Принципы фон Неймана построения электронно-вычислительной машины. Архитектура фон Неймана: история возникновения термина Принципы фон неймана особенности современных компьютеров

Джон фон Нейман (1903 - 1957) - американский математик, внесший большой вклад в создание первых ЭВМ и разработку методов их применения.

Именно он заложил основы учения об архитектуре вычислительных машин, подключившись к созданию первой в мире ламповой ЭВМ ENIAC в 1944 году, когда ее конструкция была уже выбрана.

В процессе работы, во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г.Голдстайном и А.Берксом, Джон фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. В 1946 году ученые 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. Сотников В.Н., Попов А.М. Информатика и математика для юристов. - М., 2012. С. 226

В статье убедительно обосновывается использование двоичной системы для представления чисел, в 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. вычислительный компьютер двоичный

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.

Еще одной революционной идеей, значение которой трудно переоценить, является предложенный Нейманом принцип «хранимой программы».

Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например, для изменения программы машины ENIAC требовалось несколько дней, в то время как собственно расчет не мог продолжаться более нескольких минут - выходили из строя лампы, которых было огромное количество.

Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причем 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.

Джон фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Мишин А.В. Информационные технологии в профессиональной деятельности. - М.: Академия, 2012. С. 161

Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ), обычно объединяемые в центральный процессор, в который также входит набор регистров общего назначения (РОН) - для промежуточного хранения информации в процессе ее обработки; память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Следует отметить, что внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком.

Архитектура ЭВМ, построенная на принципах Джон фон Неймана.

Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные - управляющих сигналов.

· 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.

Джон фон Нейман (1903 - 1957 гг.) - венгеро-американский математик еврейского происхождения, сделавший важный вклад в квантовую физику, квантовую логику, функциональный анализ, теорию множеств, информатику, экономику и другие отрасли науки.

Архитектура ЭВМ – это внутренняя структура в машине, ее логическая организация, определяющая процесс обработки и методы кодирования данных, состав, назначение, принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.

Процессор

В 1945 году Джон фон Нейман создает архитектуру ЭВМ.

Машина фон Неймана состоит из запоминающего устройства (памяти) - ЗУ, арифметико-логического устройства - АЛУ, устройства управления – УУ, а также устройств ввода и вывода.

Устройство ввода

Устройство вывода

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.

Герман Голдстайн

Артур Беркс

Джон фон Нейман

В двоичной системе счисления используются всего две цифры 0 и 1. Другими словами, двойка является основанием двоичной системы счисления.

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.

Системы счисления

Десятичная

Двоичная

Восьмеричная

Шестнадцатеричная

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.

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.

В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.

Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.

Достижения Джона фон Неймана.

Джон фон Нейман был удостоен высших академических почестей. Он был избран членом Академии точных наук (Лима, Перу), Американской академии искусств и наук, Американского философского общества, Ломбардского института наук и литературы, Нидерландской королевской академии наук и искусств, Национальной академии США, почетным доктором многих университетов США и других стран.

В 1946 Джон фон Нейман (с соавторами) описал архитектуру некоторого абстрактного вычисли­теля, который сейчас принято называть машиной фон Неймана . Эта машина является абстрактной моделью ЭВМ, однако, эта абстракция отличается от абстрактных исполнителей алгоритмов (например, машины Тьюринга). Если машину Тьюринга принципиально нельзя реализовать из-за входящей в её архитектуру бесконечной ленты, то машина фон Неймана не поддаётся реализации, так как многие детали в архитектуре этой машины не конкретизированы . Это было сделано специально, чтобы не сковывать творческого подхода к делу у инженеров-разработчиков новых ЭВМ.

В некотором смысле машина фон Неймана подобна абстрактным структурам данных, которые Вы изучали в предыдущем семестре. Для таких структур данных, как Вы помните, для их использования необходимо было произвести отображение на структуры данных хранения и реализовать соответствующие операции над этими данными.

Можно сказать, что в машине фон Неймана зафиксированы те особенности архитектуры, которые в той или иной степени должны быть присущи, по мнению авторов этой абстрактной машины, всем компьютерам. Разумеется, практически все современные ЭВМ по своей архитектуре отличаются от машины фон Неймана, однако эти отличия удобно изучать именно как отличия , проводя сравнения и сопоставления с машиной фон Неймана. При нашем рассмотрении данной машины будет обращено внимание на отличия архитектуры машины фон Неймана от современных ЭВМ. Основополагающие свойства архитектуры машины фон Неймана будут сформулированы в виде принципов фон Неймана . Эти принципы многие годы определяли основные черты архитектуры ЭВМ нескольких поколений .

На рис. 2.1 приведена схема машины фон Неймана, как она изображается в большинстве учебников, посвящённых архитектуре ЭВМ. На этом рисунке толстыми стрелками показаны потоки команд и данных , а тонкими – передача между устройствами управляющих сигналов . Машина фон Неймана состоит из памяти, устройств ввода/вывода и центрального процессора (ЦП). Центральный процессор, в свою очередь, состоит из устройства управления (УУ) и арифметико-логического устройства (АЛУ). Рассмотрим последовательно устройства машины фон Неймана и выполняемые ими функции.

Память

Принцип линейности и однородности памяти.

