Принципите на фон Нойман за конструиране на електронен компютър. Компютърна архитектура

Известен също като модел на фон Нойман или архитектура на Принстън, той се основава на техника, описана през 1945 г. от математика и физика Джон фон Нойман като част от неговия доклад „Първи дизайн“ на компютъра EDVAC.

Архитектурна диаграма

Докладът на фон Нойман описва архитектурна диаграма за електронен цифров компютър с части, състоящи се от процесорни единици, който съдържа:

аритметично-логическа единица;
регистрационен процесор;
контролен блок, съдържащ команден регистър и програмен брояч;
устройство за съхранение за съхраняване на данни;
външно устройство за съхранение;
входни и изходни механизми.

Смисълът на дизайна беше, че всяка информация, съхранена на компютър, може да се използва от програма, в която избраните данни за операцията не могат да се възпроизвеждат едновременно, защото споделят обща шина. Това се споменава в "Първия проект", който описва мислите на учения за това каква трябва да бъде архитектурата. Фон Нойман нарече тази ситуация „тясно място“, което често ограничава производителността на системата.

Цифровият компютър е компютър, който съхранява програма, която съдържа програмни инструкции, данни за четене, запис на данни и също така включва памет с произволен достъп (RAM). Принципите на архитектурата на Джон фон Нойман са изложени и в неговия труд „Първият проект“. Според него компютрите със запаметени програми са подобрение в сравнение с контролните компютри като ENIAC. Последният беше програмиран чрез настройване на превключватели и вмъкване на кръпка, която кара данните и контролните сигнали да се насочват между различни функционални блокове. По-голямата част от съвременните компютри също използват паметта по този начин. В същото време von Neumann се различава например от Харвард по това, че използва кеш памет, а не основна памет.

Заден план

Първите бяха с предварително зададени фиксирани програми. Някои много прости компютри все още използват този дизайн или за простота, или за образователни цели. Например настолен калкулатор също е компютър с фиксирана програма. Може да работи с основна математика, но не може да се използва като игрова конзола. Промяната на фиксираната програма на дадена машина изисква повторно окабеляване, преструктуриране или реорганизиране на апарата. Най-ранните компютри не са били толкова тясно фокусирани, тъй като са били разработени за първи път и за научни цели. Препрограмирането дойде много по-късно и беше трудоемък процес, започващ с блокови диаграми и хартиени бележки и завършващ с подробни технически проекти. Процесът на физическо надграждане на каналите за възстановяване на автомобила беше особено труден. Може да отнеме три седмици, за да инсталирате програмата на ENIAC и да се опитате да я накарате да работи.

Нова идея

С въвеждането на компютри, които съхраняват програми в паметта, всичко се промени. Съхранени в паметта, те са конструкция с набор от инструкции. Това означава, че машината може незабавно да получи набор от команди за извършване на изчисления.

Дизайнът на такива програми се отнася до самопроменящи се кодове. Едно от първите съображения за такъв обект беше необходимостта от алгоритъм за увеличаване или по друг начин промяна на адресната част на инструкциите. Правен е на ръка в ранните проекти. Това стана по-малко важно, когато индексните регистри и индиректното адресиране станаха общи характеристики, открити в компютърната архитектура на машините на Джон фон Нойман. Друга употреба е да вмъкнете често използвани данни в команден поток, като използвате незабавно решение. Но самопроменящият се код е до голяма степен критикуван, защото обикновено е труден за разбиране и отстраняване на грешки. В допълнение, той също се оказа неефективен по отношение на възпроизвеждането и кеширането на схемите на съвременните процесори.

Като цяло способността да се третират инструкциите като данни е това, което прави асемблерите, компилаторите, асемблерите, зареждащите устройства и други инструменти възможни обекти за компютърно програмиране. Така да се каже, пишете програми, които пишат програми. В по-малък мащаб, повтарящите се интензивни входни и изходни операции, като BitBlt манипулиране на примитивни или пикселни и върхови шейдъри в съвременната 3D графика, се оказаха неефективни за работа без персонализиран хардуер.

Развитие на концепцията за съхранена програма

Математик, който се заинтересува от проблема на математическата логика след лекцията на Макс Нюман в Кеймбриджкия университет, написа статия през 1936 г., публикувана в изданието на Лондонското математическо дружество. В него той описва хипотетична машина, която нарича "универсална изчислителна машина" и която сега е известна като универсалната машина на Тюринг. Имаше безкрайно хранилище (в съвременната терминология - памет), което съдържаше както инструкции, така и данни, за които беше създадена тази архитектура. Фон Нойман се запознава с Тюринг, докато е гостуващ професор в Кеймбридж през 1935 г. и по време на докторската дисертация на Тюринг в Института за напреднали изследвания в Принстън, Ню Джърси, през 1936-1937 г.

Независимо от това, Gee Presper Eckert и John Mauchly, които разработиха ENIAC в Училището по електротехника в Пенсилванския държавен университет, пишат за концепцията за машина, която съхранява програма в паметта през декември 1943 г. Когато планира новата машина, EDVAC, Екерт пише през януари 1944 г., че тя ще съхранява данни и програми в ново устройство с адресиране на паметта, използвайки закъснение от живачен метал. Това беше първият път, когато на практика беше предложена конструкцията на машина, съхраняваща програма в паметта. В същото време той и Мокли не са знаели за работата на Тюринг (снимката по-долу).

