Общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств компьютеров сформулировал

Обновлено: 04.07.2024

В 1946 г. Джон П. Экерт (род. 1919) и Джон В. Могли (1907—1980) разработали один из первых компьютеров для армии США— ENIAC (электронный числовой интегратор и калькулятор) на электронных лампах.

В 1945 г. к работе Могли и Экерта был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который подготовил доклад об этой машине. Доклад был разослан многим ученым и получил широкую известность, поскольку в нем фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, т.е. компьютеров.

Принципы фон Неймана

1. Принцип двоичного кодирования. Это означает, что вся информация в компьютере передается и хранится в двоичном виде.

2. Принцип программного управления. Тут речь идет о том, что программа представляет собой набор команд, которые процессор выполняет автоматически и в определенной последовательности.

3. Принцип однородности памяти. Разнотипная информация различается по способу использования, а не по способу кодирования.

4. Принцип адресности. Информация размещается в ячейках памяти, которые имеют точный адрес. Зная адрес, ЦП может получить доступ к нужной информации в любой момент времени.

Классификация средств вычислительной техники.

Электронно-вычислительные машины принято классифицировать по целому ряду признаков, в частности: по функциональным возможностям и характеру решаемых задач, по способу организации вычислительного процесса, по архитектурным особенностям и вычислительной мощности.

По функциональным возможностям и характеру решаемых задач выделяют:

- универсальные (общего назначения) ЭВМ;

Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых разных инженерно-технических задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных.

Проблемно-ориентированные ЭВМ предназначены для решения более узкого круга задач, связанных с регистрацией, накоплением и обработкой небольших объемов данных.

Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач (микропроцессоры и контроллеры, выполняющие функции управления техническими устройствами).

10. Принципы фон Неймана. Классификация средств вычислительной техники по способу организации вычислительного процесса.

Принципы фон Неймана

4 Принцип адресности. Информация размещается в ячейках памяти, которые имеют точный адрес. Зная адрес, ЦП может получить доступ к нужной информации в любой момент времени.

По способу организации вычислительного процесса ЭВМ подразделяются на однопроцессорные и многопроцессорные, а также последовательные и параллельные.

Однопроцессорные. В составе ЭВМ имеется один центральный процессор и все вычислительные операции и операции по управлению устройствами ввода-вывода информации осуществляются на этом процессоре.

Многопроцессорные. В составе ЭВМ имеется несколько процессоров между которыми перераспределяются функции по организации вычислительного процесса и управлению устройствами ввода-вывода информации.

Последовательные. Работают в однопрограммном режиме, когда работа ЭВМ построена так, что она может исполнять только одну программу, и все ее ресурсы используются только в интересах исполняемой программы.

Параллельные. Работают в мультипрограммном режиме, когда в ЭВМ на исполнении находится несколько пользовательских программ и между этими программами происходит разделение ресурсов, обеспечивая их параллельное выполнение.

Во второй половине XX века два крупнейших ученых независимо друг от друга сформулировали основные принципы построения компьютера.

К основополагающим принципам Неймана-Лебедева можно отнести следующие:

1. Состав основных компонентов вычислительной машины.

2. Принцип двоичного кодирования.

3. Принцип однородности памяти.

4. Принцип адресности памяти.

5. Принцип иерархической организации памяти.

6. Принцип программного управления.

Рассмотрим подробно каждый из принципов Неймана-Лебедева. Любое устройство, предназначенное для автоматических вычислений, должно содержать определённый состав основных компонентов: блок обработки данных, блок управления, блок памяти и блоки ввода/вывода информации.

Перечисленные в функциональной схеме блоки есть и у современных компьютеров. К ним относятся:

Арифметико-логическое устройство — АЛУ, в котором происходит обработка данных.
Устройство управления (УУ) отвечает за выполнение программы и согласование взаимодействий всех узлов компьютера. В современных компьютерах АЛУ и УУ изготавливаются в виде единой интегральной схемы — микропроцессора.
Память — устройство, где хранятся программы и данные. Различают внутреннюю и внешнюю память. Основная часть внутренней памяти предназначена для оперативного хранения программ и данных, её принято называть оперативным запоминающим устройством — ОЗУ. К внутренней памяти относится и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство, англ. ROM — Read Only Memory для диктора рид онли мемори), в нём содержится программа начальной загрузки компьютера. Основное отличие ПЗУ от ОЗУ заключается в том, что при решении задач пользователя содержимое ПЗУ не может быть изменено. Внешняя память, называемая ещё долговременной, используется для длительного хранения программ и данных.
Устройства ввода используются для преобразования данных в удобную для обработки компьютером форму.
Устройства вывода преобразуют работу ЭВМ в удобную для восприятия человеком форму.

