В фон неймановской архитектуре компьютера часть процессора которая выполняет команды называется
· 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.
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
В основу построения подавляющего большинства ЭВМ положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 году американским ученым венгерского происхождения ДЖОНОМ фон НЕЙМАНОМ.
Принцип двоичного кодирования
Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов.
Принцип программного управления
Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
Принцип однородности памяти
Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранитсяв данной ячейке памяти - чисчло, текст или команда. Над командами можно выполнять такие жедействия, как и над данными.
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 запомненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения прграммы с использованием присвоенных имен.
Согласно фон Нейману, ЭВМ состоит из следующих основных блоков:
* Устройства ввода/вывода информации
* Память компьютера
* Процессор, состоящий из устройства управления (УУ) и арифметико-логического устройства (АЛУ)
Машины, построенные на этих принципах, называются ФОН-НЕЙМАНОВСКИМИ.
Можно и по-другому сформулировать Принципы Джон фон Неймана:
1) принцип программного управления (программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности) ;
2) принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти) ;
3) принцип адресности (ОП состоит из пронумерованных ячеек и процессору в любой момент времени доступна любая ячейка) Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана. Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные – управляющих сигналов от процессора к остальными узлам ЭВМ
Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название “фон-неймановской архитектуры”. 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. В слоты расширения могут подключаться видеокарты, звуковые карты, сетевые и пост карты, адаптеры.
3. Регенерация является атрибутом динамической оперативной памяти.
4. Разрешением монитора является количество пикселей изображения по вертикали и горизонтали.
5. Гарвардская архитектура вычислительной системы отличается от принстонской наличием единой памяти.
6. К основным характеристикам микропроцессора относятся объем оперативной памяти, тактовой частотой.
7. Программы начального тестирования и загрузки компьютера хранятся во внутренней памяти компьютера.(ПЗУ)
8. К основным характеристикам монитора относятся угол обзора, контрастность, яркость, размер диагонали .
9. Минимальный набор устройств, необходимый для работы каждого компьютера архитектуры фон Неймана, включает в себя процессор (АЛУ), оперативная память(ОЗУ и внешняя память), устройство ввода/вывода.
10. Промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий копию той информации, которая хранится в памяти с менее быстрым доступом, но с наибольшей вероятностью может быть оттуда запрошена, называют кеш-память.
11. Плоттер – это устройство, служащее вывода информации (для автоматического вычёркивания с большой точностью графических изображений. )
12. К основным компонентам вычислительных сетей относят сетевое программное обеспечение, коммуникационное оборудование, компьютер (канал связи, узлы
13. Процессоры на основе x86 команд, вплоть до Pentium 4, имели CISC архитектуру.
14. Системная шина включает в себя набор коннектов для подключения устройств.(шина управления, шина данных, шина адреса)
15. Самой быстродействующей памятью является (оперативная ,кэш)ОЗУ
16. Регистрацию изображений способны обеспечить сканеры.
17. Один из физических каналов ввода-вывода компьютера – разъём – называется аппаратным (-ой) носителем(аппаратный порт).
18. Характеристикой сканера, определяющей качество получаемых цифровых изображений, служит (-ат) число точек на дюйм .
19. Архитектура процессора, основанная на концепции «более компактные и простые инструкции выполняются быстрее», – это принтская архитектура.
20. К устройствам координатного ввода данных относятся мышь и джойстик, клавиатура, сканер, трек-болл)
21. К базовой конфигурации ПК относятся системный блок, клавиатура и мышь, монитор.
22. В USB флеш-накопителях используются электронная записываемая память
23. Логическая организация и структура аппаратных и программных ресурсов вычислительной системы составляет архитектура компьютера.
24. Параметрами винчестера являются ёмкость, количество поверхностей.
25. Характеристиками жидкокристаллических мониторов ПК являются угол обзора.
26. Функциональная схема ЭВМ
была предложена фон Нейманом.
27. На материнской плате ПК размещаются системные шины, контроллеры клавиатуры, винчестер.
28. Принцип записи на перезаписываемые оптические компакт-диски заключается в нагревании лазером диска.
29. ОЗУ относится к виду памяти внутренней.
