Във всяка област на науката и технологиите има някои фундаментални идеи или принципи, които определят нейното съдържание и развитие. В компютърните науки ролята на такива фундаментални идеи се играе от принципи, формулирани независимо един от друг от американския математик и физик Джон фон Нойман (1903-1957) и съветския учен Сергей Лебедев (1902-1974). Тези принципи определят основната организация на компютъра.
Смята се, че първият електронен компютър ENIAC е произведен в САЩ през 1946 г. ENIAC се състоеше от 18 000 вакуумни тръби и 1500 релета и тежеше 30 тона. Той и тебешир 20 регистъра, всеки от които може да съдържа 10-битово десетично число.Блестящ анализ на силните страни и СлабостиПроектът ENIAC е представен в доклад на Принстънския институт за напреднали изследвания „Предварително обсъждане на логическия дизайн на електронно изчислително устройство“ (юни 1946 г.). Този доклад, съставен от изключителния американски математик Джон фон Нойман и неговите колеги от Принстънския институт Г. Голдщайн и А. Бъркс, представя проекта за нов електронен компютър. Идеите, изразени в този доклад, са известни като принципите на Нойман.
Говорейки за основателите на теоретичната информатика, не можем да не споменем две научни постижения: алгебрата на логиката и теорията на алгоритмите. Алгебрата на логиката е разработена в средата на 19 век от английския математик Джордж Бул и се разглежда от него като метод за математизиране на формалната логика. развитие електронни компютрина двупозиционни електронни елементи направи възможно широкото използване на "булева логика" за проектиране на компютърни схеми. През първата половина на 30-те години на 20 век се появяват математически трудове, в които се доказва фундаменталната възможност за решаване на всеки проблем, подлежащ на алгоритмична обработка с помощта на автомати. Това доказателство се съдържа в произведенията на английския математик Е. Пост, публикувани през 1936 г. (Джордж Бул (1815-1864), Алън Тюринг (1912-1954)).
В Съветския съюз работата по създаването на електронни компютри започна малко по-късно. Първият съветски електронен компютър е направен в Киев през 1953 г. Наричаше се МЕСМ (малък електронен компютър), а негов главен конструктор беше академик Сергей Лебедев, автор на серията компютри БЕСМ (голям електронен компютър). В проекта MESM Сергей Лебедев, независимо от Нойман, излезе със същите идеи за проектиране на електронни компютри като Нойман.
Същността на принципите на Нойман беше следната:
1. Компютърът включва процесор (аритметичен блок и контролен блок), памет и I/O устройство, свързани помежду си.
2. Компютрите на електронни елементи трябва да работят не в десетична, а в двоична бройна система.
3. Програмата, както и числата, с които работи компютърът, са записани в двоичен код, т.е. формата на представяне на командата и числото е от един и същи тип.
4. Програмата трябва да бъде поставена в един от блоковете на компютъра - в устройство с памет, което има произволен достъп. Програмата и данните могат да бъдат в споделена памет (принстънска архитектура).
5. Трудности при физическото внедряване на устройство с памет с висока скорост, енергонезависима и страхотна паметизискват йерархична организация на паметта. Програмата се изпълнява от основната памет и се съхранява в енергонезависима вторична памет ( магнитни дискове). Файлът е идентификационен набор от екземпляри на тип данни, напълно описан в конкретна програма, разположен извън програмата във външна памет и достъпен за програмата чрез специални операции.
6. Аритметичното логическо устройство (ALU) на компютъра е проектирано на базата на схеми, които изпълняват операцията събиране, преместване и логическа операция. В допълнение към резултата от операцията, ALU генерира редица знаци за резултат (флагове), които могат да бъдат анализирани при изпълнение на командата за условен трансфер.
Основите на доктрината за архитектурата на компютрите са положени от фон Нойман през 1944 г., когато той участва в създаването на първия в света компютър с вакуумна тръба ENIAC. Докато работи върху ENIAC в Университета на Пенсилвания, по време на многобройни дискусии между фон Нойман и неговите колеги Джон Уилям Маухли, Джон Екерт, Херман Голдщайн и Артър Бъркс, възниква идеята за по-усъвършенствана машина, наречена EDVAC. Проучваненад EDVAC продължи успоредно с изграждането на ENIAC.