Компютърна архитектура: принцип на фон Нойман

Фон Нойман участва в "Проекта Манхатън" в Националната лаборатория в Лос Аламос, което изисква огромно количество изчисления. Това го привлича към проекта ENIAC през лятото на 1944 г. Там той влезе в дискусии за разработването на компютъра EDVAC. Като част от тази група той написа документ, озаглавен „Първи чернови на доклад за EDVAC“, базиран на работата на Eckert и Mauchly. Той беше недовършен, когато неговият колега Голдщайн разпространи проекта с името на фон Нойман (между другото Екерт и Моухли онемяха от такава новина). Този документ беше прочетен от десетки колеги на фон Нойман в Америка и Европа и оказа голямо влияние върху следващия етап от развитието на компютъра.

Основните принципи на архитектурата на фон Нойман, очертани в "Първия проект", придобиват широка слава, докато Тюринг подчертава своя доклад за електронния калкулатор, който е описан подробно в инженерството и програмирането. Той също така очертава идеята на автора за машина, наречена Automatic Computing Engine (ACE). Той го представя на изпълнителния комитет на Британската национална физическа лаборатория през 1946 г. С течение на времето дори имаше различни успешни реализации на дизайна на ACE.

Начало на изпълнението на проекти

Както проектът на фон Нойман, така и документите на Тюринг описват компютри, които съхраняват специфична програма в паметта, но документът на фон Нойман постига по-голямо разпространение в обществото и компютърната архитектура става известна като архитектурата на Джон фон Нойман.

През 1945 г. професор Нойман, който тогава беше в Инженерното училище във Филаделфия, където беше построен първият ENIAC, издаде документ от името на група свои колеги за логическия дизайн на цифровите компютри. Докладът съдържаше доста подробно предложение за дизайна на машината, която оттогава стана известна като EDVAC. Той беше създаден едва наскоро в Америка, но докладът вдъхнови фон Нойман да създаде EDSAC.

Маниаци и йониаци

През 1947 г. Бъркс, Голдщайн и фон Нойман публикуват друг доклад, подчертаващ дизайна на друг тип машина (този път паралелна), която ще бъде изключително бърза, може би способна да извършва до 20 000 операции в секунда. Те отбелязаха, че неразрешен проблем при изграждането му е проектирането на подходяща памет, чието цялото съдържание трябва да бъде незабавно достъпно. Те първо предложиха да се използва специална вакуумна тръба, наречена Selectron, която беше изобретена в Принстънската лаборатория. Такива тръби бяха скъпи и много трудни за правене, особено ако се използваше тази архитектура. Впоследствие фон Нойман решава да построи машина, базирана на паметта на Уилямс. Тази машина, която е завършена през юни 1952 г. в Принстън, става широко известна като MANIAC (или просто Maniacs). Неговият дизайн вдъхнови конструкцията на половин дузина или повече подобни устройства, които сега се изграждат в Америка и шеговито се наричат Johniacs.

Принципи на създаване

Един от най-модерните цифрови компютри, въплъщаващ разработки и подобрения в автоматичните електронни изчислителни техники, беше демонстриран в Националната физическа лаборатория в Тедингтън, където беше проектиран и изграден от малък екип от математици, електроника и изследователски инженери, със съдействието на редица производствени инженери от English Electric Company Ltd. Оборудването все още е в лабораторията, но само като прототип на много по-голяма единица, известна като автоматична изчислителна машина. Но въпреки сравнително ниското си тегло и съдържанието на само 800 термоелектронни вентила, това е изключително бърза и гъвкава изчислителна машина.

Основните концепции и абстрактните принципи на изчисление с помощта на машина са формулирани от д-р Тюринг на базата на същото Лондонско математическо общество през 1936 г., но работата по такива машини във Великобритания беше забавена от войната. През 1945 г. разглеждането на проблемите за създаване на такива устройства продължава в Националната физическа лаборатория от д-р Уормсли, лабораторен ръководител на катедрата по математика. Той се присъединява към Тюринг с неговия малък екип от специалисти и до 1947 г. предварителното планиране е достатъчно напреднало, за да оправдае създаването на специална група.

Първите компютри, базирани на фон Ноймановата архитектура

Първият проект описва дизайн, който е бил използван от много университети и корпорации за изграждане на техните компютри. Сред тях само ILLIAC и ORDVAC имаха съвместими набори от инструкции.

Класическата архитектура на фон Нойман е въплътена в Manchester Small Experimental Machine (SSEM), наречена Baby, от Университета в Манчестър, която направи първото си успешно стартиране като устройство с програмна памет на 21 юни 1948 г.

EDSAC от университета в Кеймбридж, първият практичен електронен компютър от този тип, беше пуснат успешно за първи път през май 1949 г.

Разработка на създадени модели

IBM SSEC имаше способността да третира инструкциите като данни и беше публично демонстриран на 27 януари 1948 г. Тази способност е заявена в американски патент. Това обаче беше частично електромеханична машина, а не напълно електронна. На практика инструкциите се четат от хартиена лента поради ограничената й памет.