30. Разрешение принтера – это количество точек на дюйм…
31. В фон-неймановской архитектуре компьютера часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством(АЛУ)…
32. К устройствам только вывода информации относятся монитор, принтер, аудиоколонки.
33. К принципам работы вычислительной системы, сформулированным Джоном фон Нейманом, относятсяпринципы: программного управления , принцип однородности памяти, принцип адресности, принцип хранимой программы.
34. Внешними запоминающими устройствами являются дискеты, стримеры, диски CD DVD.
35. 1 Гбайт содержит 2 в30 степени байтов.
36. Основной характеристикой микропроцессора тактовая частота
37. По виду вычислительного процесса вычислительные средства подразделяют на гибридные основные…
38. К основным характеристикам микропроцессора относятсятактовая частота
39. Единица, обозначаемая как dpi, характеризует число различаемых точек на единицу длины.
40. Для хранения программ, требующихся для запуска и тестирования компьютера при его включении, необходим (-о) …ПЗУ
41. Для сканирования с приемлемым качеством цветопередачи и хорошей детализацией в домашних условиях используются ручной и планшетный виды сканеров.
42. Электронная вычислительная машина (ЭВМ) – это комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки данных..
43. Из компакт-дисков для записи пользователем своих файлов предназначены …CD DVD CD-R
44. Принцип изменения магнитной индукции поверхности носителя используется в накопителях типа внешняя память…
45. Для долговременного хранения информации предназначены …
46. Возможность обмена данными между компьютерами по обычным телефонным линиям обеспечивают модемы…
47. Наибольший объём информации может хранить (вид памяти) внешняя память…
48. Использование красящей ленты лежит в основе работы ______матричный ______ и ___сублимационный _________ принтеров.
49. К устройствам ввода информации относятся клавиатура, мышь, сканер, веб-камера джойстик, ПЗС-матрицы …
50. К аппаратным средствам компьютера относятся…
51. Периферийные устройства выполняют функцию ввод/вывод информации…
52. Электронная микросхема EPROM является стираемым перепрограммируемым постоянным запоминающим устройством (ППЗУ).
53. Для вывода точечных (растровых) изображений, созданных пользователем, можно использовать мышь, трек-болл
54. Для увеличения скорости выполнения математических операций в ПК используется сопроцессор.
55. ПЗС-матрицы используются в таких периферийных устройствах, как сканер и цифровая фотокамера.
56. В пустой блок общей схемы компьютера необходимо вписать устройство …ОЗУ
57. Высокоскоростная память, которая принадлежит какому-либо функциональному блоку компьютера и служит для снижения нагрузки на основную память, называется буферная память.
58. Среди архитектур ЭВМ выделяют однопроцессорные двупроцессорные.…
59. Архитектура современного персонального компьютера подразумевает такую логическую организацию аппаратных компонентов компьютера, при которой все устройства связаны через системную шину магистраль
60. Как известно, разрядность процессора определяется разрядностью регистров, в которые помещаются обрабатываемые данные. Если регистр имеет разрядность 4 байта, то разрядность процессора равна …
61. Такие параметры, как разрешающая способность и производительность, характерны для планшетных сканеров лазерных принтеров
62. Во время выполнения прикладная программа хранится в оперативной памяти.
63. Идею механической машины с идеей программного управления соединил Ч. Беббидж.
64. Параметрами любого типа памяти компьютера являются время доступа
65. Качество звука, оцифрованного звуковой картой, определяется такими параметрами, как частота кодирования…
66. Принцип однородности памяти заключается в том, что данные хранятся в одной памяти…
67. Сигналы, определяющие характер обмена информацией, передаются по шине управления.
68. Такие параметры, как разрешение и угол обзора, характерны для устройств сканер, мониторов…
69. Основными компонентами архитектуры персонального компьютера являются процессор, внешняя память, видеосистема, устройства ввода-вывода, …
70. В компьютере с 64-разрядной шиной данных и 32-разрядной адресной шиной установлена память объемом 16 Мбайт. Разрядность этого процессора равна 64…
71. К основным параметрам лазерных принтеров относятся формат бумаги буфер печати производительнось разрешающая способность…
72. Быстродействие накопителя информации характеризуется средним временем доступа скоростью передачи…
73. К системе команд электронно-вычислительных машин относятся команда передачи данных команда ввода/вывода, команда…
74. Внутренней памятью процессора является ________регистровая _______ память.
