64553

Понятие архитектуры вычислительной системы

Доклад

Информатика, кибернетика и программирование

В общем случае когда говорят об архитектуре фон Неймана подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных. В настоящее время фоннеймановской архитектурой называется организация ЭВМ при которой вычислительная машина состоит из...

Русский

2014-07-08

50.86 KB

21 чел.

Понятие архитектуры вычислительной системы

 Вычислительная машина – это комплекс технических и программных средств, предназначенных для автоматизации подготовки и решения задач пользователя.

 Вычислительная система – это совокупность взаимосвязанных и взаимосоединенных процессоров или вычислительных машин, периферийного оборудования и программного обеспечения для решения задач пользователя.

 Основной отличительной чертой вычислительных систем является наличие в них средств, реализующих параллельную обработку за счет построения параллельных ветвей вычисления, что как правило не предусматривается в вычислительных машинах.

 Очевидно, что различия между вычислительными машинами и вычислительными системами не могут быть точно определены (вычислительные машины даже с одним процессором обладает разными средствами распараллеливания, а вычислительные системы могут состоять из традиционных вычислительных машин или процессоров).

 Архитектура ВС – совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально-логичную и структурно-организованную систему и затрагивающих в основном уровень параллельно работающих вычислителей. Понятие архитектуры охватывает общие принципы построения и функционирования, наиболее существенные для пользователя.

Архитектура фон Неймана

Архитектура фон Неймана — широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана», однако, соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.

Наличие заданного набора исполняемых команд и программ было характерной чертой первых компьютерных систем. Сегодня подобный дизайн применяют с целью упрощения конструкции вычислительного устройства. Так, настольные калькуляторы, в принципе, являются устройствами с фиксированным набором выполняемых программ. Их можно использовать для математических расчётов, но невозможно применить для обработки текста и компьютерных игр, для просмотра графических изображений или видео. Изменение встроенной программы для такого рода устройств требует практически полной их переделки, и в большинстве случаев невозможно. Впрочем, перепрограммирование ранних компьютерных систем всё-таки выполнялось, однако требовало огромного объёма ручной работы по подготовке новой документации, перекоммутации и перестройки блоков и устройств и т. п. Всё изменила идея хранения компьютерных программ в общей памяти. Ко времени её появления использование архитектур, основанных на наборах исполняемых инструкций, и представление вычислительного процесса как процесса выполнения инструкций, записанных в программе, чрезвычайно увеличило гибкость вычислительных систем в плане обработки данных. Один и тот же подход к рассмотрению данных и инструкций сделал лёгкой задачу изменения самих программ.

В настоящее время фон-неймановской архитектурой называется организация ЭВМ, при которой вычислительная машина состоит из двух основных частей — линейно-адресуемой памяти, слова которой хранят команды и элементы данных, и процессора, выполняющего эти команды. В основе модели вычислений фон Неймана лежат принцип последовательной передачи управления (счётчик команд) и концепция переменной (идентификатор).

Принципы фон Неймана

В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В последствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальны и сегодня.

По сути, Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципиально новое.

1. Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах. Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.

2. Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.

3. Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.

4. Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.

5. Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.

Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.

Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было хранимой в памяти программы) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) мог потребоваться далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться годы, однако они работают на миллионах компьютеров после несколько минутной установки на жесткий диск.

В основу построения большинства ЭВМ положены принципы, сформулированные в 1945 г. Джоном фон Нейманом:

1. Принцип программного управления (прога состоит из набора команд, кот. выполняются процессором автоматически друг за другом в заданной послед-ти).

2. Принцип однородности памяти (проги и данные хранятся в одной и той же памяти; над командами м. выполнять такие же действия, как и над данными).

3. Принцип адресности (основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек).

ЭВМ, построенные на этих принципах, имеют классич архитектуру (архитектуру фон Неймана).

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

10699. Україна в огні - Довженко Олександр 14.55 KB
  Україна в огні Довженко Олександр Умовно твір поділяється на три частини. Перша відступ Червоної Армії друга німецька окупація та партизанський рух третя наступ. Починається кіноповість досить мирною картиною: родина колгоспника Запорожця батько Лаврін мат
10700. Зачарована Десна - Довженко Олександр - Кіноповість 14.81 KB
  Зачарована Десна Довженко Олександр Кіноповість Зачарована Десна не має чіткого сюжету. Вона складається з окремих спогадів що нагадують новели які розповідають про буденне життя людей хліборобів про їхню важку і важливу працю. На початку твору автор зазначає що...
10701. Момент (Із оповідань тюремної Шехерезади) - Винниченко Володимир 15.27 KB
  Момент Із оповідань тюремної Шехерезади Винниченко Володимир Було це навесні. Герой оповідач їхав зі своїм другом контрабандистом до кордону. Йому треба було обовязково перейти кордон ні дожидаючи ночі. Семен людина серйозна сказав що це неможливо можуть убити. ...
10702. Подвійне коло (за романом Ю. І. Яновського Вершники) 14.65 KB
  Подвійне коло за романом Ю. І. Яновського Вершники Ідейний смисл назви новели Подвійне коло за романом Ю. І. Яновського Вершники Подвійне коло це назва першої новели роману Ю. Яновського Вершники. Трагічні події описані в ній: п'ять братів Половців зустрічаються
10703. Тигролови - Багряний Іван. Твір до ЗНО 20.01 KB
  Тигролови Багряний Іван Дихаючи полум’ям і димом летів на схід дракон. У вагонах коробках він віз тисячі людей на каторгу. Інколи спецешелон зупинявся і тоді сам начальник поїзда біг і перевіряв чи на місці арештований Григорій Многогрішний. Коли приїхали на місце д...
10704. Хвильовий Микола. Я (Романтика) Цвітові яблуні 19.09 KB
  Я Романтика Хвильовий Микола Цвітові яблуні З далекого туману з тихих озер загірної комуни шелестить шелест: то йде Марія. Я виходжу на безгранні поля проходжу перевали і там де жевріють кургани похиляюсь на самотню пустельну скелю. Я дивлюсь в даль. Тоді дума за
10705. Сом - Вишня Остап 15.88 KB
  Сом Вишня Остап За славним містом Енськом на Харківщині тече річка Оскіл що впадає у Північний Донець. її заплава розбивається на кілька рукавів зарослих густими очеретами верболозом соковитою травою. І скрізь силасиленна озеречок вкритих густою зеленою ряскою..
10706. Мина Мазайло - Куліш Микола - Комедія 17.74 KB
  Мина Мазайло Куліш Микола Комедія Перша дія 1 Розмова Рини Мазайло з її подругою Улею з якої з’ясовується що у родині Мазайла відбуваються сварки через сторичне питання. Мокій Мазайло дуже захоплюється українською мовою і хоче переробити своє прізвище на МазайлоКв...
10707. Лісова пісня - Українка Леся - Драма-феєрія в 3-х діях 16.09 KB
  Лісова пісня Українка Леся Драмафеєрія в 3х діях Пролог Старий ліс на Волині дика і таємнича місцина. Початок весни. З лісу вибігає Той що греблі рве. Вік перемовляється з потерчатами та Русалкою яка нагадує йому про своє кохання дорікає зрадою. Водяник сварить Рус...