Отличительной особенностью функциональной схемы компьютеров первых поколений от являлось то, что программное управление всеми процессами ввода-вывода происходило от процессора.

Рассмотрим принцип двоичного кодирования информации. Он заключается в том, что в ЭВМ используется двоичная система счисления. Это означает, что любая информация, предназначенная для обработки на компьютере, а также и программы, представляются в виде двоичного кода, т. е. последовательности нулей и единиц.

Благодаря использованию двоичного кодирования для представления не только данных, но и программ, форма их представления становится одинаковой, а это означает, что их можно хранить в единой памяти, поскольку нет принципиальной разницы между двоичным представлением машинной команды, числа, символа и др. В этом заключается принцип однородности памяти.

Оперативная память компьютера представляет собой набор битов — однородных элементов с двумя устойчивыми состояниями, одно из которых соответствует нулю, другое — единице. Группы соседних битов объединяются в ячейки памяти, которые пронумерованы, т. е. имеют свой адрес. Это соответствует принципу адресности памяти.

На современных компьютерах может одновременно извлекаться из памяти и обрабатываться до 64 разрядов, т. е. восьми байтовых ячеек. Это стало возможным при реализации принципа параллельной обработки данных.

С позиции пользователя существуют два противоречивых требования, предъявляемых к памяти компьютера: память должна быть как можно больше, а скорость работы — как можно быстрее.

Противоречие заключается в том, что при увеличении объёма памяти неизбежно уменьшается скорость работы, поскольку увеличивается время на поиск данных. С другой стороны, более быстрая память является и более дорогой, что увеличивает общую стоимость компьютера.

Преодолением противоречия между объёмом памяти и её быстродействием стало использование нескольких различных видов памяти, связанных друг с другом. В этом состоит принцип иерархической организации памяти.

Основным отличием компьютеров от любых других технических устройств является программное управление их работой.

Важным элементом устройства управления является счётчик адреса команд, где в любой момент времени хранится адрес следующей по порядку выполнения команды. Используя значение из счётчика, процессор поочередно считывает из памяти команду программы, расшифровывает её и выполняет. Действия выполняются до завершения работы программы.

Современные персональные компьютеры разнообразны — это и настольные, и переносные, и планшетные устройства. Они различаются по размерам, назначению, но фунциональное устройство у них одинаковое.

Оно определяется архитектурой персонального компьютера.

Архитектура — это наиболее общие принципы построения компьютера, отражающие программное управление работой и взаимодействием его основных функциональных узлов.

Для рассмотрения взаимодействие основных функциональных узлов обратимся к функциональной схеме компьютера.

На ней представлены основные узлы современного компьютера, к которым, как вам уже известно, относятся процессор, внутренняя память, устройства ввода, устройства вывода и внешняя память.

В компьютерах с классической фон-неймановской архитектурой все процессы ввода-вывода находились под управлением процессора. Поскольку процессор является самым быстрым устройством, то любое обращение к устройствам ввода-вывода и ожидание отклика от них замедляло общее время работы.

В современных компьютерах эту проблему решают специальные электронные схемы, которые обеспечивают обмен данных между процессором и внешними устройствами. Они называются контрОллерами, а на функциональной схеме они обозначены буквой К.

При наличии контроллеров данные могут передаваться по магистрали между внешними устройствами и внутренней памятью без использования процессора.

Это существенно снижает нагрузку на работу центрального процессора, а значит приводит к повышению эффективности работы всей вычислительной системы.

Обмен данными между устройствами осуществляется с помощью магистрали.

Магистраль (шина) — устройство для обмена данными между устройствами компьютера.

Магистраль включает в себя шину адреса, шину данных и шину управления.

Шина адреса используется для указания физического адреса устройства;

Шина данных используется для передачи данных между узлами компьютера;

Шина управления организует сам процесс обмена (сигналы чтение/запись, данные готовы/не готовы, обращение к внутренней/внешней памяти и др.)