Baby беше първият напълно електронен компютър, който изпълняваше запаметени програми. Той изпълнява програмата за факторизиране за 52 минути на 21 юни 1948 г., след като изпълнява просто деление и изчисление, което показва, че две числа са взаимно прости.

ENIAC е модифициран да работи като примитивен компютър само за четене, но използвайки същата архитектура и е демонстриран на 16 септември 1948 г., като Адел Голдщайн стартира програмата с помощта на фон Нойман.

BINAC провежда няколко тестови програми през февруари, март и април 1949 г., въпреки че не е завършен до септември 1949 г. Освен това бяха извършени тестове (някои успешни) на други електронни компютри, които се характеризират с тази архитектура. Фон Нойман, между другото, продължи да работи по проекта Манхатън. Такава универсална личност.

Еволюция на архитектурата на шинната система

Десетилетия по-късно, вече през 60-те и 70-те години, компютрите като цяло стават по-малки и по-бързи, което води до някои от еволюциите, които компютърната архитектура на фон Нойман претърпява. Например картографирането на паметта на входа и изхода позволява на съответните устройства, чиито данни и инструкции за интегриране в системата ще бъдат обработени, да останат в паметта. Една шинна система може да се използва за осигуряване на модулна система с по-малки. Това понякога се нарича "рационализиране" на архитектурата. През следващите десетилетия простите микроконтролери понякога пропускат някои характеристики на типичния модел, за да намалят цената и размера. По-големите компютри, от друга страна, следват установената архитектура, тъй като имат добавени функции за подобряване на производителността.

В ежедневието повечето хора силно свързват понятието „архитектура“ с различни сгради и други инженерни съоръжения. И така, можем да говорим за архитектурата на готическа катедрала, Айфеловата кула или опера. В други области този термин се използва доста рядко, но за компютрите понятието „компютърна архитектура“ (електронен компютър) вече е твърдо установено и се използва широко от 70-те години на миналия век. За да разберете как се изпълняват програми и скриптове на компютър, първо трябва да знаете как работи всеки от неговите компоненти. Основите на учението за компютърната архитектура, които се обсъждат в урока, са положени от Джон фон Нойман. Можете да научите повече за логическите възли, както и за гръбначно-модулния принцип на архитектурата на съвременните персонални компютри в този урок.

Принципите, лежащи в основата на компютърната архитектура, са формулирани през 1945 г. от Джон фон Нойман, който развива идеите на Чарлз Бабидж, който представя работата на компютъра като работа на набор от устройства: обработка, управление, памет, вход-изход.

Принципите на фон Нойман.

1. Принципът на хомогенността на паметта. Можете да извършвате същите действия с команди, както и с данни.

2. Принципът на адресируемост на паметта. Основната памет е структурно изградена от номерирани клетки; Всяка клетка е достъпна за процесора по всяко време. Това предполага възможност за наименуване 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.

3. Принципът на последователно програмно управление. Предполага се, че програмата се състои от набор от команди, които се изпълняват от процесора автоматично една след друга в определена последователност.

4. Принципът на архитектурната твърдост. Неизменност на топологията, архитектурата и списъка от команди по време на работа.

Компютрите, изградени на принципите на фон Нойман, имат класическа архитектура, но освен нея има и други типове архитектура. Например Харвард. Неговите отличителни черти са:

хранилището на инструкции и хранилището на данни са различни физически устройства;
Каналът за инструкции и каналът за данни също са физически разделени.

В историята на развитието на компютърните технологии качествен скок се случва приблизително на всеки 10 години. Този скок е свързан с появата на ново поколение компютри. Идеята за разделяне на машините се появи поради факта, че през кратката история на своето развитие компютърните технологии претърпяха голяма еволюция както по отношение на елементарната база (лампи, транзистори, микросхеми и др.), така и по отношение на промени в неговата структура, появата на нови възможности и разширяване на областите на приложение и естеството на използване. Повече информация етапи на развитие на компютъра показано на фиг. 2. За да се разбере как и защо едно поколение е заменено от друго, е необходимо да се знае значението на такива понятия като памет, скорост, степен на интеграция и т.н.

Ориз. 2. Компютърни поколения ()

Сред компютрите, които не са класически, не фон Нойман архитектура, можем да разграничим така наречените неврокомпютри. Те симулират работата на човешки мозъчни клетки, неврони, както и някои части на нервната система, способни да обменят сигнали.

Всеки логически възел на компютъра изпълнява свои собствени функции. Функции процесор(фиг. 3):

- обработка на данни (извършване на аритметични и логически операции върху тях);

- управление на всички други компютърни устройства.

Ориз. 3. Централен процесор на компютъра ()

Програмата се състои от отделни команди. Командата включва код на операцията, адресите на операндите (количествата, които участват в операцията) и адреса на резултата.

Изпълнението на командата е разделено на следните етапи:

· избор на екип;

генериране на адреса на следващата команда;
декодиране на команди;
изчисляване на адреси на операнди;
избор на операнд;
изпълнение на операцията;
образуване на знак за резултат;
записване на резултата.