Първа страница от печатно копие на „Първия доклад за EDVAC“
През март 1945 г. принципите на логическата архитектура са формализирани в документ, наречен "Първи чернови на доклад за EDVAC" - доклад за балистичната лаборатория на армията на САЩ, на чиито пари е построен ENIAC и е разработен EDVAC. Докладът, тъй като беше само чернова, не беше предназначен за публикуване, а само за разпространение в рамките на групата, но Херман Голдщайн, кураторът на проекта от страна на американската армия, възпроизвежда тази научна работа и я изпраща на широк кръг на учени за преглед. Тъй като само името на фон Нойман беше на първата страница на документа, тези, които прочетоха документа, останаха с погрешното впечатление, че той е авторът на всички идеи, представени в работата. Документът предостави достатъчно информация за тези, които го прочетоха, за да изградят своите компютри като EDVAC на същите принципи и със същата архитектура, която в крайна сметка стана известна като "архитектурата на фон Нойман".
След края на Втората световна война и завършването на работата по ENIAC през февруари 1946 г. екипът от инженери и учени се разпадна, Джон Мокли, Джон Екерт реши да започне бизнес и да създаде компютри на търговска основа. Фон Нойман, Голдщайн и Бъркс се преместват в , където решават да създадат своя компютър "IAS машина", подобен на EDVAC, и да го използват за изследователска работа. През юни 1946 г. те очертаха своите принципи за конструиране на компютри в вече класическата статия „Предварително разглеждане на логическия дизайн на електронно изчислително устройство“. Оттогава е изминал повече от половин век, но разпоредбите, изложени в него, остават актуални и днес. Статията убедително обосновава употребата двоична системаза представяне на числа, но преди всичко изчислителни машинисъхранява обработените числа в десетична форма. Авторите демонстрираха предимствата на двоичната система за техническа реализация, удобството и лекотата на извършване на аритметични и логически операции в нея. В бъдеще компютрите започнаха да обработват нечислови видове информация - текстова, графична, звукова и други, но двоичното кодиране на данни все още информационна базавсеки съвременен компютър.
В допълнение към машините, които работеха с двоичен код, имаше и все още има троични машини. Тройните компютри имат редица предимства и недостатъци пред бинарните. Сред предимствата може да се открои скоростта (операциите за добавяне се извършват приблизително един и половина пъти по-бързо), наличието на двоична и троична логика, симетричното представяне на цели числа със знак (в двоичната логика или ще има две нули (положителни и отрицателен), или ще има число, което няма двойка с противоположен знак). Недостатъци - по-сложна реализация спрямо бинарните машини.
Друга революционна идея, чието значение трудно може да бъде надценено, е принципът на "съхранената програма". Първоначално програмата беше зададена чрез инсталиране на джъмпери на специален пач панел. Това беше много трудоемка задача: например бяха необходими няколко дни, за да се промени програмата на машината ENIAC, докато действителното изчисление не можеше да продължи повече от няколко минути - лампите, от които имаше огромен брой, не успяха. Програмата обаче може да се съхранява и като набор от нули и единици и в същата памет като числата, които обработва. Липсата на фундаментална разлика между програмата и данните направи възможно самият компютър да формира програма за себе си в съответствие с резултатите от изчисленията.
Наличието на даден набор от изпълними команди и програми беше характерна черта на първия компютърни системи. Днес подобен дизайн се използва за опростяване на дизайна на компютърно устройство. И така, настолните калкулатори по принцип са устройства с фиксиран набор от изпълними програми. Могат да се използват за математически изчисления, но е почти невъзможно да се прилагат за текстообработка и компютърни игри, за гледане графични изображенияили видео. Промяната на фърмуера за тези типове устройства изисква почти пълен редизайн и в повечето случаи е невъзможна. Въпреки това, препрограмирането на ранните компютърни системи все още беше извършено, но изискваше огромно количество ръчна работа за подготовка на нова документация, превключване и възстановяване на блокове и устройства и т.н.
Всичко промени идеята за съхранение компютърни програмив споделена памет. По времето, когато беше въведено, използването на архитектури, базирани на изпълними набори от инструкции, и представянето на изчислителен процес като процес на изпълнение на инструкции, написани в програма, значително увеличиха гъвкавостта на изчислителните системи по отношение на обработката на данни. Същият подход за разглеждане на данни и инструкции улесни промяната на самите програми.
Принципите на фон Нойман
Принципът на хомогенност на паметтаКомандите и данните се съхраняват в една и съща памет и са външно неразличими в паметта. Те могат да бъдат разпознати само по начина, по който се използват; тоест една и съща стойност в клетка от паметта може да се използва и като данни, и като команда, и като адрес, в зависимост само от начина на достъп. Това ви позволява да извършвате същите операции с команди, както и с числа, и съответно отваря редица възможности. Така че чрез циклична промяна на адресната част на командата е възможно да се осигури достъп до последователни елементи от масива от данни. Тази техника се нарича модифициране на команди и не е добре дошла от гледна точка на съвременното програмиране. По-полезно е друго следствие от принципа на хомогенност, при което инструкциите на една програма могат да бъдат получени в резултат на изпълнението на друга програма. Тази възможност е в основата на превода - превод на текста на програмата от езика високо нивона езика на конкретен компютър.