В современных компьютерах применяется магистрально-модульная архитектура, главное достоинство которой лежит в гибкости конфигурации, т. е. возможности изменить конфигурацию компьютера путём подключения к шине новых внешних устройств, а также замене старых внешних устройств.

Если спецификация на шину опубликована производителем, т. е. является открытой, то говорят о принципе открытой архитектуры. В этом случае пользователь самостоятельно может выбрать дополнительные устройства для формирования компьютерной системы, учитывающей именно его предпочтения.

Мир современных компьютеров широк и многообразен. Персональные компьютеры давно стали многоядерными. Это относится в том числе к смартфонам и планшетным компьютерам.

Однако, существуют не только персональные компьютеры, но и значительно более нагруженные вычислительные системы. Мы начали урок с путешествия в один из дата-центров Яндекса и вы видели огромное количество серверов, которые позволяет обеспечивать пользователей качественными сервисами в режиме 24х7 с высокой скоростью доступа.

Существуют сегодня и суперкомпьютеры, способные решать научные задачи, производить вычисления, связанные с космическими телами, исследованиями микромира и др.

Технические характеристики электронной техники находятся вблизи предельных значений, а это означает необходимость новых технологических решений. Сегодня ведутся исследования в области нанотехнологий, квантовых и биологических компьютеров. Одна из задач вашего поколения — найти новые технологические решения для увеличения мощности компьютеров будущего.

В каждой области науки и техники существуют фундаментальные идеи или принципы, определяющие на многие годы вперёд её содержание и направление развития. В компьютерных науках роль таких фундаментальных идей сыграли принципы, сформулированные независимо друг от друга двумя крупнейшими учёными XX века — Джоном фон Нейманом и Сергеем Алексеевичем Лебедевым.

Архитектура компьютера – это его устройство и принципы взаимодействия его основных элементов – логических узлов, среди которых основными являются процессор, внутренняя память (основная и оперативная), внешняя память и устройства ввода-вывода информации (периферийные).

Архитектура фон Неймана (модель фон Неймана, Принстонская архитектура) — широко известный принцип совместного хранения команд и данных в памяти компьютера.

Вычислительные машины 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 принцип хранения данных и инструкций в одной памяти.

Принцип — основное, исходное положение какой-нибудь теории, учения, науки и пр.

Основы учения об архитектуре вычислительных машин, которые рассматриваются на уроке, были заложены Джоном фон Нейманом. Более подробно о логических узлах, а также о магистрально-модульном принципе архитектуры современных персональных компьютеров можно будет узнать на этом уроке.

Принципы Неймана-Лебедева — базовые принципы построения ЭВМ, сформулированные в середине прошлого века, не утратили свою актуальность и в наши дни.

Рассмотрим сущность основных принципов Неймана-Лебедева:

1) состав основных компонентов вычислительной машины;
2) принцип двоичного кодирования;
3) принцип однородности памяти;
4) принцип адресности памяти;
5) принцип иерархической организации памяти;
6) принцип программного управления.

Первый принцип определяет состав основных компонентов вычислительной машины.

Любое устройство, способное производить автоматические вычисления, должно иметь определённый набор компонентов: блок обработки данных, блок управления, блок памяти и блоки ввода/вывода информации.

Его информационным центром является процессор:

• все информационные потоки (тонкие стрелки на рисунке) проходят через процессор;
• управление всеми процессами (толстые стрелки на рисунке) также осуществляется процессором.

Такие блоки есть и у современных компьютеров. Это:

• процессор, состоящий из арифметико-логического устройства (АЛУ), выполняющего обработку данных, и устройства управления (УУ), обеспечивающего выполнение программы и организующего согласованное взаимодействие всех узлов компьютера;
• память, предназначенная для хранения исходных данных, промежуточных величин и результатов обработки информации, а также самой программы обработки информации. Различают память внутреннюю и внешнюю. Основная часть внутренней памяти используется для временного хранения программ и данных в процессе обработки. Такой вид памяти принято называть оперативным запоминающим устройством (ОЗУ). Ещё одним видом внутренней памяти является постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), содержащее программу начальной загрузки компьютера. Внешняя или долговременная память предназначена для длительного хранения программ и данных в периоды между сеансами обработки;
• устройства ввода, преобразующие входную информацию в форму, доступную компьютеру;
• устройства вывода, преобразующие результаты работы компьютера в форму, доступную для восприятия человеком.

