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

8529. Державний лад. Форми правління. Урок 53.61 KB
  Тема уроку. Державний лад. Форми правління. Мета уроку: ознайомити учнів з основними аспектами питання про державний лад та форми правління розвивати в учнів здатність застосовувати отримані знання на практиці виховувати в ліцеїстів...
8530. Початок Української революції. Утворення Центральної Ради 58 KB
  Початок Української революції. Утворення Центральної Ради. Мета: зясувати причини, мету, програму діяльності Центральної ради, розглянути перший етап Української революції та його особливості, розвивати навички аналізу історичних фактів, вмін...
8532. Философия науки неопозитивизма: основные концепции 23.06 KB
  Философия науки неопозитивизма: основные концепции Третий этап позитивизма: неопозитивизм. (40-е гг. 20 в.) Основные представители: Шлик, Нейрат, Карнар, Айер. Главная задача философии неопозитивизма - это анализ языка науки, поэтому этот этап ...
8533. Постпозитивизм. проблема демаркации эмпирических и теоретических наук 19.63 KB
  Постпозитивизм. проблема демаркации эмпирических и теоретических наук Позитивизм - направление в науке и философии, исходящее из позитивного, т. е. из данного, устойчивого, фактического, несомненного, и ограничивает им свое изложение и исслед...
8534. Бытие как философская категория: основные формы и диалектика бытия 21.33 KB
  Бытие как философская категория: основные формы и диалектика бытия Бытие —- это философская категория, обозначающая независимое от сознания существование объективной реальности - космоса, природы, человека. Впервые понятие...
8535. История развития философского понятия материя 20.26 KB
  История развития философского понятия материя Уже в древности философы пытались представить видимое многообразие вещей как проявление видимого начала. Это общее, несотворимая и неуничтожимая основа всех вещей получила название субстанции. Формирован...
8536. Движение как коренное свойство материи 14.71 KB
  Движение как коренное свойство материи Материя обладает неотъемлемыми свойствами - атрибутами, главными из которых являются движение, пространственно временная определенность и отражение. Структурность материи, существование в ней определенного типа...
8537. Пространство и время как форма существования материи 19.78 KB
  Пространство и время как форма существования материи Пространство - это объективная форма существования материи, которая характеризует взаимное расположение материальных объектов способность их занимать определенный об и иметь определенную форму, с...