75. К положениям классической архитектуры (фон-неймановской) относятся …
76. Принтеры бывают струйные и лазерные матричные сублимационные…
77. К функциям процессора относятся …
78. В аппаратном подключении периферийных устройств участвуют контроллер общая шина…
79. Прямым доступом к памяти (DMA) называется режим, при котором происходит обмен данными между устройствами или между устройством и основной памятью без участия центрального процессора.
80. Разрядность центрального процессора определяется разрядностью двоичного числа, которое может быть обработано за один такт работы процессора.
81. BIOS (Basic Input Output System) является группа небольших программ в ПЗУ
82. Для ввода точечных изображений можно использовать мышь и графический планшет.
83. Во флэш-накопителях используется ____полупроводниковая________ память.
84. В компьютере с 64-разрядной шиной данных и 32-разрядной адресной шиной установлена память объёмом 16 Мбайт. Исходя из данных этой конфигурации, можно утверждать, что процессор
85. К основным параметрам планшетных сканеров относятся длина цвета…
86. Наибольшую скорость обмена информацией имеет оперативная память
87. В режиме создания звука в звуковой карте используются методы частотной модуляции и метод волновых таблиц .
88. При отключении питания компьютера информация не сохраняется в устройстве памяти РАН
89. Архитектура ПК, основными признаками которой являются наличие общей информационной шины, модульное построение, совместимость новых устройств и программных средств с предыдущими версиями по принципу «сверху-вниз», носит название открытой.
90. Классические принципы построения архитектуры ЭВМ были предложены в 40-х годах ХХ века Дж. фон Нейманом. К этим принципам относятся:принцип программного управления, принцип однородности памяти принцип адресности, принцип хранимой программы .
91. Модемы бывают внешние и внутренние.
92. Длительное хранение информации пользователя обеспечивает …
93. Динамическая память служит базой для построения модулей оперативной памяти.
94. Информация на магнитных дисках записывается по концентрическим дорожкам и секторам .
95. Чтобы процессор мог выполнить программу, она должна быть загружена в оперативную память
96. Стример – это устройство для накопления информации на магнитной записи на ленточном носителе .
97. Деление на дорожки и секторы характерно для жесткого диска .
98. Статическая память служит базой для построения модулей оперативной памяти .
Описание компьютера на некотором общем уровне называется его архитектурой. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативной памяти, внешних запоминающих и периферийных устройств. Различают однопроцессорную и многопроцессорную архитектуры компьютера.
В 1941 г. Джон фон Нейман изложил принципы работы и обосновал принципиальную схему компьютера с классической однопроцессорной архитектурой, в соответствии с которой компьютер должен иметь следующие устройства:
· арифметическо-логической устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции (Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов);
· устройство управления (УУ), организующее процесс выполнения программы (Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности);
· запоминающее устройство (оперативная память (ОП)) для хранения программ и данных (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);
· внешнее устройство (ВУ) для ввода и вывода информации.
Принципиальная схема компьютера с классической архитектурой приведена на рис.2.1.
Рис.1 Принципиальная схема компьютера с классической архитектурой:
у правляющие связи
и нформационные связи
К однопроцессорной архитектуре относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной (рис.2). Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью, или системной шиной.
Основа компьютера — процессор, в нем расположены АЛУ и УУ. АЛУ осуществляет непосредственную обработку данных, а УУ координирует взаимодействие различных частей компьютера. В запоминающем устройстве (памяти) в закодированном виде хранится информация (та, которая вводится в компьютер, и та, которая возникает в процессе работы). Компьютер имеет внешнее запоминающее устройство (внешнюю память).
В процессе работы процессор и память взаимодействуют между собой, но процессор, кроме того, организует работу остальных устройств компьютера: клавиатуры, дисплея, дисководов и т.д. Эти устройства осуществляют связь компьютера с внешним миром, поэтому называются внешними.
Процессор, выполняя определенную программу, координирует работу внешних устройств, посылая им и принимая от них информацию. Информация при этом передается в виде электрических импульсов двух видов — низкого и высокого напряжения. Тем самым информация в компьютере кодируется двумя символами: 0 и 1.