Не всички етапи са налице, когато се изпълнява дадена инструкция (в зависимост от типа на инструкцията), но винаги се провеждат етапите на извличане, декодиране, генериране на адреса на следващата инструкция и изпълнение на операцията. В определени ситуации са възможни още две стъпки:

индиректно адресиране;
отговор на прекъсване.

RAM памет(фиг. 4) е подреден, както следва:

получаване на информация от други устройства;
запомняне на информация;
прехвърляне на информация при поискване към други компютърни устройства.

Ориз. 4. RAM (памет с произволен достъп) на компютъра ()

Архитектурата на съвременните компютри се основава на гръбначно-модулен принцип(фиг. 5). Модулният принцип ви позволява да завършите желаната конфигурация и да направите необходимите надстройки. Разчита се на шинния принцип на обмен на информация между модулите. Системната шина или компютърната шина включва няколко шини за различни цели. Гръбнакът включва три многобитови шини:

шина за данни;
адресна шина;
контролна шина.

Ориз. 5. Гръбначно-модулен принцип на изграждане на РС

Шината за данни се използва за прехвърляне на различни данни между компютърни устройства; адресната шина се използва за адресиране на прехвърлените данни, тоест за определяне на местоположението им в паметта или във входно-изходни устройства; Управляващата шина включва управляващи сигнали, които служат за временно координиране на работата на различни компютърни устройства, за определяне на посоката на пренос на данни, за определяне на форматите на прехвърляните данни и др.

Този принцип е валиден за различни компютри, които могат да бъдат разделени на три групи:

стационарен;
компактни (лаптопи, нетбуци и др.);
джоб (смартфони и др.).

Системният блок на настолен компютър или компактен корпус съдържа основните логически единици - дънна платка с процесор, захранване, външни памети и др.

Библиография

1. Босова Л.Л. Информатика и ИКТ: Учебник за 8. клас. - М.: БИНОМ. Лаборатория на знанието, 2012.

2. Босова Л.Л. Информатика: Работна тетрадка за 8. клас. - М.: БИНОМ. Лаборатория на знанието, 2010.

3. Астафиева Н.Е., Ракитина Е.А., Информатика в схеми. - М.: БИНОМ. Лаборатория на знанието, 2010.

4. Таненбаум Е. Компютърна архитектура. - 5-то изд. - Санкт Петербург: Питър, 2007. - 844 с.

1. Интернет портал „Всички съвети“ ()

2. Интернет портал „Електронна енциклопедия „Компютър““ ()

3. Интернет портал “apparatnoe.narod.ru” ()

Домашна работа

1. Глава 2, §2.1, 2.2. Босова Л.Л. Информатика и ИКТ: Учебник за 8. клас. - М.: БИНОМ. Лаборатория на знанието, 2012.

2. Какво означава съкращението КОМПЮТЪР?

3. Какво означава терминът "компютърна архитектура"?

4. Кой формулира основните принципи, залегнали в компютърната архитектура?

5. На какво се основава архитектурата на съвременните компютри?

6. Назовете основните функции на централния процесор и RAM на компютъра.

3. Принципите на фон Нойман. Архитектура на класически компютър, П принципи на фон Нойман

Функционирането на компютъра се основава на две основни концепции в изчислителната техника. технология: концепция за алгоритъм; принцип на програмно управление. Алгоритъмът е уникално дефинирана последователност от действия, състояща се от формално дефинирани операции върху първоначални данни, водещи до решение в краен брой стъпки.

Имотиалгоритми

дискретност на информацията, с която работят алгоритмите; ограничеността и елементарността на набора от операции, извършвани при изпълнението на алгоритъма;

детерминизъм - възпроизводимост на резултатите от алгоритъма;

масов характер - възможността за използване на алгоритъма за различни първоначални данни от допустим набор

Програмата е описание на алгоритъм на произволен език.

Принципсофтуер управление(PPU) е формулиран за първи път от унгарския математик и физик Джон фон Нойман с участието на Холцщайн и Берц през 1946 г. и е доминиращ на този етап в развитието на изчислителната технология.

PPU включва няколко архитектурни и функционални принципа.

1) Принцип на двоично кодиранеИнформацията е кодирана в двоична форма и разделена на единици (елементи) от информация, наречени думи. Използването на двоичната бройна система се определя от спецификата на електронните схеми. Думата е неделима единица информация.

2) Еднаквост на кодирането на информацията.Различните видове информационни думи се различават по начина, по който се използват, но не и по начина, по който са кодирани. Думите, представляващи различни видове информация, са неразличими (данни, команди). Редът, в който се използват, определя тяхната специфика. Едни и същи команди могат да се използват за обработка на различни данни.

3) Адресна организация на RAM.Думите с информация се поставят в клетките на паметта на машината и се идентифицират с номера на клетки, наречени адреси на думи. Определя спецификата на съхраняване и идентифициране на информация. Адресът на клетката е идентификаторът на машината за стойността и командата.

4) Компютърът има ограничен набор от команди. Всяка отделна команда дефинира проста (единична) стъпка за конвертиране на информация.

