Принципы фон неймана построения вычислительных систем. Классическая архитектура эвм и принципы фон неймана

Все современные ЭВМ, не смотря на то, что прошло большое колличество времени, работают на принципах предложенных американским математиком Джоном фон Нейманом (1903 - 1957). Также внес значительный вклад в развитие и применение ЭВМ. Был первым кто основал принципы по которым работает ЭВМ:

1. Принцип двоичного кодирования: вся информация в ЭВМ представлена в двоичном виде, сочетание 0 и 1.

2. Принцип однородности памяти: и программы и данные хранятся в одной и той же памяти.поэтому ЭВМ не распознает что хранится в данной ячейке памяти, а там могут располагаться цифры, текст, команда и т. д. Над командами можно совершать те же действия, что и надданными.

3. Принцип адресуемости памяти: схематически ОП (основная память) состоит из пронумерованных ячеек, ЦП (центральный процессор) в любой момент времени доступная любая ячейка памяти. Поэтому возможно присваивать имена блокам памяти для более удобного взаимдействия ОП и ЦП.

4. Принцип последовательного программного управления: программа состоит из совокупности команд, которые выполняются ЦП последовательно друг за другом.

5. Принцип условного перехода: не всегда происходит так, что команды выполняются одна за одной, поэтому возможно присутствие команды условного перехода, которые меняют последовательно выполнения команд в зависимости от значения хранимых данных

. Классификация современных ЭВМ.

Современные ЭВМ подразделяются на встроенные микро­процессоры , микроЭВМ (персональные компьютеры), большие ЭВМ и суперЭВМ - комплекс ЭВМ с несколькими процессорами.

Микропроцессы - процессоры, реализуемые в виде инте­граль­ных элек­трон­ных микросхем . Микропроцессоры могут встраиваться в телефоны, телевизоры и другие приборы, машины и устройства.

На интегральных микросхемах реализуются процессоры и оперативная память всех современных микро-ЭВМ, а также все блоки больших ЭВМ и суперЭВМ, а также всех программируемых устройств.

Производительность микропроцессоров составляет несколько миллионов опе­ра­ций в секунду, а объемы современных блоков оперативной памяти - несколько миллионов байтов.

МикроЭВМ - этополноценные вычислительные машины , имеющие не только процессор и оператив­ную память для обработки данных, но и устройства ввода-вывода и накопления информации.

Персональные ЭВМ - это микроЭВМ , имеющие устройства отображения на электронных экранах, а также устройства ввода-вывода данных в виде клавиатуры, и возможно - устройства подключения к сетям ЭВМ.

Архитектура микро-ЭВМ основанана использованиисистемной магист­рали - устройствасопря­же­ния, к которому подключаются процессоры и блоки опера­тивной памяти, а также все устройства ввода-вывода информации.

Использование магистрали позволяет менять состав и структуру микроЭВМ - добавлять дополнительные устройства ввода-вывода и наращивать функциональные возможности вычислительных машин.

Долговременное хранение информации в современных ЭВМ проводится с использованием электронных, магнитных и оптических носителей - магнит­ных дисков, оптических дисков и блоков флеш-памяти.

Архитектура современных ЭВМ предполагаетобязательноеналичие долговременной памяти, где размещаются файлы, пакеты про­грамм, базы данных и управляющие операционные системы.

Большие ЭВМ - компьютеры высокой производительности с большим объемом внешней памяти. Большие ЭВМ исполь­зуют в качестве серверов сетей ЭВМ и больших хранилищ данных.

Большие ЭВМ используются как основа для организации корпоративных информационных систем , обслуживающих промышленные корпорации и органы государственной власти.

СуперЭВМ - это многопроцессорные ЭВМ со сложной архитектурой, обла­дающие наиболее высокой производительностью и используемые для решения суперсложных вычислительных задач.

Производительность суперЭВМ составляет десятки и сотни тысяч мил­лиардов вычи­сли­тель­ных операций в секунду. При этом в суперЭВМ все более увели­чивается количество процессоров и усложняется архитектура ЭВМ.

Архитектура ЭВМ и принципы фон Неймана

Термин «архитектура» используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных логических узлов ЭВМ. Архитектура – это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из которых строится ЭВМ.

Основы учения об архитектуре ЭВМ заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Первая ЭВМ "Эниак" была создана в США в 1946 г. В группу создателей входил фон Нейман , который и предложил основные принципы построения ЭВМ : переход к двоичной системе счисления для представления информации и принцип хранимой программы.

Программу вычислений предлагалось помещать в запоминающем устройстве ЭВМ, что обеспечивало бы автоматический режим выполнения команд и, как следствие, увеличение быстродействия ЭВМ. (Напомним, что ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде, а программы задавались путём установки перемычек на специальной коммутационной панели.) Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причём в той же памяти, что и обрабатываемые ею числа.

Основные принципы построения ЭВМ :

1. Любую ЭВМ образуют три основных компонента: процессор, память и устр. ввода-вывода (УВВ).

2. Информация, с которой работает ЭВМ, делится на два типа:

набор команд по обработке (программы); данные подлежащие обработке.

3. И команды, и данные вводятся в память (ОЗУ) – принцип хранимой программы .

