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

58 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

293. Гиперссылки и управляющие кнопки. Создание презентации Проверь себя 580.5 KB
  Анимированные эффекты перехода смены слайдов по щелчку мыши. Создание презентации Проверь себя. Дополнение ее слайдами с гиперсылками в виде текста и картинок. Настройка навигации программы для создания презентаций.
294. Характеристика эксплуатации газодобывающего предприятия Чайковское ЛПУ МГ 1.48 MB
  Должностная инструкция инженера по эксплуатации оборудования газовых объектов. Фотография рабочего дня инженера по эксплуатации оборудования газовых объектов. План-график проведения ППР основного и вспомогательного оборудования.
295. Проектирование композитных трёхмерных объектов, сцен и разработка приложения интерактивной компьютерной графики 566.5 KB
  Описание алгоритма и исходного кода программы проектирования композитной трехмерной сцены (замок) и разработки приложения интерактивной компьютерной графики. Разработана и отлажена программа, реализующая представленные алгоритмы на языке С++ с использованием библиотеки OpenGL.
296. Технология производства сгущенного молока 1.72 MB
  Технологический процесс производства сгущенного молока как объекта управления. Текущее состояние производства сгущеных молочных продуктов в целом и тенденции его развития. Характеристика технологических процессов и оборудования.
297. Комплексная лаборатория исследований внеземных территорий 631 KB
  Моделирование фигур и полей малых тел солнечной системы. Обработка изображений, полученных с космических аппаратов в различных спектральных диапазонах. Моделирование поверхностей небесных тел и определение мест посадок космических аппаратов Фобос-Грунт. Создание тематических карт поверхностей небесных тел.
298. Система управления крупными промышленными предприятиями на примере ОАО НЛМК 187 KB
  Материнская компания как организационно-экономический центр управления. Характеристика управления деятельностью ОАО НЛМК. Организация управления в американских, западноевропейских и японских фирмах.
299. β-радиометрия объектов окружающей среды: определение содержания стронция 90 и калия 40 66.5 KB
  В ходе лабораторной работы я изучил взаимодействие β -частиц с веществом, способы защиты от β - излучения, принцип действия β -радиометра, методику приготовления проб для проведения измерений β –излучения радионуклидов.
300. Проектное предложение по реконструкции жилого района Арбеково 55.5 KB
  Сохранение ландшафтно-пространственного зонирования существующей территории. Обеспечение удобных пешеходных связей между новым строительством и уже существующими на данной территории. Освоение свободных территорий под жилую застройку, зданий и сооружений общественного назначения.
301. Ознакомление школьников с культурными особенностями страны изучаемого языка при работе с иллюстративным материалом 162.5 KB
  Иллюстрации на уроках лингвострановедения. Формирования лингвострановедческой компетенции школьников на занятиях по немецкому языку. Методические пошаговые действия при работе с иллюстрациями.