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

77 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

83250. Влияние экологии на население Криворожья 14.4 KB
  Население Криворожья пытается бороться с негативными последствиями деятельности предприятий; происходит реконструкция канализационных очистных сооружений строительство напорных трубопроводов защита от подтопления скоростного трамвая мероприятия по озеленению и уборке террритории города.
83251. Классификация жилых домов по градостроительной ситуации, виды жилой застройки 29.65 KB
  Периметральная застройка составляется из протяженных жилых домов любого типа: многосекционных коридорных галерейных блокированных рис. Однако периметральная застройка может охватывать и участок значительного размера.
83252. Изготовление бумажных денег 16.55 KB
  Затраты на производство бумажных денег велики и они могут быть снижены если купюры будут дольше обращаться не теряя своего первоначального внешнего вида. Очень важно чтобы на протяжении всего времени обращения бумажных денег была обеспечена их идентичность.
83253. Ферменты и их значение 44 KB
  Многие ферменты находятся в клетке в свободном состоянии будучи просто растворены в цитоплазме; другие связаны со сложными высокоорганизованными структурами. Есть и ферменты в норме находящиеся вне клетки; так ферменты катализирующие расщепление крахмала и белков секретируются поджелудочной...
83254. Личностные профессионально значимые качества педагога 34.95 KB
  Социально-нравственная профессионально-педагогическая и познавательная направленность занимает ведущее место в структуре личности педагога. В структуре личности педагога особая роль принадлежит профессионально-педагогической направленности.
83255. Государство и бизнес: этика отношений (мировой и российский опыт) 17.91 KB
  Одна из них основывается на классической либеральной трактовке государства и его экономической политики отстаивает идею невмешательства государства и общества в дела бизнеса. Согласно этой точки зрения государство предоставляя бизнесу максимальную свободу действий в конечном счете выигрывает поскольку...
83256. Конструктивные особенности тормозной системы автомобиля Audi A7 101.18 KB
  Запасная система служит для остановки автомобиля при выходе из строя рабочей тормозной системы. Ею в основном пользуются для удержания стоящего автомобиля но можно применять и в качестве аварийной при выходе из строя рабочей тормозной системы.
83257. Фондовый ранок как составляющая денежного рынка 21.35 KB
  Одним из них является финансовый рынок. Финансовый рынок это рынок который опосредует распределение денежных средств между участниками экономических отношений. Одним из сегментов финансового рынка выступает рынок ценных бумаг или фондовый рынок.
83258. Малый бизнес в России 25.5 KB
  Малый бизнес отличается динамичностью и гибкостью и может регулярно осуществлять структурные изменения в том числе номенклатурные поскольку небольшие предприятия сравнительно легко создать и уничтожить.