Принципът на насочване
Структурно основната памет се състои от номерирани клетки и всяка клетка е достъпна за процесора по всяко време. Двоичните кодове на команди и данни се разделят на единици информация, наречени думи, и се съхраняват в клетките на паметта, като за достъп до тях се използват номерата на съответните клетки - адреси.
Принцип на програмно управление
Всички изчисления, предоставени от алгоритъма за решаване на задачата, трябва да бъдат представени под формата на програма, състояща се от последователност от контролни думи - команди. Всяка инструкция предписва някаква операция от набора от операции, изпълнявани от компютъра. Програмните команди се съхраняват в последователни клетки от паметта на компютъра и се изпълняват в естествена последователност, тоест в реда на тяхната позиция в програмата. Ако е необходимо, с помощта на специални команди, тази последователност може да бъде променена. Решението за промяна на реда на изпълнение на програмните команди се взема или въз основа на анализ на резултатите от предишни изчисления, или безусловно.
По план първият компютър, изграден по архитектурата на фон Нойман, трябваше да бъде EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) – един от първите електронни компютри. За разлика от своя предшественик ENIAC, той беше двоичен, а не десетичен компютър. Подобно на ENIAC, EDVAC е разработен в Университета на Пенсилвания за Лабораторията за балистични изследвания на американската армия от екип от инженери и учени, ръководени от Джон Преспър Екърт и Джон Уилям Маучли с активната помощ на математик, но до 1951 г. EDVAC не е пуснат поради технически трудности при изграждането на надеждна компютърна памет и разногласия в екипа за разработка. Други изследователски институти, след като се запознаха с ENIAC и проекта EDVAC, успяха да решат тези проблеми много по-рано. Първите компютри, приложили основните характеристики на архитектурата на фон Нойман, бяха:
- прототип - Manchester Small Experimental Machine - University of Manchester, UK, 21 юни 1948 г.;
- EDSAC - Университет в Кеймбридж, Обединеното кралство, 6 май 1949 г.;
- Manchester Mark I - Университет на Манчестър, Великобритания, 1949 г.;
- BINAC - САЩ, април или август 1949 г.;
- CSIR Mk 1
- EDVAC - САЩ, август 1949 г. - реално изстрелян през 1952 г.;
- CSIRAC - Австралия, ноември 1949 г.;
- SEAC - САЩ, 9 май 1950 г.;
- ORDVAC - САЩ, ноември 1951 г.;
- IAS машина – САЩ, 10.06.1952 г.;
- МАНИАК I – САЩ, март 1952 г.;
- AVIDAC - САЩ, 28 януари 1953 г.;
- ORACLE - САЩ, края на 1953 г.;
- WEIZAC - Израел, 1955 г.;
- SILLIAC - Австралия, 4 юли 1956 г.
В СССР първият напълно електронен компютър, близък до принципите на фон Нойман, беше MESM, построен от Лебедев (базиран в Киев), който премина държавни тестове за приемане през декември 1951 г.
Тясното място на фон Ноймановата архитектура
Споделянето на шината за програмна памет и памет за данни води до тясно място на фон Ноймановата архитектура, а именно ограничението на честотната лента между процесора и паметта в сравнение с количеството памет. Тъй като програмната памет и паметта за данни не могат да бъдат достъпни по едно и също време, пропускателна способностКаналът процесор-памет и скоростта на паметта значително ограничават скоростта на процесора - много повече, отколкото ако програмите и данните се съхраняват на различни места. Тъй като скоростта на процесора и обемът на паметта се увеличиха много по-бързо от честотната лента между тях, тясното място се превърна в голям проблем, чиято сериозност нараства с всяко ново поколение процесори [ ] .
Този проблемрешен чрез подобряване на системите за кеширане, което от своя страна усложнява архитектурата на системите и увеличава риска от странични грешки (например през 2017 г. бяха открити уязвимости Meltdown и Spectre, които присъстват в съвременните процесори от десетилетия, но не са открити преди това поради сложността на съвременните изчислителни системи и по-специално тяхното взаимодействие с кеш паметта).
Терминът „тясно място на архитектурата на фон Нойман“ е въведен от Джон Бакус през 1977 г. в неговата лекция „Може ли програмирането да бъде освободено от стила на фон Нойман?“ , която прочете при връчването на наградата Тюринг
Учени от САЩ и Италия през 2015 г. обявиха създаването на прототип на мем процесор (англ. memprocessor)с различна от тази на фон Нойман архитектура и възможността да се използва за решаване на цялостни проблеми.
