следует записать результат.

Указанные командами операции над конкретными исходными данными выполняются АЛУ, а результаты записываются в ячейках памяти, т. е. сохраняются в виде, удобном для последующей машинной обработки, либо передаются на устройство вывода (монитор, принтер и пр.) и становятся доступны человеку.

УУ управляет всеми частями ЭВМ. От него на остальные устройства поступают сигналы-приказы «что делать», а от других устройств оно получает информацию о то, в каком состоянии они находятся.

У управляющего устройства есть специальный регистр, называемый «счетчиком команд» СК. После загрузки исходных данных и программы в память, СК записывается адрес ее 1-й команды. УУ считывает из памяти ЭВМ содержимое ячейки, адрес которой находится в СК, и помещает его в «Регистр команд». Управляющее устройство определяет операцию, соответствующую конкретной команде, и «отмечает» в памяти компьютера данные, адреса которых в ней указаны. Далее АЛУ или аппаратные средства ЭВМ приступают к выполнению операции, по завершении которой содержимое СК изменяется на единицу, т. е. указывает на следующую команду.

Критика

Недостатки и современные перспективы архитектуры фон Неймана продолжают оставаться предметом дискуссий. То, что машины, созданные на принципах, выдвинутых этим выдающимся ученым, не совершенны, было замечено еще очень давно.

Поэтому в экзаменационных билетах по информатике нередко можно встретить вопрос «какому принципу не соответствует архитектура фон Неймана и какие недостатки у нее есть».

При ответе на его вторую часть обязательно следует указать:

• на наличие семантического разрыва между языками программирования высокого уровня и системой команд;
• на проблему согласования ОП и пропускной способности процессора;
• на намечающийся кризис программного обеспечения, вызванный тем, что расходы на его создание являются намного ниже стоимости разработки аппаратных средств, и нет возможности полного тестирования программы;
• отсутствие перспектив с точки зрения быстродействия, так как уже достигнут его теоретический предел.

Что касается того, какому принципу не соответствует архитектура фон Неймана, то речь идет о параллельности организации большого числа потоков данных и команд, свойственной многопроцессорной архитектуре.

Заключение

Теперь вам известно, какому принципу не соответствует архитектура фон Неймана. Очевидно, что наука и технологии не стоят на месте, и, возможно, очень скоро в каждом доме появятся компьютеры совершенно нового типа, благодаря которым человечество выйдет на новый уровень своего развития. Кстати, подготовиться к экзамену поможет программа-тренажер «Архитектура фон Неймана». Такие цифровые образовательные ресурсы облегчают усвоение материала и дают возможность оценить свои знания.

Принцип работы машины 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 и переключает их для выполнения всё новых и новых операций. 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.

4. Типовая структура машинной команды

Команда определяет операцию, которую выполняет ЭВМ над данными. Команда содержит в явной или неявной форме информацию о том, где будет помещен результат операции, а также об адресе следующей команды. Код команды состоит из нескольких частей, которые называются полями.

Длина команды, количество, размер, положение, назначение и способ кодировки ее полей называется форматом команды.

В общем случае формат команды содержит операционную и адресную части. Операционная часть содержит код операции (например, сложение, умножение, передача данных). Адресная часть состоит из нескольких полей и содержит информацию об адресах операндов, результате операции и адресе следующей команды. Адресная часть, в свою очередь, может состоять из двух полей (типа адресации и адреса операнда). Такой формат команды представлен на рис. 3.

Рис. 3. Формат команды

Поле «тип адресации» определяет способ адресации операнда. Биты полей «тип адресации» и «адреса операндов» в совокупности определяют ячейки памяти, в которых хранятся операнды.

В современных ЭВМ выделяют следующие форматы команд: трехадресный, двухадресный, одноадресный и безадресный. Эти форматы показаны на рис. 3, в котором приняты следующие обозначения: КОП – код операции, – адрес операнда/результата.

Рис. 4. Форматы команд ЭВМ:

а – трехадресный; б – двухадресный; в – одноадресный; г – безадресный

Команды трехадресного формата занимают много места в памяти, но при этом не все поля адресов используются в командах эффективно.

Так, наряду с двухместными операциями (сложение, деление, дизъюнкция и др.), встречаются и одноместные (сдвиг, отрицание и т. д.), для которых третий адрес не нужен. При выполнении цепочки вычислений часто результат предыдущей операции является операндом дляследующей. Кроме того, нередко встречаются команды, для которых операнды не определены (СТОП).

Поэтому трехадресные команды в системах команд реальных ЭВМ встречаются редко. Чаще используются двухадресные команды (рис. 4, б), в этом случае в двухместных операциях результат помещается на место одного из операндов.

Выполнение команд по программе, хранимой в ЭВМ. Программа представляет собой последовательность команд, хранимых в памяти компьютера. Команды ЭВМ (в машине Фон-Неймана) располагаются в ячейках программной памяти подряд, одна за другой. Рассмотрим одну из команд, записанную на машинном языке: 0001.0000001010. В переводе на обычный язык это значит: «сложить число из ячейки № 10 оперативной памяти с числом, стоящим в сумматоре».

Первые четыре знака в этом большом наборе нулей и единиц означают операцию – что нужно сделать. Вторая часть команды – десять знаков – указывает адрес ячейки памяти, в которой находится число для выполнения указанной операции.

Идет в ЭВМ такт за тактом. В одном такте команда из оперативной памяти подается в управляющее устройство. Она фиксируется в регистре команд. В следующем такте управляющее устройство реализует эту команду. А счетчик считает одну выполненную команду за другой.

Вот в счетчике команд появилось число 0001, и открывается ячейка № 4 оперативной памяти. Содержащаяся там команда поступает в регистр команд. Выбор команды закончен.

Она теперь находится в регистре. Содержание ее означает: «число в ячейке № 10 сложить с числом, стоящим в сумматоре». Это изображается уже известным нам кодом – 0001.0000001010.

Оперативная часть команды 0001, стоящая в регистре, пошлет сигнал «сложить» в арифметическое устройство. Адресная часть 0000001010 откроет выходы из ячейки № 10, и число из нее поступит в сумматор». Оно сложится с числом, которое там уже находилось.

Такт выполнения команды закончен. В счетчике команд появится цифра 0010–2,если обозначить в десятичной системе.

В следующем такте в регистр поступит команда из второй ячейки. Снова такт – выполнение этой команды. Так управляющее устройство такт за тактом выполнит все команды, произведет весь цикл вычисления.