5) Алгоритъмът се реализира чрез последователно изпълнение на команди.Извършването на изчисления, предписани от алгоритъма, се свежда до последователно изпълнение на команди в ред, уникално определен от програмата. Адресът на следващата команда се определя еднозначно по време на изпълнение на текущата команда (възможни са условни скокове). Процесът на изчисление продължава, докато се изпълни командата за завършване на изчислението. Предимства:

Лекота на хардуерно внедряване.

Висока гъвкавост, която е ограничена само от набора от команди на процесора.

недостатъци:

точка 2: изисква от програмиста да използва правилно данни от различни типове; ако те не се следват, се появяват грешки, които често са трудни за идентифициране. При решаването на сложни изчислителни проблеми това значително увеличава сложността на разработката на софтуер.

pz. предполага линейна организация на паметта. Това затруднява изчисляването на елементите на оформлението на сложни типове данни.

Класическа архитектуракомпютър

Структура на компютъра

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 нещо принципно ново на тяхна основа.

Принципите на фон Нойман

Използване на двоичната бройна система в компютрите. Предимството пред десетичната бройна система е, че устройствата могат да бъдат направени доста прости, а аритметичните и логическите операции в двоичната бройна система също се извършват доста просто.

Контрол на компютърен софтуер. Работата на компютъра се управлява от програма, състояща се от набор от команди. Командите се изпълняват последователно една след друга. Създаването на машина със запаметена програма беше началото на това, което днес наричаме програмиране.

Компютърната памет се използва не само за съхраняване на данни, но и на програми.. В този случай както програмните команди, така и данните са кодирани в двоичната бройна система, т.е. техният метод на запис е същият. Следователно в определени ситуации можете да извършвате същите действия върху команди, както и върху данни.

Клетките на компютърната памет имат адреси, които са номерирани последователно. По всяко време можете да получите достъп до всяка клетка от паметта по нейния адрес. Този принцип отвори възможността за използване на променливи в програмирането.

Възможност за условен скок по време на изпълнение на програмата. Въпреки факта, че командите се изпълняват последователно, програмите могат да реализират възможността да прескачат към всеки раздел от кода.

Най-важната последица от тези принципи е, че сега програмата вече не е постоянна част от машината (като например калкулатор). Стана възможно лесно да промените програмата. Но оборудването, разбира се, остава непроменено и много просто.

За сравнение, програмата на компютъра ENIAC (който нямаше запаметена програма) се определяше от специални джъмпери на панела. Препрограмирането на машината може да отнеме повече от един ден (задайте джъмпери по различен начин). И въпреки че писането на програми за съвременни компютри може да отнеме години, те работят на милиони компютри след няколко минути инсталация на твърдия диск.

Как работи машината на фон Нойман?

Машината на фон Нойман се състои от запаметяващо устройство (памет) - памет, аритметично-логическо устройство - ALU, управляващо устройство - CU, както и входни и изходни устройства.

Програмите и данните се въвеждат в паметта от входното устройство чрез аритметично 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 бъде командата за изключване.

Командата се състои от индикация каква операция трябва да се извърши (от възможните операции на даден хардуер) и адресите на клетките на паметта, където се съхраняват данните, върху които трябва да се извърши определената операция, както и адреса на клетката където трябва да се запише резултатът (ако трябва да се запише в паметта).

Аритметичното логическо устройство изпълнява операциите, определени от инструкциите, върху посочените данни.

От аритметичното логическо устройство резултатите се извеждат в паметта или в изходно устройство. Основната разлика между паметта и изходното устройство е, че в паметта данните се съхраняват във форма, удобна за обработка от компютър, и се изпращат до изходните устройства (принтер, монитор и др.) по удобен начин за човек.

Блокът за управление контролира всички части на компютъра. От управляващото устройство другите устройства получават сигнали „какво да се направи“, а от други устройства управляващият блок получава информация за тяхното състояние.

Устройството за управление съдържа специален регистър (клетка), наречен „програмен брояч“. След зареждане на програмата и данните в паметта, адресът на първата инструкция на програмата се записва в програмния брояч. Блокът за управление чете от паметта съдържанието на клетката с памет, чийто адрес е в програмния брояч, и го поставя в специално устройство - „Команден регистър“. Блокът за управление 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 изпълнението на която и да е команда, броячът на програмата се променя с единица и следователно сочи към следващата команда на програмата. Когато е необходимо да се изпълни команда, която не е следваща по ред след текущата, а е отделена от дадената с определен брой адреси, тогава специална команда за прескачане съдържа адреса на клетката, към която трябва да се прехвърли управлението .

Право и СКО

Урок 9. Гръбначно-модулен принцип на изграждане на компютър.

Задача: с помощта на учебния текст отговорете на следните въпроси (запишете в тетрадката).

1. Кой е основателят на гръбначно-модулния принцип на съвременната компютърна архитектура.

2. Компютърната архитектура е...

3. Избройте основните принципи, залегнали в опорно-модулната конструкция на PC архитектурата.

4. От какви части се състои магистралата?

5. За какво служи интерфейсът на устройството?

6. Какво се използва за договаряне на интерфейси? Как става тази координация (начертайте диаграма)?

7. Как се обработват данните на компютър?

8. Начертайте схематична диаграма на гръбначно-модулния принцип на PC.