Вижте също
Бележки
- Джон фон Нойман. Първа чернова на доклад относно EDVAC (неопределен) . Университет на Пенсилвания (30 юни 1945 г.).
- Юрий Полунов.Автор!!! // PC Week/руско издание. - 2006. - № 20 (530).
- Cragon, H.G.Компютърна архитектура и реализация. - Cambridge University Press, 2000. - P. 2. - 238 p. - ISBN 978-0-521-65168-4.
- , стр. 255.
- Burks A.W., Goldstine H.H., Neumann J.Предварително обсъждане на логическия дизайн на електронен изчислителен инструмент. - Институт за напреднали изследвания, Принстън, Ню Джърси, юли 1946 г.
· Принципът на двоичното кодиране
· Съгласно този принцип цялата информация, постъпваща в компютъра, се кодира с помощта на двоични сигнали (двоични цифри, битове) и се разделя на единици, наречени думи.
· Принципът на хомогенност на паметта
· Програмите и данните се съхраняват в една и съща памет. Поради това компютърът не различава какво се съхранява в дадена клетка от паметта - число, текст или команда. Можете да извършвате същите действия с команди, както и с данни.
· Принципът на адресируемост на паметта
· В структурно отношение основната памет се състои от номерирани клетки; всяка клетка е достъпна за процесора по всяко време. Това предполага възможността да се дават имена на области от паметта, така че стойностите, съхранени в тях, да могат по-късно да бъдат достъпни или променени по време на изпълнение на програмата, като се използват присвоените имена.
· Принципът на последователно програмно управление
· Предполага, че програмата се състои от набор от инструкции, които автоматично се изпълняват от процесора една след друга в определена последователност.
· Принцип на архитектурна твърдост
· Неизменност в процеса на топология, архитектура, списък с команди.
· Компютрите, изградени на тези принципи, се класифицират като компютри на фон Нойман.
· Най-важната последица от тези принципи може да се нарече фактът, че сега програмата вече не е постоянна част от машината (както например калкулатор). Програмата стана лесна за промяна. Но оборудването, разбира се, остава непроменено и много просто.
· За сравнение, програмата на компютъра ENIAC (където няма програма, съхранена в паметта) се определя от специални джъмпери на панела. Препрограмирането на машината може да отнеме повече от един ден (настройте джъмперите по различен начин). И въпреки че писането на програми за съвременни компютри може да отнеме години, те работят на милиони компютри след няколко минути инсталиране на твърд диск.
· 
· Машината на фон Нойман се състои от запаметяващо устройство (памет) - memory, аритметично логическо устройство - ALU, управляващо устройство - CU, както и входни и изходни устройства.
· Програмите и данните се въвеждат в паметта от входното устройство чрез аритметичното логическо устройство. Всички програмни команди се записват в съседни клетки от паметта, а данните за обработка могат да се съдържат в произволни клетки. За всяка програма последната команда трябва да е команда за изключване.
Командата се състои от индикация коя операция трябва да бъде извършена (от възможните операции на този хардуер) и адресите на клетките на паметта, където се съхраняват данните, върху които трябва да се извърши посочената операция, както и адреса на клетката където трябва да се запише резултатът (ако трябва да се запише в паметта).
· Аритметичното логическо устройство извършва операциите, зададени от командите, върху посочените данни.
· От аритметичното логическо устройство резултатите се извеждат в паметта или изходното устройство. Основната разлика между паметта и изходното устройство е, че данните се съхраняват в паметта в удобна за компютърна обработка форма, а изходните устройства (принтер, монитор и др.) се обработват по удобния за човек начин .
· CU управлява всички части на компютъра. Сигналите „какво да правя“ се изпращат от управляващото устройство към други устройства, а от други устройства управляващият блок получава информация за тяхното състояние.
· Управляващото устройство съдържа специален регистър (клетка), наречен "програмен брояч". След зареждане на програмата и данните в паметта, адресът на първата инструкция в програмата се записва в програмния брояч. CU чете от паметта съдържанието на клетката с памет, чийто адрес е в програмния брояч, и го поставя в специално устройство - "Регистър на командите". CU определя действието на командата, „маркира“ в паметта данните, чиито адреси са посочени в командата, и контролира изпълнението на командата. Операцията се извършва от ALU или компютърен хардуер.