4. Руководит обработкой процессор, устройство управления (УУ) которого выбирает команды из ОЗУ и организует их выполнение, а арифметико-логическое устройство (АЛУ) проводит арифметические и логические операции над данными.

5. С процессором и ОЗУ связаны устройства ввода-вывода (УВВ).

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ.

Рис. 1. Архитектура ЭВМ Конец формы,

фон Неймана

- направление потоков информации; - направление управляющих сигналов от процессора к остальным узлам ЭВМ

Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название «фон Неймановской архитектуры». Подавляющее большинство ВМ на сегодняшний день – фон-неймановские машины .

Появление третьего поколения ЭВМ было обусловлено переходом от транзисторов к интегральным микросхемам, что привело к росту быстродействия процессора. Теперь процессор был вынужден простаивать, ожидая информации от более медленных устройств ввода-вывода, и это снижало эффективность работы всей ЭВМ в целом. Для решения этой проблемы были созданы специальные схемы управления работой внешних устройств, или просто контроллеры .

Архитектура современных персональных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе . Информационная связь между устройствами компьютера осуществляется через системную шину (другое название - системная магистраль).

Шина - это кабель, состоящий из множества проводников. По одной группе проводников - шине данных передаётся обрабатываемая информация, по другой - шине адреса - адреса памяти или внешних устройств, к которым обращается процессор. Третья часть магистрали - шина управления , по ней передаются управляющие сигналы (например, сигнал готовности устройства к работе, сигнал к началу работы устройства и др).

Как работает системная шина? Мы уже говорили, что единичные и нулевые биты существуют только в головах программистов. Для процессора реальны только напряжения на его контактах. Каждый контакт соответствует одному биту, и процессору нужно различать только две градации напряжения: есть-нет, высокое-низкое. Поэтому адрес для процессора – это последовательность напряжений на специальных контактах, называемых шиной адреса. Можно представить себе, то после того, как на контактах шины адреса выставляются напряжения, на контактах шины данных появляются напряжения, кодирующие хранящееся по указанному адресу число. Эта картина очень грубая, потому что для извлечения данных из памяти необходимо время. Чтобы не запутаться, работой процессора управляет специальный тактовый генератор. Он вырабатывает импульсы, которые делят работу процессора на отдельные шажки. Единицей времени процессора служит один такт, т. е. промежуток между двумя импульсами тактового генератора.

Напряжения, появляющиеся на шине адреса процессора, называются физическим адресом. В реальном режиме процессор работает только с физическими адресами. Наоборот, защищённый режим процессора интересен тем, что программа работает с логическими адресами, а процессор незримо преобразует их в физические. Система Windows использует защищённый режим работы процессора. Современные ОС и программы требуют столько памяти, что защищённый режим работы процессора стал гораздо «реальнее» его реального режима.

Системная шина характеризуется тактовой частотой и разрядностью. Количество одновременно передаваемых по шине бит называется разрядностью шины . Тактовая частота характеризует число элементарных операций по передаче данных в 1 секунду. Разрядность шины измеряется в битах, тактовая частота – в мегагерцах.

Всякая информация, передаваемая от процессора к другим устройствам по шине данных, сопровождается адресом , передаваемым по адресной шине. Это может быть адрес ячейки памяти или адрес периферийного устройства. Необходимо, чтобы разрядность шины позволила передать адрес ячейки памяти. Таким образом, словами разрядность шины ограничивает объем оперативной памяти ЭВМ, он не может быть больше чем , где n – разрядность шины. Важно, чтобы производительности всех подсоединённых к шине устройств были согласованы. Неразумно иметь быстрый процессор и медленную память или быстрый процессор и память, но медленный винчестер.

Рис. 2. Схема устройства компьютера, построенного по магистральному принципу

В современных ЭВМ реализован принцип открытой архитектуры, позволяющий пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости её модернизацию.

Конфигурацией компьютера называют фактический набор компонентов ЭВМ, которые составляют компьютер. Принцип открытой архитектуры позволяет менять состав устройств ЭВМ. К информационной магистрали могут подключаться дополнительные периферийные устройства, одни модели устройств могут заменяться другими.

Аппаратное подключение периферийного устройства к магистрали на физическом уровне осуществляется через специальный блок - контроллер (другие названия - адаптер, плата, карта). Для установки контроллеров на материнской плате имеются специальные разъёмы - слоты .

Программное управление работой периферийного устройства производится через программу - драйвер , которая является компонентой операционной системы. Так как существует огромное количество разнообразных устройств, которые могут быть установлены в компьютер, то обычно к каждому устройству поставляется драйвер, взаимодействующий непосредственно с этим устройством.

Связь компьютера с внешними устройствами осуществляется через порты – специальные разъёмы на задней панели компьютера. Различают последовательные и параллельные порты. Последовательные (COM – порты) служат для подключения манипуляторов, модема и передают небольшие объёмы информации на большие расстояния. Параллельные (LPT - порты) служат для подключения принтеров, сканеров и передают большие объёмы информации на небольшие расстояния. В последнее время широкое распространение получили последовательные универсальные порты (USB), к которым можно подключать различные устройства.

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).