Вместе с тем в архитектуре современных компьютеров и компьютеров первых поколений есть существенные отличия.

Второй принцип

Рассмотрим суть принципа двоичного кодирования информации.

Вся информация, предназначенная для обработки на компьютере (числа, тексты, звуки, графика, видео), а также программы её обработки представляются в виде двоичного кода — последовательностей 0 и 1.

Все современные компьютеры хранят и обрабатывают информацию в двоичном коде. Выбор двоичной системы счисления обусловлен рядом важных обстоятельств: простотой выполнения арифметических операций в двоичной системе счисления, её «согласованностью» с булевой логикой, простотой технической реализации двоичного элемента памяти (триггера).

Итак, благодаря двоичному кодированию, данные и программы по форме представления становятся одинаковыми, а следовательно, их можно хранить в единой памяти.

Несмотря на всеобщее признание, использование в компьютерной технике классической двоичной системы счисления не лишено недостатков. В первую очередь это проблема представления отрицательных чисел, а также нулевая избыточность (т. е. отсутствие избыточности) двоичного представления. Пути преодоления указанных проблем были найдены уже на этапе зарождения компьютерной техники.

В 1958 г. в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова под руководством И. П. Брусенцова был создан троичный компьютер «Сетунь» (рис. 1). В нём применялась уравновешенная троичная система счисления, использование которой впервые в истории позволило представлять одинаково просто как положительные, так и отрицательные числа.

«Сетунь» представляет собой малую ЭВМ, построенную на принципах троичной логики, другими словами это троичный компьютер. Она была разработана в 1959 году в стенах вычислительного центра Московского государственного университета. Этот уникальный троичный компьютер, практически не имеет аналогов не только в данный момент времени, но и вообще в истории вычислительной техники.

Для начала разберёмся, что же такое троичный компьютер, коим, как уже было сказано, является рассматриваемая модель «Сетунь». Такое название получил специализированный компьютер, который построен на логических элементах и узлах двух типов – как на классических двоичных, так и уникальных в своём роде троичных. Понятно, что он использует в своей работе соответственные системы счисления, логики и алгоритмы работы – двоичные и троичные.

Принцип однородности памяти

Принцип адресности

Согласно принципу адресности основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек, причем процессору в произвольный момент доступна любая ячейка.

Принцип иерархической организации памяти

Иерархия компьютерной памяти — концепция построения взаимосвязи классов разных уровней компьютерной памяти на основе иерархической структуры.

Сущность необходимости построения иерархической памяти — необходимость обеспечения вычислительной системы (отдельного компьютера или кластера) достаточным объёмом памяти, как оперативной, так и постоянной.

Учитывая неоднородность периодичности обращения к конкретным записям (внутренним регистрам процессора, кэш-памяти, страницам и файлам) применяются различные технические решения, имеющие отличные характеристики, как технические так ценовые и массо-габаритные. Долговременное хранение в дорогой сверхоперативной и даже оперативной памяти, как правило, не выгодно, поэтому данные такого рода хранятся на накопителях — дисковых, ленточных, флеш и т.д.

Принцип программного управления. Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий компьютера.

Узкое место архитектуры фон Неймана

Архитектура фон Неймана обладает тем недостатком, что она последовательная. Какой бы огромный массив данных ни требовалось обработать, каждый его байт должен будет пройти через центральный процессор, даже если над всеми байтами требуется провести одну и ту же операцию.

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 канала «процессор-память» и скорость работы памяти существенно ограничивают скорость работы процессора — гораздо сильнее, чем если бы программы и данные хранились в разных местах. Так как скорость процессора и объём памяти увеличивались гораздо быстрее, чем пропускная способность между ними, узкое место стало большой проблемой, серьёзность которой возрастает с каждым новым поколением процессоров.

Этот эффект называется узким горлышком фон Неймана.

Современную обработку информации невозможно представить без такого устройства, как компьютер. Его следует рассматривать, как совокупность двух составляющих:

Компьютеры, построенные на принципах фон Неймана, имеют классическую архитектуру, но, кроме нее, существуют другие типы архитектуры. Например, Гарвардская. Ее отличительными признаками являются:

хранилище инструкций и хранилище данных представляют собой разные физические устройства;
канал инструкций и канал данных также физически разделены.