9. Магистралата е...

10. Каква е целта на контролната шина, адресната шина, шината за данни?

12. Какво позволява на потребителя на компютъра модулният принцип? Избройте основните предимства на принципа на модулния гръбнак.

D/z. Отговорете на въпроси, подгответе се да отговорите на учебния текст.

Учебен текст

Гръбначно-модулен принцип на изграждане на компютър

Нека си припомним информацията, получена в предишните уроци:

Компютърът е електронно устройство, предназначено за работа с информация, а именно въвеждане, обработка, съхранение, извеждане и предаване на информация.Освен това компютърът е едно цяло от две единици - хардуер и софтуер.

Архитектурата на компютъра е описание на неговата логическа организация, ресурси и принципи на работа на неговите структурни елементи. Включва основните компютърни устройства и структурата на връзките между тях.

Обикновено, когато се описва архитектурата на компютъра, специално внимание се обръща на онези принципи на неговата организация, които са характерни за повечето машини, принадлежащи към описваното семейство, а също и които влияят върху възможностите за програмиране.

Архитектурата на съвременните компютри се основава на принципите на Джон фон Нойман и гръбначно-модулния принцип.

Принципите на фон Нойман

1. Използване на двоичната бройна система в компютрите. Предимството пред десетичната бройна система е, че устройствата могат да бъдат направени доста прости, а аритметичните и логическите операции в двоичната бройна система също се извършват доста просто.

2. Контрол на компютърен софтуер. Работата на компютъра се управлява от програма, състояща се от набор от команди. Командите се изпълняват последователно една след друга. Създаването на машина със запаметена програма беше началото на това, което днес наричаме програмиране.

3. Компютърната памет се използва не само за съхраняване на данни, но и на програми.. В този случай както програмните команди, така и данните са кодирани в двоичната бройна система, т.е. техният метод на запис е същият. Следователно в определени ситуации можете да извършвате същите действия върху команди, както и върху данни.

4. Клетките на компютърната памет имат адреси, които са номерирани последователно. По всяко време можете да получите достъп до всяка клетка от паметта по нейния адрес. Този принцип отвори възможността за използване на променливи в програмирането.

5. Възможност за условен скок по време на изпълнение на програмата. Въпреки факта, че командите се изпълняват последователно, програмите могат да реализират възможността да прескачат към всеки раздел от кода.

6. Наличие на устройства за въвеждане и извеждане на информация. Тези устройства са основни и достатъчни за работа с компютър на ниво потребител.

7. Принцип на отворената архитектура– правила за изграждане на компютър, според които всеки нов блок трябва да е съвместим със стария и лесно да се инсталира на същото място в компютъра. В компютъра можете също толкова лесно да замените старите блокове с нови, където и да се намират, в резултат на което работата на компютъра не само не се нарушава, но и става по-продуктивна. Този принцип ви позволява да не изхвърляте, а да модернизирате закупен по-рано компютър, лесно да замените остарелите модули в него с по-модерни и удобни, както и да закупите и инсталирате нови модули. Освен това във всички тях конекторите за свързването им са стандартни и не изискват промени в дизайна на самия компютър.

Компютърът не е неделим интегрален обект. Състои се от няколко устройства - модули.(Потребителят може да комплектува своя компютър от тези модули по свое желание). За всяко устройство в компютъра има електронна схема, която го управлява. Тази схема се нарича контролер или адаптер. Някои контролери могат да управляват няколко устройства едновременно. Всички контролери и адаптери взаимодействат с процесора и RAM чрез системната шина (набор от електронни линии. Шината е кабел, състоящ се от много проводници.

Гръбнакът осигурява обмена на данни между компютърните устройства.

Магистралата се състои от три части:

1. адресна шина,на който е зададен адрес на необходимата клетка памет или устройство, с което ще се обменя информация.

2. Шина за данни, чрез които ще се предава необходимата информация.

3. Контролна шинарегулиране на този процес. (през управляващата шина се предават сигнали, които определят характера на обмена на информация по магистралата. Тези сигнали показват каква операция трябва да се извърши).

За да функционира правилно един компютър, е необходимо всички негови устройства да работят заедно, да се „разбират“ и да „не влизат в конфликт“. Това се осигурява благодарение на един и същ интерфейс, който имат всички компютърни устройства.
Интерфейсът е средство за свързване на две устройства, в което всички физически и логически параметри са съвместими един с друг.

Тъй като обменът на данни между устройствата се извършва през шината, за координиране на интерфейсите всички външни устройства са свързани към шината не директно, а чрез техните контролери (адаптери) и портове.

Портовете могат да бъдат последователни или паралелни. Бавните или отдалечени устройства (мишка, модем) са свързани към серийни портове, а по-бързите (скенер, принтер) са свързани към паралелни портове. Клавиатурата и мониторът са свързани към специализирани портове.

За да се избегне свързването на устройство към порта на някой друг по грешка или незнание, всяко устройство има индивидуална форма на щепсел, който не се вписва в „чуждия“ конектор.

Информацията, представена в цифров вид и обработена на компютър, се нарича данни.

Извиква се последователността от команди, които компютърът изпълнява, докато обработва данни програма.