Память – линейная (упорядоченная) однородная последовательность некоторых элементов, называемых ячейками . В любую ячейку памяти другие устройства машины (по толстым стрелкам) могут записать и считать информацию, причём время чтения из любой ячейки одинаково для всех ячеек. Время записи в любую ячейку тоже одинаково (это и есть принцип однородности памяти). Такая память в современных компьютерах называется памятью с произвольным доступом (Random Access Memory, RAM). На практике многие ЭВМ могут иметь участки памяти разных видов, одни из которых поддерживают только чтение информации (Read Only Memory, ROM), другие могут допускать запись, но за большее время, чем в остальную память (это так называемая полупостоянная память) и др.

Ячейки памяти в машине фон Неймана нумеруются от нуля до некоторого положительного числа N, которое обычно является степенью двойки. Адресом ячейки называется её номер. Каждая ячейка состоит из более мелких частей, именуемых разрядами и нумеруемых также от нуля и до определённого числа. Количество разрядов в ячейке обозначает разрядность памяти . Каждый разряд может хранить цифру в некоторой системе счисления. В большинстве ЭВМ используется двоичная система счисления, т.к. это более выгодно с точки зрения аппаратной реализации, в этом случае каждый разряд хранит один бит информации. Восемь бит составляет один байт .

Содержимое ячейки называется машинным словом . С точки зрения архитектуры, машинное слово – это минимальный объём данных, которым могут обмениваться различные узлы машины (не надо, однако, забывать о передаче управляющих сигналов по тонким стрелкам). Из каждой ячейки памяти можно считать копию машинного слова и передать её в другую часть памяти, при этом оригинал не меняется. При записи в память старое содержимое ячейки пропадает и заменяется новым машинным словом.

Заметим, что на практике решение задачи сохранения исходного машинного слова при чтении из ячейки для некоторых видов памяти является нетривиальным и достаточно трудоёмким, так как в этой памяти (она называется динамической памятью) при чтении оригинал разрушается. Приведём типичные характеристики памяти современных ЭВМ.

1. Объём памяти – сотни миллионов ячеек (обычно восьмиразрядных).

2. Скорость работы памяти: время доступа (минимальная задержка на чтение слова) и время цикла (минимальная задержка на чтение из одной и той же ячейки двух слов) – порядка единиц и десятков наносекунд (1 секунда=10 9 наносекунд). Заметим, что для упомянутой выше динамической памяти время цикла больше , чем время доступа, так как надо ещё восстановить разрушенное при чтении содержимое ячейки.

3. Стоимость. Для основной памяти ЭВМ пока достаточно знать, что чем быстрее такая память, тем она, естественно, дороже. Конкретные значения стоимости памяти не представляют интереса в рамках наших лекций.

Принцип неразличимости команд и данных. Машинное слово представляет собой либо команду, либо подлежащее обработке данное (число, символьная информация, элемент изображения и т.д.). Для краткости в дальнейшем будем называть такую информацию ²числами². Данный принцип фон Неймана заключается в том, что числа и команды неотличимы друг от друга – в памяти и те и другое представляются некоторым набором разрядов, причём по внешнему виду машинного слова нельзя определить, что оно представляет – команду или число.

Из этого принципа вытекает очевидное следствие – принцип хранимой программы . Этот принцип является очень важным, его суть состоит в том, что программа хранится в памяти вместе с числами, а значит, может изменяться во время счёта этой программы. Говорят также, что программа может самомодифицироваться во время счёта. Заметим, что, когда фон Нейман писал свою работу, большинство тогдашних ЭВМ хранили программу в памяти одного вида, а числа – в памяти другого вида. В современных ЭВМ и программы, и данные хранятся в одной и той же памяти.

Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Он подключился к созданию первой в мире ламповой ЭВМ ENIAC в 1944 г., когда ее конструкция была уже выбрана. В процессе работы во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г . Голдстайном и А. Берксом фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. В 1946 г. ученые изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье “Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства”. С тех пор прошло полвека, но выдвинутые в ней положения сохраняют актуальность и сегодня.

В статье убедительно обосновывается использование двоичной системы для представления чисел (нелишне напомнить, что ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде). Авторы убедительно 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.

Еще одной поистине революционной идеей, значение которой трудно переоценить, является предложенный Нейманом принцип “хранимой программы”. Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например, для изменения программы машины ENIACтребовалось несколько дней (в то время как собственно расчет не мог продолжаться более нескольких минут – выходили из строя лампы). Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причем 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.

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяемые в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Схема устройства такой ЭВМ представлена на рис. 1. Следует отметить, что внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком. Так, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти, а клавиатура – устройство ввода, дисплей и печать – устройства вывода.

Рис. 1. Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана. Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные – управляющих сигналов от процессора к остальными узлам ЭВМ

Устройство управления и арифметико-логическое устройство в современных компьютерах объединены в один блок –процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств (сюда относятся выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение различных, в том числе и арифметических, операций, согласование работы узлов компьютера). Более детально функции процессора будут обсуждаться ниже.

Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее устройство у современных компьютеров “многоярусно” и включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть необходимых для нее данных, некоторые управляющие программы), и внешние запоминающие устройства (ВЗУ) гораздо большей емкости, чем ОЗУ. но с существенно более медленным доступом (и значительно меньшей стоимостью в расчете на 1 байт хранимой информации). На ОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не заканчивается – определенные функции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоминающее устройство), и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), и другие подвиды компьютерной памяти.

В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти. из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры.

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.