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.
Видео:Базовые принципы архитектуры фон НейманаСкачать
Принципы фон Неймана
В 1946 году трое учёных [1] [2] — Артур Бёркс (англ. Arthur Burks ), Герман Голдстайн и Джон фон Нейман — опубликовали статью «Предварительное рассмотрение логического конструирования электронного вычислительного устройства» [3] [4] . В статье обосновывалось использование двоичной системы для представления данных в ЭВМ (преимущественно для технической реализации, простота выполнения арифметических и логических операций — до этого машины хранили данные в десятичном виде [5] ), выдвигалась идея использования общей памяти для программы и данных. Имя фон Неймана было достаточно широко известно в науке того времени, что отодвинуло на второй план его соавторов, и данные идеи получили название «принципы фон Неймана».
Принцип однородности памяти Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Принцип адресуемости памяти Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к хранящимся в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен. Принцип последовательного программного управления Предполагает, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Принцип жесткости архитектуры Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.
Так же в некоторых источниках [каких?] указывается принцип двоичного кодирования, но существовали машины работающие с троичным и с десятичным кодом.
Видео:Принципы фон НейманаСкачать
Компьютеры, построенные на принципах фон Неймана
В середине 1940-х проект компьютера, хранящего свои программы в общей памяти, был разработан в Школе электрических разработок Мура (англ. Moore School of Electrical Engineering ) в Университете штата Пенсильвания. Подход, описанный в этом документе, стал известен как архитектура фон Неймана, по имени единственного из названных авторов проекта Джона фон Неймана, хотя на самом деле авторство проекта было коллективным. Архитектура фон Неймана решала проблемы, свойственные компьютеру ENIAC, который создавался в то время, за счёт хранения программы компьютера в его собственной памяти. Информация о проекте стала доступна другим исследователям вскоре после того, как в 1946 году было объявлено о создании ENIAC. По плану предполагалось осуществить проект силами Муровской школы в машине EDVAC, однако до 1951 года EDVAC не был запущен из-за технических трудностей в создании надёжной компьютерной памяти и разногласий в группе разработчиков. Другие научно-исследовательские институты, получившие копии проекта, сумели решить эти проблемы гораздо раньше группы разработчиков из Муровской школы и реализовали их в собственных компьютерных системах. Первыми семью компьютерами, в которых были реализованы основные особенности архитектуры фон Неймана, были:
- прототип — Манчестерская малая экспериментальная машина — Манчестерский университет, Великобритания, 21 июня 1948 года;
- EDSAC — Кембриджский университет, Великобритания, 6 мая 1949 года;
- Манчестерский Марк I — Манчестерский университет, Великобритания, 1949 год;
- BINAC — США, апрель или август 1949 года;
- CSIR Mk 1 — Австралия, ноябрь 1949 года;
- SEAC — США, 9 мая 1950 года
- EDVAC — США, август 1949 года — фактически запущен в 1951 году;
Читайте также: Подбор шин для лады гранты
Видео:22 Гарвардская архитектураСкачать
Узкое место архитектуры фон Неймана
Совместное использование шины для памяти программ и памяти данных приводит к узкому месту архитектуры фон Неймана, а именно ограничению пропускной способности между процессором и памятью по сравнению с объёмом памяти. Из-за того, что память программ и память данных не могут быть доступны в одно и то же время, пропускная способность является значительно меньшей, чем скорость, с которой процессор может работать. Это серьезно ограничивает эффективное быстродействие при использовании процессоров, необходимых для выполнения минимальной обработки на больших объёмах данных. Процессор постоянно вынужден ждать необходимых данных, которые будут переданы в память или из памяти. Так как скорость процессора и объём памяти увеличивались гораздо быстрее, чем пропускная способность между ними, узкое место стало большой проблемой, серьезность которой возрастает с каждым новым поколением процессоров [источник не указан 68 дней] .
Видео:Архитектура ФОН Неймана и Человек на ИЗЗИСкачать
Архитектура фон Неймана. Шины компьютера. Порты компьютера.
Описание компьютера на некотором общем уровне называется его архитектурой. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативной памяти, внешних запоминающих и периферийных устройств. Различают однопроцессорную и многопроцессорную архитектуры компьютера.
В 1941 г. Джон фон Нейман изложил принципы работы и обосновал принципиальную схему компьютера с классической однопроцессорной архитектурой, в соответствии с которой компьютер должен иметь следующие устройства:
· арифметическо-логической устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции (Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов);
· устройство управления (УУ), организующее процесс выполнения программы (Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности);
· запоминающее устройство (оперативная память (ОП)) для хранения программ и данных (Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными);
· внешнее устройство (ВУ) для ввода и вывода информации.
Принципиальная схема компьютера с классической архитектурой приведена на рис.2.1.
Рис.1 Принципиальная схема компьютера с классической архитектурой:
у правляющие связи
и нформационные связи
К однопроцессорной архитектуре относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной (рис.2). Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью, или системной шиной.