· В резултат на изпълнение на която и да е команда, програмният брояч се променя с единица и следователно сочи към следващата програмна команда. Когато се изисква да се изпълни команда, която не следва текущата по ред, а е отделена от дадената с определен брой адреси, тогава специалната команда за прескачане съдържа адреса на клетката, в която трябва да се прехвърли управлението.
16) Структура и архитектура изчислителна система
Система (от гръцки systema - цяло, връзка, съставена от части) е съвкупност от взаимодействащи помежду си елементи, образуващи определена цялост, единство.
Компютърна система е съвкупност от един или повече компютри или процесори, софтуер и периферно оборудване, организирани за съвместно изпълнение на информационни и изчислителни процеси.
Отличителна черта VS по отношение на компютрите е наличието в тях на няколко калкулатора, които реализират паралелна обработка.
Основните принципи на конструкцията, заложени при създаването на самолета:
възможност за работа в различни режими;
модулност на структурата на техническите и софтуерни инструменти, което позволява подобряване и модернизиране на изчислителните системи без техните радикални промени;
унификация и стандартизация на технически и софтуерни решения;
йерархия в организацията на управлението на процесите;
способността на системите да се адаптират, самонастройват и самоорганизират;
предоставяне на необходимото обслужване на потребителите при извършване на изчисления
По предварителна уговорка самолетите се разделят на
универсален,
проблемно ориентиран
специализиран.
Universal са предназначени за решаване на широк клас задачи. Проблемно-ориентираните се използват за решаване на определен кръг от проблеми в сравнително тясна област. Специализирани, фокусирани върху решаването на тесен клас проблеми
По тип самолети те се различават по
многомашинен
мултипроцесор.
Изчислителната система може да бъде изградена на базата на цели компютри (мултимашинна CS) или на базата на отделни процесори (мултипроцесорна CS).
Според вида на компютъра или процесорите те се различават
хомогенни - изградени са на базата на еднотипни компютри или процесори.
разнородни системи – включва в състава си Различни видовекомпютри или процесори.
Географски самолетите се делят на:
концентриран (всички компоненти са разположени в непосредствена близост един до друг);
разпределени (компонентите могат да бъдат разположени на значително разстояние, напр. компютърни мрежи);
Според методите за управление на елементите на самолета има
централизиран,
децентрализирана
със смесен контрол.
Според режима на работа на самолета системите, работещи в
оперативен
режими на неоперативно време.
В допълнение, VS може да бъде структурно
едно ниво (има само едно общо ниво на обработка на данни);
Многостепенни (йерархични) структури. В йерархична CS машините или процесорите са разпределени на различни нива на обработка на информация, някои машини (процесори) могат да се специализират в изпълнението на определени функции.
Структурата на изчислителната система.
Структурата на VS е набор от комплексни елементи и техните връзки. Като елементи на самолета действат отделни компютри и процесори.
Описаната многостепенна структура реализира класическата фон Нойманова организация на ВС и предполага последователна обработка на информацията по предварително съставена програма.
Архитектура на изчислителните системи. Класификация на архитектурите на изчислителните системи.
Системната архитектура е набор от системни свойства, които са от съществено значение за използване.
Архитектурата на компютъра е неговото описание на някакво общо ниво, включително описание на възможностите за потребителско програмиране, командни системи, системи за адресиране, организация на паметта и т.н.
Класическа архитектура (архитектура на фон Нойман) - едно аритметично логическо устройство (ALU), през което минава потока от данни, и едно управляващо устройство (CU), през което минава командния поток - програмата. Това е еднопроцесорен компютър.
Многомашинна изчислителна система. Тук няколко процесора, включени в изчислителната система, нямат общо оперативна памет, но всеки си има свой (местен). Всеки компютър в многомашинна система има класическа архитектура и такава система се използва доста широко.
Най-ранната и най-известна е класификацията на архитектурите на компютърните системи, предложена през 1966 г. от М. Флин.
· Класификацията се основава на концепцията за нишка, която се разбира като последователност от елементи, команди или данни, обработвани от процесора. Въз основа на броя на потоците от инструкции и потоците от данни, Флин разграничава четири класа архитектури: SISD, MISD, SIMD, MIMD.
SISD (single instruction stream / single data stream) - единичен поток от инструкции и единичен поток от данни. Този клас включва преди всичко класически последователни машини или иначе машини от типа на фон Нойман, например PDP-11 или VAX 11/780. В такива машини има само един поток от инструкции, всички инструкции се обработват последователно една след друга и всяка инструкция инициира една операция с един поток от данни. Няма значение, че конвейерната обработка може да се използва за увеличаване на скоростта на инструкциите за обработка и скоростта на аритметичните операции - както машината CDC 6600 със скаларни функционални единици, така и машината CDC 7600 с конвейерна обработка попадат в този клас.