Обработка на данни на компютър:

1. Потребителят стартира програма, съхранена в дългосрочната памет, тя се зарежда в оперативната памет и започва да се изпълнява.

2. Изпълнение: Процесорът чете инструкциите и ги изпълнява. Необходимите данни се зареждат в RAM от дългосрочна памет или се въвеждат с помощта на входни устройства.

3. Изходните (получени) данни се записват от процесора в RAM или дългосрочна памет и също се предоставят на потребителя с помощта на устройства за извеждане на информация.

За да се осигури обмен на информация между различни устройства, трябва да се осигури някакъв гръбнак, който да придвижва информационните потоци.

Багажник (системна шина)включва три многобитови шини: шина за данни, адресна шина и управляваща шина, които са многожични линии. Към шината са свързани процесорът и RAM, както и периферните устройства за вход, изход и съхранение на информация, които обменят информация на машинен език (последователности от нули и единици под формата на електрически импулси).

Шина за данни.Тази шина прехвърля данни между различни устройства. Например, данните, прочетени от RAM, могат да бъдат изпратени до процесора за обработка, а след това получените данни могат да бъдат изпратени обратно в RAM за съхранение. По този начин данните по шината за данни могат да се прехвърлят от устройство на устройство във всяка посока, т.е. шината за данни е двупосочна. Основните режими на работа на процесора, използващ шината за данни, включват следното: запис/четене на данни от RAM, запис/четене на данни от външна памет, четене на данни от входно устройство, изпращане на данни към изходно устройство.

Ширината на шината за данни се определя от битовия капацитет на процесора, т.е. броя на двоичните битове, които могат да бъдат обработени или предадени от процесора едновременно. Капацитетът на процесорите непрекъснато се увеличава с развитието на компютърните технологии.

Адресна шина.Изборът на устройство или клетка от паметта, към която се изпращат или четат данни чрез шината за данни, се прави от процесора. Всяко устройство или RAM клетка има свой собствен адрес. Адресът се предава по адресната шина, а по нея се предават сигнали в една посока - от процесора към RAM и устройствата (еднопосочна шина).

Ширината на адресната шина определя количеството адресируема памет (адресно пространство), т.е. броя на еднобайтовите RAM клетки, които могат да имат уникални адреси.

Броят адресируеми клетки на паметта може да се изчисли по формулата:

N=2 I, където I е ширината на адресната шина.

Всяка шина има собствено адресно пространство, т.е. максималното количество адресируема памет:

2 16 = 64 KB

2 20 = 1 MB

2 24 = 16 MB

2 32 = 4 GB

Контролна шина. Контролната шина предава сигнали, които определят характера на обмена на информация по магистралата. Контролните сигнали показват каква операция - четене или запис на информация от паметта - трябва да се извърши, синхронизират обмена на информация между устройствата и т.н.

Модулен принциппозволява на потребителя да сглоби необходимата му компютърна конфигурация и, ако е необходимо, да я надстрои. Всяка отделна компютърна функция се изпълнява от един или повече модули - структурно и функционално завършени електронни единици в стандартен дизайн. Организирането на компютърна структура на модулна основа е подобно на изграждането на блокова къща.

Основно-модулният принцип има редица предимства:

1. За работа с външни устройства се използват същите команди на процесора, както при работа с памет.

2. Свързването на допълнителни устройства към опорната мрежа не изисква промени в съществуващи устройства, процесор или памет.

3. Променяйки състава на модулите, можете да промените мощността и предназначението на компютъра по време на неговата работа.

Днес е трудно да се повярва, но компютрите, без които мнозина вече не могат да си представят живота си, се появиха само преди около 70 години. Един от онези, които имат решаващ принос за създаването им, е американският учен Джон фон Нойман. Той предложи принципите, на които повечето компютри работят и до днес. Нека да разгледаме как работи машината на фон Нойман.

Кратки биографични сведения

Янош Нойман е роден през 1930 г. в Будапеща, в много богато еврейско семейство, което по-късно успява да получи благородническа титла. От детството си той се отличава с изключителни способности във всички области. На 23-годишна възраст Нойман вече е защитил докторската си дисертация в областта на експерименталната физика и химия. През 1930 г. младият учен е поканен да работи в САЩ и в същото време Нойман става един от първите служители на Института за напреднали изследвания, където работи като професор до края на живота си. Научните интереси на Нойман бяха доста обширни. По-специално, той е един от създателите на апарата на квантовата механика и концепцията за клетъчните автомати.

Принос към компютърните науки

Преди да разберем на кой принцип не отговаря архитектурата на фон Нойман, ще бъде интересно да разберем как ученият е стигнал до идеята за създаване на модерен тип изчислителна машина.

Експерт по математика на експлозиите и ударните вълни, фон Нойман е служил като научен консултант на една от лабораториите за изследване на боеприпасите на армията на Съединените щати в началото на 40-те години. През есента на 1943 г. той пристига в Лос Аламос, за да участва в разработването на проекта Манхатън по лична покана на неговия ръководител. Той получава задачата да изчисли силата на компресия на атомна бомба до критична маса. За решаването му бяха необходими големи изчисления, които първоначално бяха извършени на ръчни калкулатори, а по-късно на механични табулатори от IBM, използвайки перфокарти.