Основа компьютера — процессор, в нем расположены АЛУ и УУ. АЛУ осуществляет непосредственную обработку данных, а УУ координирует взаимодействие различных частей компьютера. В запоминающем устройстве (памяти) в закодированном виде хранится информация (та, которая вводится в компьютер, и та, которая возникает в процессе работы). Компьютер имеет внешнее запоминающее устройство (внешнюю память).
В процессе работы процессор и память взаимодействуют между собой, но процессор, кроме того, организует работу остальных устройств компьютера: клавиатуры, дисплея, дисководов и т.д. Эти устройства осуществляют связь компьютера с внешним миром, поэтому называются внешними.
Процессор, выполняя определенную программу, координирует работу внешних устройств, посылая им и принимая от них информацию. Информация при этом передается в виде электрических импульсов двух видов — низкого и высокого напряжения. Тем самым информация в компьютере кодируется двумя символами: 0 и 1.
Читайте также: Toyo модельный ряд летние шины
Процессор связан с внешними устройствами через магистраль (системную шину). По сути, это пучок проводов. К шине параллельно подсоединены все внешние устройства, как к телефонному кабелю. Обращение процессора к внешнему устройству похоже на вызов абонента по телефону. Все устройствапронумерованы. Когда нужно обратиться к внешнему устройству, в шину посылается его номер.
Каждое внешнее устройство снабжено специальным приемником сигналов — контроллером. Контроллер играет роль телефонного аппарата — он принимает сигнал от процессора и дешифрует его.
Процессор подает команду, но ему безразлично, как она будет выполняться, поскольку за это отвечает контроллер соответствующего внешнего устройства. Поэтому при наличии соответствующих контроллеров одни внешние устройства можно заменять на другие.
В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип построения.
Персональный компьютер напоминает обыкновенный конструктор. Схемы, управляющие всеми устройствами (монитором, дисками, принтером, модемом и т.д.), реализованы на отдельных платах, которые вставляются в слоты — стандартные разъемы системной платы. Весь компьютер питается от единого блока питания. Этот принцип, названный принципом открытой архитектуры, наряду с другими достоинствами обеспечил большой спрос на персональные компьютеры.
 | 1. Монитор 2. Материнская плата 3. Процессор 4. IDE-слот 5. Оперативная память 6. Платы расширения (видео, звуковая…) 7. Блок питания 8. Привод для дисков (CD/ DVD) 9. Винчестер 10. Клавиатура 11. Мышь |
Рис. 3. Расположение основных устройств, входящих в состав ПК.
Видео:Как работает компьютер? Шины адреса, управления и данных. Дешифрация. Взгляд изнутри!Скачать
Архитектура ЭВМ и принципы фон Неймана
Архитектура ЭВМ и принципы фон Неймана
Термин «архитектура» используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных логических узлов ЭВМ. Архитектура – это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из которых строится ЭВМ.
Основы учения об архитектуре ЭВМ заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Первая ЭВМ «Эниак» была создана в США в 1946 г. В группу создателей входил фон Нейман, который и предложил основные принципы построения ЭВМ: переход к двоичной системе счисления для представления информации и принцип хранимой программы.
Программу вычислений предлагалось помещать в запоминающем устройстве ЭВМ, что обеспечивало бы автоматический режим выполнения команд и, как следствие, увеличение быстродействия ЭВМ. (Напомним, что ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде, а программы задавались путём установки перемычек на специальной коммутационной панели.) Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причём в той же памяти, что и обрабатываемые ею числа.
Основные принципы построения ЭВМ:
1. Любую ЭВМ образуют три основных компонента: процессор, память и устр. ввода-вывода (УВВ).
2. Информация, с которой работает ЭВМ, делится на два типа:
- набор команд по обработке (программы); данные подлежащие обработке.
3. И команды, и данные вводятся в память (ОЗУ) – принцип хранимой программы.
4. Руководит обработкой процессор, устройство управления (УУ) которого выбирает команды из ОЗУ и организует их выполнение, а арифметико-логическое устройство (АЛУ) проводит арифметические и логические операции над данными.
5. С процессором и ОЗУ связаны устройства ввода-вывода (УВВ).
Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ.
Внешнее запоминающее устройство (ВЗУ)
Рис. 1. Архитектура ЭВМ Конец формы,
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)
— направление потоков информации; — направление управляющих сигналов от процессора к остальным узлам ЭВМ
Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название «фон Неймановской архитектуры». Подавляющее большинство ВМ на сегодняшний день – фон-неймановские машины.
Появление третьего поколения ЭВМ было обусловлено переходом от транзисторов к интегральным микросхемам, что привело к росту быстродействия процессора. Теперь процессор был вынужден простаивать, ожидая информации от более медленных устройств ввода-вывода, и это снижало эффективность работы всей ЭВМ в целом. Для решения этой проблемы были созданы специальные схемы управления работой внешних устройств, или просто контроллеры.
Архитектура современных персональных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе. Информационная связь между устройствами компьютера осуществляется через системную шину (другое название — системная магистраль).
Читайте также: Michelin шины в смоленске
Шина — это кабель, состоящий из множества проводников. По одной группе проводников — шине данных передаётся обрабатываемая информация, по другой — шине адреса — адреса памяти или внешних устройств, к которым обращается процессор. Третья часть магистрали — шина управления, по ней передаются управляющие сигналы (например, сигнал готовности устройства к работе, сигнал к началу работы устройства и др).