SIMD (single instruction stream / multiple data stream) - единичен поток от инструкции и множествен поток от данни. В архитектурите от този вид се запазва един поток от инструкции, който за разлика от предишния клас включва векторни инструкции. Това ви позволява да извършвате една аритметична операция върху много данни наведнъж - елементите на вектора. Методът за извършване на векторни операции не е специфициран, така че обработката на векторни елементи може да се извърши или чрез процесорна матрица, както в ILLIAC IV, или с помощта на конвейер, като например в машината CRAY-1.
MISD (multiple instruction stream / single data stream) - множествен поток от инструкции и единичен поток от данни. Дефиницията предполага, че има много процесори в архитектурата, които обработват един и същ поток от данни. Въпреки това, нито Флин, нито други компютърни архитекти все още не са успели да предоставят убедителен пример за компютърна система в реалния живот, изградена на този принцип. Редица изследователи приписват на това конвейерните машини
През 1946 г. Д. фон Нойман, Г. Голдщайн и А. Беркс в своя съвместна статия очертават нови принципи за конструиране и работа на компютрите. Впоследствие на базата на тези принципи са произведени първите две поколения компютри. Има някои промени в по-късните поколения, въпреки че принципите на Нойман са все още актуални днес.
Всъщност Нойман успява да обобщи научните разработки и открития на много други учени и да формулира принципно нови на тяхна основа.
Принцип на управление на програмата:Програмата се състои от набор от инструкции, които се изпълняват от процесор в определена последователност.
Принципът на хомогенност на паметта:програмите и данните се съхраняват в една и съща памет.
Принцип на насочване:В структурно отношение основната памет се състои от номерирани клетки. Всяка клетка е достъпна за процесора по всяко време.
Компютрите, изградени на тези принципи, са от типа фон Нойман.
Най-важната последица от тези принципи може да се нарече фактът, че сега програмата вече не е постоянна част от машината (както например с калкулатора). Програмата стана лесна за промяна. За сравнение, програмата на компютъра ENIAC (където няма програма, съхранена в паметта) се определя от специални джъмпери на панела. Препрограмирането на машината може да отнеме повече от един ден (настройте джъмперите по различен начин). И въпреки че писането на програми за съвременни компютри може да отнеме години, но те работят на милиони компютри, инсталирането на програми не изисква значително време.
В допълнение към тези три принципа, фон Нойман предложи принципа на двоичното кодиране -за представяне на данни и команди се използва двоичната бройна система (първите машини са използвали десетичната бройна система). Но последващите разработки показаха възможността за използване на нетрадиционни бройни системи.
В началото на 1956 г. по инициатива на акад. С.Л. Соболев, ръководител на катедрата по изчислителна математика във Факултета по механика и математика на Московския университет, в компютърния център на Московския държавен университет беше създадена катедра по електроника и започна работа семинар за създаване на практически образец на цифров компютър предназначени за използване в университети, както и в лаборатории и конструкторски бюра на промишлени предприятия. Беше необходимо да се разработи малък компютър, лесен за научаване и използване, надежден, евтин и в същото време ефективен при широк спектър от задачи. Подробно проучване в продължение на една година на наличните по това време компютри и технически възможностиизпълнението им доведе до нестандартно решениеизползва в създадената машина не двоичен, а троичен симетричен код, като имплементира балансирана бройна система, която Д. Кнут ще нарече двадесет години по-късно може би най-елегантната и, както по-късно стана известно, чиито предимства бяха разкрити от К. Шанън през 1950 г. Противно на общоприетото модерни компютридвоичен код с цифрите 0, 1, аритметично дефектен поради невъзможността за директно представяне на отрицателни числа в него, троичният код с цифрите -1, 0, 1 осигурява оптималната конструкция на аритметиката на числата със знак. Тройната бройна система се основава на същия позиционен принцип на кодиране на числата като двоичната система, приета в съвременните компютри, но теглото аз-та позиция (цифра) в него не е 2 i , а 3 i. При това самите цифри не са двуцифрени (не битове), а трицифрени (трици) - освен 0 и 1 те допускат и трета стойност, която в симетрична система е -1, поради които и положителните, и отрицателните числа са равномерно представими. Стойността на n-трит цяло число N се дефинира подобно на стойността на n-битово:
където a i ∈ (1, 0, -1) е стойността на i-тата цифра.
