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

78 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

36263. Хранение информации. Структура базовой информационной технологии 130 KB
  Хранение информации данных не является самостоятельной фазой в информационном процессе а входит в состав фазы обработки. Различают структурированные данные в которых отражаются отдельные факты предметной области это основная форма представления данных в СУБД и неструктурированные произвольные по форме включающие и тексты и графику и прочие данные. Эта форма представления данных широко используется например в Интернеттехнологиях а сами данные предоставляются пользователю в виде отклика поисковыми системами. Организация того или...
36264. Информационные технологии поиска информации 274.5 KB
  Информационные технологии поиска информации Поиск информации: основные понятия виды и формы организации Поиск информации или информационный поиск представляет один из основных информационных процессов. Цели возможности и характер поиска всегда зависели от наличия информации её важности и доступности а также средств организации поиска. Цель любого поиска заключается в потребности необходимости или желании находить различные виды информации способствующие получению лицом осуществляющим поиск нужных ему сведений знаний и т. Это...
36265. Интерфейсы ИПС. Особенности ИПС глобальных сетей. Поиск в Internet 142.5 KB
  Глобальные поисковые системы в отличие от локальных стремятся объять необъятное по возможности наиболее полно описать ресурсы всего информационного пространства сети Интернет. Следует отметить что поисковые системы WWW весьма оперативно индексируют группы новостей и содержат информацию о статьях реально существующих в сети. Локальные и глобальные сети Internet В зависимости от удаленности компьютеров сети условно разделяют на локальные и глобальные. Произвольная глобальная сеть может включать другие глобальные сети локальные сети а также...
36266. Технологии обработки информации. Распределенная обработка информации. Системы централизованной обработки информации 43 KB
  Технологии обработки информации. Системы централизованной обработки информации. Информационная технология обработки данных предназначена для решения хорошо структурированных задач по которым имеются необходимые входные данные и известны алгоритмы и другие стандартные процедуры их обработки. Режим реализации технологии зависит от объемновременных особенностей решаемых задач: периодичности и срочности требований к быстроте обработки сообщений а также от режимных возможностей технических средств и в первую очередь ЭВМ.
36267. Системы распределенной обработки информации 99 KB
  Возможность взаимодействия вычислительных систем при реализации распределенной обработки информации определяют как их способность к совместному использованию данных или к совместной работе с использованием стандартных интерфейсов. Распределённые системы обработки данных В современных сетевых информационных технологиях всё чаще используют распределённую обработку данных. Под распределённой обработкой данных понимают обработку приложений несколькими территориально разделёнными ЭВМ. При этом в приложениях связанных с обработкой базы данных...
36270. Система, её характеристика. Теоретико-множественное представление. Механизмы формирования взаимодействия элементов системы 73 KB
  Механизмы формирования взаимодействия элементов системы. Свойства системы: Целостность и членимость: Систему S всегда можно расчленить на элементы подсистемы 1го уровня которые в свою очередь можно разделить на элементы 2го уровня и т. Организация системы это упорядочение структурирование элементов и связей системы в пространстве и времени. иерархическая сетевая кольцевая...
36271. Количественные и качественные методы описания систем 58.5 KB
  Методы описания систем классифицируются в порядке возрастания формализованности от качественных методов до количественного систематизирования. Между этими крайними классами методов имеются методы которые стремятся охватить оба этапа среди них: кибернетический подход к разработке адаптивных систем управления проектирования принятия решений информационный подход моделирования систем системно структурный подход метод ситуационного моделирования и метод имитационного динамического моделирования. Качественные методы описания...