Как работает системная шина? Мы уже говорили, что единичные и нулевые биты существуют только в головах программистов. Для процессора реальны только напряжения на его контактах. Каждый контакт соответствует одному биту, и процессору нужно различать только две градации напряжения: есть-нет, высокое-низкое. Поэтому адрес для процессора – это последовательность напряжений на специальных контактах, называемых шиной адреса. Можно представить себе, то после того, как на контактах шины адреса выставляются напряжения, на контактах шины данных появляются напряжения, кодирующие хранящееся по указанному адресу число. Эта картина очень грубая, потому что для извлечения данных из памяти необходимо время. Чтобы не запутаться, работой процессора управляет специальный тактовый генератор. Он вырабатывает импульсы, которые делят работу процессора на отдельные шажки. Единицей времени процессора служит один такт, т. е. промежуток между двумя импульсами тактового генератора.
Напряжения, появляющиеся на шине адреса процессора, называются физическим адресом. В реальном режиме процессор работает только с физическими адресами. Наоборот, защищённый режим процессора интересен тем, что программа работает с логическими адресами, а процессор незримо преобразует их в физические. Система Windows использует защищённый режим работы процессора. Современные ОС и программы требуют столько памяти, что защищённый режим работы процессора стал гораздо «реальнее» его реального режима.
Системная шина характеризуется тактовой частотой и разрядностью. Количество одновременно передаваемых по шине бит называется разрядностью шины. Тактовая частота характеризует число элементарных операций по передаче данных в 1 секунду. Разрядность шины измеряется в битах, тактовая частота – в мегагерцах.
Всякая информация, передаваемая от процессора к другим устройствам по шине данных, сопровождается адресом, передаваемым по адресной шине. Это может быть адрес ячейки памяти или адрес периферийного устройства. Необходимо, чтобы разрядность шины позволила передать адрес ячейки памяти. Таким образом, словами разрядность шины ограничивает объем оперативной памяти ЭВМ, он не может быть больше чем , где n – разрядность шины. Важно, чтобы производительности всех подсоединённых к шине устройств были согласованы. Неразумно иметь быстрый процессор и медленную память или быстрый процессор и память, но медленный винчестер.
Рис. 2. Схема устройства компьютера, построенного по магистральному принципу
В современных ЭВМ реализован принцип открытой архитектуры, позволяющий пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости её модернизацию.
Конфигурацией компьютера называют фактический набор компонентов ЭВМ, которые составляют компьютер. Принцип открытой архитектуры позволяет менять состав устройств ЭВМ. К информационной магистрали могут подключаться дополнительные периферийные устройства, одни модели устройств могут заменяться другими.
Аппаратное подключение периферийного устройства к магистрали на физическом уровне осуществляется через специальный блок — контроллер (другие названия — адаптер, плата, карта). Для установки контроллеров на материнской плате имеются специальные разъёмы — слоты.
Программное управление работой периферийного устройства производится через программу — драйвер, которая является компонентой операционной системы. Так как существует огромное количество разнообразных устройств, которые могут быть установлены в компьютер, то обычно к каждому устройству поставляется драйвер, взаимодействующий непосредственно с этим устройством.
Связь компьютера с внешними устройствами осуществляется через порты – специальные разъёмы на задней панели компьютера. Различают последовательные и параллельные порты. Последовательные (COM – порты) служат для подключения манипуляторов, модема и передают небольшие объёмы информации на большие расстояния. Параллельные (LPT — порты) служат для подключения принтеров, сканеров и передают большие объёмы информации на небольшие расстояния. В последнее время широкое распространение получили последовательные универсальные порты (USB), к которым можно подключать различные устройства.
- Свежие записи
- Нужно ли менять пружины при замене амортизаторов
- Скрипят амортизаторы на машине что делать
- Из чего состоит стойка амортизатора передняя
- Чем стянуть пружину амортизатора без стяжек
- Для чего нужны амортизаторы в автомобиле
📸 Видео
Р.В.Шамин. Лекции по информатике. Лекция №7. Тема №1 "Архитектура фон Неймана и конечные автоматы"Скачать
Базовая архитектура и структура ЭВМСкачать
04. Основы устройства компьютера. Архитектура процессора. [Универсальный программист]Скачать
История IT #5: Джон фон НейманСкачать
Принцип программного управления. Принцип фон НейманаСкачать
09 Архитектура Фон НейманаСкачать
02. Архитектура фон НейманаСкачать
Введение в архитектуру компьютеровСкачать
Архитектура ЭВМ. Лекция 1: Типы архитектур. Комбинационная и последовательная логика.Скачать
Архитектура ЭВМ. Лекция 3: Кодирование и тип инструкций процессора.Скачать
Системная шина процессораСкачать
ПочЭкай ты меня называла 47Скачать
Сборка процессора в LOGISIM Архитектура фон НейманаСкачать
![04. Основы устройства компьютера. Архитектура процессора. [Универсальный программист]](https://i.ytimg.com/vi/XWZTHecUluM/0.jpg)