През април 1960 г. са проведени междуведомствени тестове на прототип на компютър, наречен "Setun". Според резултатите от тези тестове "Setun" е признат за първия работещ модел на универсален компютър на безлампови елементи, който се характеризира с "висока производителност, достатъчна надеждност, малки размери и лекота на поддръжка.Поради естествеността на троичния симетричен код, Setun се оказа наистина универсален, лесно програмируем и много ефективен изчислителен инструмент, който се е препоръчал положително, по-специално като технически средстваобучение по изчислителна математика в повече от тридесет университета. И във Военновъздушната инженерна академия. Жуковски, именно на „Сетун“ беше въведен за първи път автоматизирана системакомпютърно обучение.
Според принципите на фон Нойман компютърът се състои от:
· аритметично логическо устройство - ALU(англ. ALU, Arithmetic and Logic Unit), извършване на аритметични и логически операции; управляващо устройство -UU, предназначено да организира изпълнението на програми;
· устройства за съхранение (памет), вкл. памет с произволен достъп (RAM - първична памет) и външно устройство за съхранение (VSD); в около Главна памет съхраняват се данни и програми; модулът памет се състои от набор от номерирани клетки; във всяка клетка може да се запише двоично число, което се интерпретира или като команда, или като данни;
· при I/O устройства които служат за прехвърляне на данни между компютър и външна среда, състояща се от различни периферни устройства, които включват вторична памет, комуникационно оборудване и терминали.
Осигурява взаимодействие между процесора (ALU и CU), основната памет и входно-изходните устройства с системна шина .
Архитектурата на фон Нойман на компютъра се счита за класическа; повечето компютри са изградени върху нея. Като цяло, когато хората говорят за архитектурата на фон Нойман, те имат предвид физическото отделяне на процесорния модул от програмата и устройствата за съхранение на данни. Идеята за съхраняване на компютърни програми в споделена памет направи възможно превръщането на компютрите в универсални устройства, способни да изпълняват широк спектър от задачи. Програмите и данните се въвеждат в паметта от входното устройство чрез аритметичното логическо устройство. Всички програмни команди се записват в съседни клетки от паметта, а данните за обработка могат да се съдържат в произволни клетки. За всяка програма последната команда трябва да е команда за изключване.
По-голямата част от компютрите днес са машини на фон Нойман. Единствените изключения са определени видове системи за паралелно изчисление, в който няма програмен брояч, не е реализирана класическата концепция за променлива и има други съществени фундаментални разлики от класическия модел (примери са поточни и редукционни компютри). Очевидно значително отклонение от архитектурата на фон Нойман ще настъпи в резултат на развитието на идеята за машини от пето поколение, в които обработката на информацията се основава не на изчисления, а на логически заключения.
2.2 Команда, командни формати
Командата е описание на елементарна операция, която компютърът трябва да изпълни.
Структура на отбора.
Броят на битовете, разпределени за запис на команда, зависи от хардуера. специфичен моделкомпютър. В тази връзка структурата на конкретна команда ще бъде разгледана за общия случай.
Като цяло командата съдържа следната информация:
Ø код на операцията, която трябва да се извърши;
Ø инструкции за определяне на операнди или техните адреси;
Ø инструкции за поставяне на резултата.
За всяка конкретна машина трябва да се посочи броят на битовете, които да бъдат разпределени в инструкция за всеки от нейните адреси и за кода на операцията, както и самите действителни кодове на операция. Броят на двоичните цифри в команда, разпределени при проектирането на машината за всеки от нейните адреси, определя горната граница на броя на клетките на паметта на машината, които имат отделни адреси: ако адрес в команда е представен с помощта на n двоични цифри, тогава бързо паметта за достъп не може да съдържа повече от 2n клетки.
Командите се изпълняват последователно, започвайки от началния адрес (входна точка) на изпълнимата програма, адресът на всяка следваща команда е с един повече от адреса на предишната команда, ако не е била команда за прескачане.
В съвременните машини дължината на инструкциите е променлива (обикновено два до четири байта), а начините, по които се определят променливите адреси, са доста разнообразни.
Адресната част на командата може да бъде зададена, например:
операнд;
адрес на операнд;
Адресът на адреса на операнда (номерът на байта, от който се намира адресът на операнда) и др.
Обмислете структурата на възможните опции за няколко вида команди.
Триадни команди.
Двойни команди.
Нека 53 е кодът за операцията за добавяне.
В този случай структурата на триадресната команда изглежда така:
· Триадресни команди.