Перспективы развития ЭВМ

Согласно сегодняшней тенденции, уровень глобальных сетей будет увеличиваться, в связи с этим будут разрабатываться новые методы хранения, обработки, представления информации. Будут совершенствоваться способы передачи информации с учетом скорости, безопасности и качества.

Виртуальная реальность остаётся одним из самых интересных и загадочных понятий компьютерной индустрии.

Виртуальная реальность — это образ искусственного мира, моделируемый техническими средствами и передаваемый человеку через ощущения. В данный момент технологии виртуальной реальности широко применяются в различных областях человеческой деятельности.

По словам учёных и исследователей, в ближайшем будущем персональные компьютеры кардинально изменятся. Примерно в 2020-2025 годах должны появиться молекулярные компьютеры, квантовые компьютеры, биокомпьютеры и оптические компьютеры. Компьютер будущего должен облегчить и упростить жизнь человека ещё в десятки раз!

Одна из указанных вероятностных альтернатив замены современных компьютеров является создание оптических ЭВМ, носителем информации в которых будет световой сгусток. Проникновение оптических способов в вычислительную технику ведется по трем фронтам. Первое основано на использовании аналоговых интерференционных оптических вычислений для решения отдельных особых задач, связанных с необходимостью быстрого выполнения интегральных преобразований. Второе направление связно с созданием чисто оптических или гибридных соединений, обладающих большей надежностью, чем электрические. И третье направление – создание компьютера, полностью состоящего из оптических устройств обработки информации.

Другие виды компьютеров – молекулярные.

Молекулярные компьютеры – это ЭВМ, использующие вычислительные возможности молекул преимущественно биологических, также используется идея вычислительных возможностей расположения атомов в пространстве.

Квантовый компьютер – ЭВМ, которое путем выполнения квантовых алгоритмов существенно использует при работе эффекты, такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность.

Нанокомпьютеры – вычислительные устройства на основе электронных технологий с размерами логических элементов порядка нескольких нанометров. Сам компьютер также имеет микроскопические размеры. Другое направление связано с разработками биокомпьютеров – клеточные и ДНК-компьютеры.

Однако квантовые компьютеры, биокомпьютеры, нанокомпьютеры и другие направления – все это на сегодняшний момент всего лишь гипотетические вычислительные устройства, которые под собой не имеют логических решений.

Высокие технологии – это будущее и это успех всего человечества. Ежедневно выпускаются новые и более совершенны модели ЭВМ. И на этом процесс развития не остановлен.

Сайт учителя информатики. Технологические карты уроков, Подготовка к ОГЭ и ЕГЭ, полезный материал и многое другое.

§ 7. Основополагающие принципы устройства ЭВМ

Информатика. 10 класса. Босова Л.Л. Оглавление

7.1. Принципы Неймана-Лебедева

Принцип — основное, исходное положение какой-нибудь теории, учения, науки и пр.

Джон фон Нейман (1903-1957) — американский учёный, сделавший важный вклад в развитие целого ряда областей математики и физики. В 1946 г., анализируя сильные и слабые стороны ЭНИАКа, совместно с коллегами пришёл к идее нового типа организации ЭВМ.

Сергей Алексеевич Лебедев (1902-1974) — академик, основоположник вычислительной техники в СССР, главный конструктор первой отечественной электронной вычислительной машины МЭСМ, автор проектов компьютеров серии БЭСМ (Большая Электронная Счётная Машина), разработчик принципиальных положений суперкомпьютера «Эльбрус». В 1996 году посмертно награждён медалью «Пионер компьютерной техники» — самой престижной наградой международного компьютерного сообщества.

Рассмотрим сущность основных принципов Неймана-Лебедева:

Первый принцип определяет состав основных компонентов вычислительной машины.

Функциональная схема такого компьютера, отражающая программное управление работой и взаимодействием его основных узлов, представлена на рисунке 2.5.

Рис. 2.5. Функциональная схема компьютеров первых поколений

Его информационным центром является процессор:

Такие блоки есть и у современных компьютеров. Это:

Вместе с тем в архитектуре современных компьютеров и компьютеров первых поколений есть существенные отличия. О них будет сказано чуть ниже.

Рассмотрим суть принципа двоичного кодирования информации.

