10114

Принципы фон Неймана

Доклад

Информатика, кибернетика и программирование

Принципы фон Неймана Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Он подключился к созданию первой в мире ламповой ЭВМ ENIAC в 1944 г. когда ее конструкция была уже выбрана. В процессе работы во время многоч

Русский

2013-03-21

91.76 KB

73 чел.

Принципы фон Неймана

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

В статье убедительно обосновывается использование двоичной системы для представления чисел (нелишне напомнить, что ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде). Авторы убедительно продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации – текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.

Еще одной поистине революционной идеей, значение которой трудно переоценить, является предложенный Нейманом принцип “хранимой программы”. Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например, для изменения программы машины ENIAC требовалось несколько дней (в то время как собственно расчет не мог продолжаться более нескольких минут – выходили из строя лампы). Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.

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

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

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

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

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

Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название “фон-неймановской архитектуры”. Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день – фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины).

По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы

.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

21502. ИНФУЗИОННО-ТРАНСФУЗИОННАЯ ТЕРАПИЯ ПРИ КРИТИЧЕС 24.5 KB
  Влияние инфузионной терапии на организм. Методы и техника проведения инфузионной терапии. Техническое обеспечение инфузионной терапии. Осложнения инфузионной терапии.
21503. Инфузионно-трансфузионная терапия при критических состояниях 136 KB
  Ее развитие определялось прежде всего уровнем научных разработок по изучению электролитного состава крови для поддержания ионного равновесия плазмы придания ей коллоидных и питательных свойств и создания в конечном итоге оптимальных по составу кровезамещающих растворов пригодных для терапии тех или иных заболеваний. Поэтому в это время появляются ряд новых препаратов созданных на основе солевых растворов с добавлением гомогенной или обработанной физическими или химическими методами гетерогенной плазмы крови жидкость Петрова сыворотка...
21504. Коррекция нарушений водно-солевого обмена 263 KB
  Скорость внутривенного введения К не более 20 ммоль ч 1 г КCl соответствует 136 ммоль К; при более быстром введении возникает опасность остановки сердца. Концентрация Na в плазме крови становится выше 147 ммоль л точно отражает дефицит свободной воды.массу тела кг 142 где сNaпл концентрация Na в плазме крови больного ммоль л; 142 концентрация Na в плазме крови ммоль л в норме; 06 60 содержание всей воды в организме по отношению к массе телал. Изотоническая дегидратация означает истинный дефицит Na в организме так как...
21505. ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ И МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ АППАРАТОВ ИСКУССТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ЛЕГКИХ И ИНГАЛЯЦИОННОГО НАРКОЗА 183 KB
  ЦЕЛЕВОЕ НАЗНАЧЕНИЕ ЛЕКЦИИ: представить данные свидетельствующие значимость проблемы инженернотехнического и метрологического обеспечения средств измерений аппаратов ИВЛ ИН; ознакомить слушателей с необходимостью срочного решения проблемы в лечебных учреждениях; представить основные пути совершенствования инженернотехнического и метрологического обеспечения средств измерений аппаратов ИВЛ ИН; ознакомить с протоколом действий €œМетрологической проверки средств измерений аппаратов ИВЛ ИН. Состояние инженернотехнического и...
21506. Структурно-функциональные связи легких, воздухоносных путей и паренхимы легких 226 KB
  Структурнофункциональные связи легких воздухоносных путей и паренхимы легких 1.1 Структура воздухоносных путей паренхимы легких Механика дыхания Распределение вентиляции 2. Легочное кровообращение и его отношение к вентиляции Легочное кровообращение Вентиляционноперфузионные отношения Обмен газов и их транспорт Обмен газов в легких Транспорт газов к периферическим тканям и в обратном направлении Регуляция дыхания Основная функция легких обмен газов: поглощение кислорода из окружающей среды удаление из организма двуокиси кислорода....
21507. РЕСПИРАТОРНЫЙ ДИСТРЕСС-СИНДРОМ ВЗРОСЛЫХ 366 KB
  Этиология РДСВ.Petti описал РДСВ ARDSкак синдром острой дыхательной недостаточности характеризуемой некардиогенным отеком легких с тяжелой гипоксемией вызываемой интрапульмональным шунтированием справа налево с вторичным ателектазированием и заполнением воздушного пространства отечной жидкостью. О распостранености РДСВ дают представления следующие данные: в США частота распостранения РДСВ составляет 06 1000при этом летальность на 150000 случаев РДСВ приблизительно равна 5060 в то же время WebsterCohen и...
21508. Деполяризующий и недеполяризующий блок 41 KB
  Механизм действия Деполяризующие миорелаксанты по структуре напоминающие ацетилхолин взаимодействуют с нхолинорецепторами и вызывают потенциал действия мышечной клетки. Однако в отличие от ацетилхолина деполяризующие миорелаксанты не гидролизуются ацетилхолинэстеразой и их концентрация в синаптической щели достаточно долго не снижается что вызывает длительную деполяризацию конечной пластинки. Деполяризующие и недеполяризующие миорелаксанты Деполяризующие миорелаксанты Недеполяризующие миорелаксанты Короткого действия Длительного...
21509. МИОРЕЛАКСАНТЫ, ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В АНЕСТЕЗИОЛОГИИ И РЕАНИМАТОЛОГИИ 186 KB
  Классификация миорелаксантов по химической структуре Дериваты изохинолина Дериваты стероидов Другие препараты Атракурий Доксакурий Метокурий Мивакурий Тубокурарин Панкуроний Пипекуроний Рокуроний Векуроний Галламин Сукцинилхолин По механизму действия миорелаксанты подразделяют на 2 класса: деполяризующие и недеполяризующие. Таблица 2 Классификация миорелаксантов по механизму и длительности действия Деполяризующие Недеполяризующие Короткого действия сукцинилхолин дитилин декаметоний мивакурий мивакрон Средней продолжительности атракурий...
21510. НОВЫЕ ФАРМАКОЛОГИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПРИ ОКАЗАНИИ АНЕСТЕЗИОЛОГИЧЕСКОЙ ПОМОЩИ 117 KB
  ФАРМАКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ КЛИНИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ КЛОФЕЛИНА В АНЕСТЕЗИОЛОГИИ Клофелин клонидин синтезирован в 1962 г. Фармакологические эффекты клофелина: как агонист постсинаптических Ф2АР в ЦНС вызывает гипотензию брадикардию аналгезию седативный эффект способствует высвобождению гормонов роста. Периферическое действие клофелина проявляется в усилнии сокращений гладких мышц агрегации тромбоцитов липолизу угнетению секреции ринина и инсулина. При приеме внутрь абсорбция клофелина составляет практически 100.