Процесът на изпълнение на командата е разделен на следните стъпки:
От клетката памет, чийто адрес е записан в програмния брояч, се избира следващата инструкция; съдържанието на брояча е променено и вече съдържа адреса на следващата по ред команда;
Избраната команда се прехвърля към управляващото устройство в регистъра на командите;
Устройството за управление декодира адресното поле на командата;
Според CU сигналите, стойностите на операндите се четат от паметта и се записват в ALU в специални регистри на операндите;
CU дешифрира кода на операцията и издава сигнал към ALU за извършване на подходящата операция върху данните;
Резултатът от операцията в този случай се изпраща в паметта (при едноадресни и двуадресни компютри той остава в процесора);
Всички предишни действия се изпълняват до достигане на командата СТОП.
2.3 Компютърът като автомат
„Електронните цифрови машини с програмно управление са пример за един от най-често срещаните видове преобразуватели на дискретна информация, които в момента се наричат дискретни или цифрови автомати“ (Глушков В.М. Синтез на цифрови автомати)
Всяка изчислителна машина работи автоматично (независимо дали е голям или малък компютър, персонален компютър или суперкомпютър). В този смисъл компютърът като автомат може да бъде описан от блоковата диаграма, показана на фиг. 2.1.
В предишните параграфи беше разгледана блоковата схема на компютър. Базиран блокова схемакомпютърни и автоматични схеми, можем да сравним блоковете на автоматната схема и елементите на блоковата схема на компютъра.
Като задвижващи елементи машината включва:
аритметично логическо устройство:
· памет;
информационни входно-изходни устройства.
Контролният елемент на машината е управляващо устройство, което всъщност осигурява автоматичен режимработа. Както вече беше отбелязано, в съвременните изчислителни устройства основният изпълнителен елемент е процесор или микропроцесор, който съдържа ALU, памет и управляващо устройство.
Помощни устройства на машината могат да бъдат всякакви допълнителни инструменти, които подобряват или разширяват възможностите на машината.
Джон фон Нойман (1903 - 1957) - американски математик, който има голям принос за създаването на първите компютри и разработването на методи за тяхното приложение.
Именно той полага основите на доктрината за архитектурата на компютрите, като се присъединява към създаването на първия в света лампов компютър ENIAC през 1944 г., когато неговият дизайн вече е избран.
В процеса на работа, по време на многобройни дискусии с колегите си Г. Голдщайн и А. Беркс, Джон фон Нойман изрази идеята за фундаментално нов компютър. През 1946 г. учените очертаха своите принципи за конструиране на компютри в станалата вече класическа статия „Предварително разглеждане на логическия дизайн на електронно изчислително устройство“.
Оттогава е изминал повече от половин век, но разпоредбите, изложени в него, остават актуални и днес. Сотников В.Н., Попов А.М. Информатика и математика за юристи. - М., 2012. С. 226
Статията убедително обосновава използването на двоичната система за представяне на числа, тъй като по-рано всички компютри съхраняваха обработените числа в десетична форма. Авторите демонстрираха предимствата на двоичната система за техническа реализация, удобството и лекотата на извършване на аритметични и логически операции в нея. компютърен двоичен файл
В бъдеще компютрите започнаха да обработват нечислови видове информация - текстова, графична, звукова и други, но двоичното кодиране на данни все още формира информационната основа на всеки съвременен компютър.
Друга революционна идея, чието значение трудно може да бъде надценено, е принципът на Нойман за „съхранената програма“.
Първоначално програмата беше зададена чрез инсталиране на джъмпери на специален пач панел. Това беше много трудоемка задача: например бяха необходими няколко дни, за да се промени програмата на машината ENIAC, докато действителното изчисление не можеше да продължи повече от няколко минути - лампите, от които имаше огромен брой, не успяха.
Нойман беше първият, който се досети, че една програма може също да бъде съхранена като набор от нули и единици и в същата памет като числата, които обработва. Липсата на фундаментална разлика между програмата и данните направи възможно самият компютър да формира програма за себе си в съответствие с резултатите от изчисленията.
Джон фон Нойман не само представи основните принципи на логическото устройство на компютъра, но също така предложи неговата структура, която беше възпроизведена през първите две поколения компютри. Мишин А.В. Информационни технологиив професионални дейности. - М.: Академия, 2012. С. 161
Основните единици според Нойман са управляващият блок (CU) и аритметично-логическият блок (ALU), обикновено комбинирани в процесор, който включва и набор от регистри с общо предназначение (RON) - за междинно съхранение на информация в процеса на нейната обработка; памет, външна памет, входни и изходни устройства. Трябва да се отбележи, че външната памет се различава от входните и изходните устройства по това, че данните се въвеждат в нея във формуляра удобен компютър, но недостъпни за прякото човешко възприятие.
Компютърна архитектура, базирана на принципите на Джон фон Нойман.
Плътните линии със стрелки показват посоката на информационните потоци, пунктираните линии - управляващите сигнали.
Зареждане...