В 1958 г. в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова под руководством И. П. Брусенцова был создан троичный компьютер «Сетунь» (рис. 2.6). В нём применялась уравновешенная троичная система счисления, использование которой впервые в истории позволило представлять одинаково просто как положительные, так и отрицательные числа.

Рис. 2.6. ЭВМ «Сетунь»

Команды программ и данные хранятся в одной и той же памяти, и внешне в памяти они неразличимы. Распознать команды и данные можно только по способу использования. Это утверждение называют принципом однородности памяти.

Так как представленные в памяти команды и данные внешне неразличимы, то одно и то же значение в ячейке памяти может использоваться и как данные, и как команда в зависимости лишь от способа обращения к нему. Так, если к двоичной последовательности обращаются как к числу, то в ней выделяют поле (область) знака и поле значащих разрядов. Если к двоичной последовательности обращаются как к команде, то в ней выделяют поле кода операции и поле адресов операндов.

Однородность памяти позволяет производить операции не только над данными, но и над командами. Взяв в качестве данных для некоторой программы команды другой программы, в результате её исполнения можно получить команды третьей программы. Данная возможность лежит в основе трансляции — перевода текста программы с языка высокого уровня на язык конкретной вычислительной машины.

Структурно оперативная память компьютера состоит из отдельных битов — однородных элементов, обладающих двумя устойчивыми состояниями, одно из которых соответствует нулю, а другое — единице. Для записи или считывания группы соседних битов объединяются в ячейки памяти, каждая из которых имеет свой номер (адрес).

Команды и данные размещаются в единой памяти, состоящей из ячеек, имеющих свои номера (адреса). Это принцип адресности памяти.

Очень важно, что информация может считываться из ячеек и записываться в них в произвольном порядке, т. е. процессору в произвольный момент доступна любая ячейка памяти. Организованную таким образом память принято называть памятью с произвольным доступом.

Разрядность ячеек памяти (количество битов в ячейке) у компьютеров разных поколений была различной. Основой оперативной памяти современных компьютеров является восьмибитная ячейка. Ячейка такой разрядности может быть использована для работы с одним символом. Для хранения чисел используется несколько последовательных ячеек (четыре — в случае 32-битного числа).

На современных компьютерах может одновременно извлекаться из памяти и одновременно обрабатываться до 64 разрядов (т. е. до восьми байтовых (восьмибитных) ячеек). Это возможно благодаря реализации на них принципа параллельной обработки данных — одновременного (параллельного) выполнения нескольких действий.

Можно выделить два основных требования, предъявляемых к памяти компьютера:
1) объём памяти должен быть как можно больше;
2) время доступа к памяти должно быть как можно меньше.

Создать запоминающее устройство, одновременно удовлетворяющее двум этим требованиям, затруднительно. Действительно, в памяти большого объёма требуемые данные искать сложнее, в результате чего их чтение замедляется. Для ускорения чтения нужно использовать более сложные технические решения, что неизбежно приводит к повышению стоимости всего компьютера. Решение проблемы — использование нескольких различных видов памяти, связанных друг с другом. В этом и состоит суть принципа иерархической организации памяти.

Трудности физической реализации запоминающего устройства высокого быстродействия и большого объёма требуют иерархической организации памяти.

В современных компьютерах используются устройства памяти нескольких уровней, различающиеся по своим основным характеристикам: времени доступа, сложности, объёму и стоимости. При этом более высокий уровень памяти меньше по объёму, быстрее и имеет большую стоимость в пересчёте на байт, чем более низкий уровень. Уровни иерархии взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть также найдены на более низком уровне.

Большинство алгоритмов обращаются в каждый промежуток времени к небольшому набору данных, который может быть помещён в более быструю, но дорогостоящую и поэтому небольшую память. Использование более быстрой памяти увеличивает производительность вычислительного комплекса.

Главное отличие компьютеров от всех других технических устройств — это программное управление их работой.

Принцип программного управления определяет общий механизм автоматического выполнения программы.

Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности команд. Команды представляют собой закодированные управляющие слова, в которых указывается:

• какое выполнить действие;
• из каких ячеек считать операнды (данные, участвующие в операции);
• в какую ячейку записать результат операции.