Запознах се с информация за хода на създаването на електронно-механични и напълно електронни компютри. Скоро той се включи в разработването на компютрите EDVAC и ENIAC, което го накара да напише незавършения първи проект на доклад за EDVAC, в който представи на научната общност напълно нова идея за това каква трябва да бъде компютърната архитектура.

Принципите на фон Нойман

Компютърната наука като наука беше стигнала до задънена улица до 1945 г., тъй като всеки съхраняваше обработени числа в паметта си в 10-та форма, а програмите за извършване на операции бяха определени чрез инсталиране на джъмпери на разпределителното табло.

Това значително ограничи възможностите на компютрите. Истинският пробив бяха принципите на фон Нойман. Те могат да бъдат изразени накратко в едно изречение: преходът към двоичната бройна система и принципът на запомнената програма.

Анализ

Нека разгледаме по-подробно на какви принципи се основава класическата структура на машината на фон Нойман:

1. Преход към двоична система от десетична

Този принцип на архитектурата на Нойман позволява използването на доста прости логически устройства.

2. Програмно управление на електронен компютър

Работата на компютъра се управлява от набор от команди, изпълнявани последователно една след друга. Разработването на първите машини с програма, съхранявана в паметта, бележи началото на съвременното програмиране.

3. Данните и програмите се съхраняват заедно в компютърната памет

В същото време както данните, така и програмните команди имат еднакъв начин на записване в двоичната бройна система, така че в определени ситуации е възможно да се извършват същите действия върху тях, както върху данните.

Последствия

В допълнение, архитектурата на машината Fonneyman има следните характеристики:

1. Клетките с памет имат адреси, които са номерирани последователно

Благодарение на прилагането на този принцип стана възможно използването на променливи в програмирането. По-специално, по всяко време можете да получите достъп до определена клетка от паметта чрез нейния адрес.

2. Възможност за условен скок по време на изпълнение на програмата

Както вече споменахме, командите в програмите трябва да се изпълняват последователно. Въпреки това е възможно да преминете към всеки раздел от кода.

Как работи машината на фон Нойман?

Такъв математически модел се състои от устройство за съхранение (памет), управление и входни и изходни устройства. Всички програмни команди се записват в клетки от паметта, разположени наблизо, а данните за обработката им са в произволни клетки.

Всеки екип трябва да се състои от:

индикации каква операция трябва да се извърши;
адреси на клетки от паметта, в които се съхраняват изходните данни, засегнати от определената операция;
адреси на клетки, в които да се запише резултата.

Операциите, определени от командите върху конкретни изходни данни, се извършват от ALU и резултатите се записват в клетките на паметта, т.е. те се съхраняват във форма, удобна за последваща машинна обработка, или се предават на изходно устройство (монитор, принтер, и т.н.) и стават достъпни за хората.

Блокът за управление контролира всички части на компютъра. От него други устройства получават сигнали-заповеди „какво да се прави“, а от други устройства получава информация в какво състояние се намират.

Контролното устройство има специален регистър, наречен „програмен брояч“ SK. След зареждане на изходните данни и програмата в паметта, адресът на нейната първа команда се записва в CS. Блокът за управление прочита от паметта на компютъра съдържанието на клетката, чийто адрес е в IC и го поставя в „Команден регистър”. Устройството за управление определя операцията, съответстваща на конкретна команда, и „маркира“ в паметта на компютъра данните, чиито адреси са посочени в нея. След това ALU или компютърът започва да изпълнява операция, след завършване на която съдържанието на CS се променя с единица, т.е. сочи към следващата команда.

Критика

Недостатъците и настоящите перспективи продължават да бъдат предмет на дебат. Фактът, че машините, създадени на принципите, представени от този изключителен учен, не са съвършени, беше забелязан много отдавна.

Ето защо в изпитните работи по компютърни науки често можете да намерите въпроса „на какъв принцип не отговаря архитектурата на фон Нойман и какви недостатъци има?“

Когато отговаряте на втората част, не забравяйте да посочите:

за наличието на семантична празнина между езиците за програмиране на високо ниво и командните системи;
относно проблема за съвпадение на пропускателната способност на ОП и процесора;
до възникващата софтуерна криза, причинена от факта, че разходите за неговото създаване са много по-ниски от разходите за разработка на хардуер и няма възможност за пълно тестване на програмата;
безперспективност по отношение на производителността, тъй като теоретичната му граница вече е достигната.

Що се отнася до това на кой принцип не отговаря архитектурата на Фон Нойман, говорим за паралелната организация на голям брой потоци от данни и команди, характерна за многопроцесорната архитектура.

Заключение

Сега знаете на кой принцип не отговаря архитектурата на Фон Нойман. Очевидно е, че науката и технологиите не стоят неподвижни и може би съвсем скоро във всеки дом ще се появи напълно нов тип компютър, благодарение на който човечеството ще достигне ново ниво на развитие. Между другото, програмата за обучение „Архитектура на Фон Нойман“ ще ви помогне да се подготвите за изпита. Такива цифрови образователни ресурси улесняват усвояването на материала и дават възможност да оцените знанията си.