Процессор связан с внешними устройствами через магистраль (системную шину). По сути, это пучок проводов. К шине параллельно подсоединены все внешние устройства, как к телефонному кабелю. Обращение процессора к внешнему устройству похоже на вызов абонента по телефону. Все устройствапронумерованы. Когда нужно обратиться к внешнему устройству, в шину посылается его номер.
Каждое внешнее устройство снабжено специальным приемником сигналов — контроллером. Контроллер играет роль телефонного аппарата — он принимает сигнал от процессора и дешифрует его.
Процессор подает команду, но ему безразлично, как она будет выполняться, поскольку за это отвечает контроллер соответствующего внешнего устройства. Поэтому при наличии соответствующих контроллеров одни внешние устройства можно заменять на другие.
В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип построения.
Персональный компьютер напоминает обыкновенный конструктор. Схемы, управляющие всеми устройствами (монитором, дисками, принтером, модемом и т.д.), реализованы на отдельных платах, которые вставляются в слоты — стандартные разъемы системной платы. Весь компьютер питается от единого блока питания. Этот принцип, названный принципом открытой архитектуры, наряду с другими достоинствами обеспечил большой спрос на персональные компьютеры.
Архитектура фон Неймана — широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы 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 физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.
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 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.
Содержание
Принципы фон Неймана
В 1946 году трое учёных [1] [2] — Артур Бёркс (англ. Arthur Burks ), Герман Голдстайн и Джон фон Нейман — опубликовали статью «Предварительное рассмотрение логического конструирования электронного вычислительного устройства» [3] [4] . В статье обосновывалось использование двоичной системы для представления данных в ЭВМ (преимущественно для технической реализации, простота выполнения арифметических и логических операций — до этого машины хранили данные в десятичном виде [5] ), выдвигалась идея использования общей памяти для программы и данных. Имя фон Неймана было достаточно широко известно в науке того времени, что отодвинуло на второй план его соавторов, и данные идеи получили название «принципы фон Неймана».
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.
Так же в некоторых источниках [каких?] указывается принцип двоичного кодирования, но существовали машины работающие с троичным и с десятичным кодом.
Компьютеры, построенные на принципах фон Неймана
В середине 1940-х проект компьютера, хранящего свои программы в общей памяти, был разработан в Школе электрических разработок Мура (англ. Moore School of Electrical Engineering ) в Университете штата Пенсильвания. Подход, описанный в этом документе, стал известен как архитектура фон Неймана, по имени единственного из названных авторов проекта Джона фон Неймана, хотя на самом деле авторство проекта было коллективным. Архитектура фон Неймана решала проблемы, свойственные компьютеру ENIAC, который создавался в то время, за счёт хранения программы компьютера в его собственной памяти. Информация о проекте стала доступна другим исследователям вскоре после того, как в 1946 году было объявлено о создании ENIAC. По плану предполагалось осуществить проект силами Муровской школы в машине EDVAC, 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, получившие копии проекта, сумели решить эти проблемы гораздо раньше группы разработчиков из Муровской школы и реализовали их в собственных компьютерных системах. Первыми семью компьютерами, в которых были реализованы основные особенности архитектуры фон Неймана, были:
- прототип — Манчестерская малая экспериментальная машина — Манчестерский университет, Великобритания, 21 июня 1948 года; — Кембриджский университет, Великобритания, 6 мая 1949 года; — Манчестерский университет, Великобритания, 1949 год; — США, апрель или август 1949 года; — Австралия, ноябрь 1949 года; — США, 9 мая 1950 года — США, август 1949 года — фактически запущен в 1951 году;
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 является значительно меньшей, чем скорость, с которой процессор может работать. Это серьезно ограничивает эффективное быстродействие при использовании процессоров, необходимых для выполнения минимальной обработки на больших объёмах данных. Процессор постоянно вынужден ждать необходимых данных, которые будут переданы в память или из памяти. Так как скорость процессора и объём памяти увеличивались гораздо быстрее, чем пропускная способность между ними, узкое место стало большой проблемой, серьезность которой возрастает с каждым новым поколением процессоров [источник не указан 68 дней] .
Читайте также: