Принципы (архитектура) фон Неймана. Простейшие типы архитектур. Принцип открытой архитектуры.
Учебник: 2.3. Базовые представления об архитектуре ЭВМ. Стр 145
(фрагмент учебника)
Структура компьютера — это совокупность его функцио
нальных элементов и связей между ними. Элементами могут
быть самые различные устройства — от основных логических
узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера
графически представляется в виде структурных схем, с помощью
которых можно дать описание компьютера на любом уровне де
тализации.
Архитектурой компьютера считается его представление на не
котором общем уровне, включающее описание пользовательских
возможностей программирования, системы команд, системы ад
ресации, организации памяти и т. д. Архитектура определяет
принципы действия, информационные связи и взаимное соеди
нение основных логических узлов компьютера: процессора, опера
тивного запоминающего устройства (ОЗУ, ОП), внешних ЗУ и пери
ферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров
обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.
(фрагмент учебника)
Оглавление
Принципы (архитектура) фон Неймана. Простейшие типы архитектур. Принцип открытой архитектуры. 1
Принципы фон Неймана. 2
Компьютеры, построенные на принципах фон Неймана. 2
Простейшие типы архитектур. 3
Принцип открытой архитектуры.. 5
Вопросы для самоконтроля: 5
Архитектура вычислительной машины (Архитектура ЭВМ, англ. Computer architecture) — концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.
В настоящее время наибольшее распространение в ЭВМ получили 2 типа архитектуры: принстонская (фон Неймана) и гарвардская. Обе они выделяют 2 основных узла ЭВМ: центральный процессор и память компьютера. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных.
Архитектура фон Неймана (англ. von Neumann architecture) — 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.
[ДК1]
Рисунок 4 – Структурная схема ЭВМ
Эта схема, широко использовавшаяся в первых вычислительных машинах, имела один существенный недостаток: управление вводом-выводом и выполнение команд осуществлялось одним устройством управления. При такой структуре ЭВМ все виды программной обработки на время выполнения операций ввода-вывода прекращались из-за занятости процессора, что существенно снижало быстродействие машины.
Принципы фон Неймана
В 1946 году трое учёных— Артур Бёркс (англ. Arthur Burks), Герман Голдстайн (англ. Herman Goldstine) и Джон фон Нейман — опубликовали статью «Предварительное рассмотрение логического конструирования электронного вычислительного устройства». 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 [3]), 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».
1. Принцип двоичного кодирования.
Для представления данных и команд используется двоичная система счисления.
1. Принцип однородности памяти.
Как программы (команды), так и данные хранятся в одной и той же памяти (и кодируются в одной и той же системе счисления — чаще всего двоичной). Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
1. Принцип адресуемости памяти.
Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка; память внутренняя.
1. Принцип последовательного программного управления.
Все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения другой, в последовательности, определяемой программой.
1. Принцип жесткости архитектуры
Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.
Компьютеры, построенные на этих принципах, относят к типу фоннеймановских.
Компьютеры, построенные на принципах фон Неймана[ДК2]
В середине 1940-х проект компьютера, хранящего свои программы в общей памяти был разработан в Школе электрических разработок Мура (англ. The Moore School of Electrical Engineering) в УниверситетештатаПенсильвания (англ. The University of Pennsylvania). 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 «ЭНИАК », 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 «Эниака». 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. 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 пятью компьютерами, в которых были реализованы основные особенности архитектуры фон Неймана, были:
· Манчестерский Марк I. Прототип — Манчестерская малая экспериментальная машина. Университет Манчестера (англ. The University of Manchester), Великобритания, 21 июня1948 года;
· EDSAC. Кембриджский университет (англ. The Cambridge University), Великобритания, 6 мая1949 года;
· BINAC. США, апрель или август 1949 года;
· CSIR Mk 1. Австралия, ноябрь 1949 года;
· SEAC. США, 9 мая1950 года.