Команды, входящие в программу, выполняются процессором автоматически в определённой последовательности. При этом выполняется следующий цикл действий:

1) чтение команды из памяти и её расшифровка;
2) формирование адреса очередной команды;
3) выполнение команды.

Этот цикл повторяется до достижения команды, означающей окончание выполнения программы, решающей некоторую конкретную задачу. В современных компьютерах по завершении работы программы управление передаётся операционной системе.

7.2. Архитектура персонального компьютера

Современные персональные компьютеры различаются по своим размерам, конструкции, разновидностям используемых микросхем и модулей памяти, другим характеристикам. В то же время все они имеют единое функциональное устройство, единую архитектуру — основные узлы и способы взаимодействия между ними (рис. 2.7).

На рисунке 2.7 изображены хорошо известные вам узлы современного компьютера:
процессор,
внутренняя память,
устройства ввода,
устройства вывода и внешняя память.

Рис. 2.7. Функциональная схема компьютера (К — контроллер)

Обмен данными между устройствами компьютера осуществляется с помощью магистрали.

Магистраль (шина) — устройство для обмена данными между устройствами компьютера.Магистраль состоит из трёх линий связи:

• шины адреса, используемой для указания физического адреса, к которому устройство может обратиться для проведения операции чтения или записи;
• шины данных, предназначенной для передачи данных между узлами компьютера;
• шины управления, по которой передаются сигналы, управляющие обменом информацией между устройствами и синхронизирующие этот обмен.

В компьютерах, имевших классическую фон-неймановскую архитектуру, процессор контролировал все процессы ввода/вывода. При этом быстродействующий процессор затрачивал много времени на ожидание результатов работы от значительно более медленных внешних устройств. Для повышения эффективности работы процессора были созданы специальные электронные схемы, предназначенные для обслуживания устройств ввода/вывода или внешней памяти.

Контроллер — это специальный микропроцессор, предназначенный для управления внешними устройствами: накопителями, мониторами, принтерами и т. д.

Благодаря контроллерам данные по магистрали могут передаваться между внешними устройствами и внутренней памятью напрямую, минуя процессор. Это приводит к существенному снижению нагрузки на центральный процессор и повышает эффективность работы всей вычислительной системы.

Современные компьютеры обладают магистрально-модульной архитектурой, главное достоинство которой заключается в возможности легко изменить конфигурацию компьютера путём подключения к шине новых или замены старых внешних устройств.

Если спецификация на шину (детальное описание всех её параметров) является открытой (опубликованной), то производители могут разработать и предложить пользователям разнообразные дополнительные устройства для компьютеров с такой шиной. Подобный подход называют принципом открытой архитектуры. Благодаря ему пользователь может собрать именно такую компьютерную систему, которая ему нужна.

7.3. Перспективные направления развития компьютеров

Мир современных компьютеров необычайно разнообразен. Кроме микропроцессоров, встраиваемых во всевозможные устройства, и разных типов персональных компьютеров существуют значительно более мощные вычислительные системы.

Это серверы в глобальной компьютерной сети, управляющие её работой и хранящие огромные объёмы информации.

Это многопроцессорные системы параллельной обработки данных, обеспечивающие:

• сокращение времени решения вычислительно сложных задач;
• сокращение времени обработки больших объёмов данных;
• решение задач реального времени;
• создание систем высокой надёжности.

Время однопроцессорных вычислительных систем прошло. Не только суперкомпьютеры, но и современные персональные компьютеры, ноутбуки, игровые приставки основаны на многопроцессорных, многоядерных и других технологиях, предполагающих одновременное выполнение множества инструкций.

В наши дни электронная техника уже подошла к предельным значениям своих технических характеристик, которые определяются физическими законами. Поэтому идёт поиск неэлектронных средств хранения и обработки данных, ведутся работы по созданию квантовых и биологических компьютеров, проводятся исследования в области нанотехнологий.

САМОЕ ГЛАВНОЕ

К основополагающим принципам построения компьютеров (принципам Неймана-Лебедева) можно отнести следующие:

Классическая архитектура компьютеров первых поколений предполагала осуществление взаимодействия всех устройств через процессор и наличие неизменного набора внешних устройств.

Современные персональные компьютеры обладают открытой магистрально-модульной архитектурой — устройства взаимодействуют через шину, что способствует оптимизации процессов обмена информацией внутри компьютера. Второе преимущество современной архитектуры — возможность легко изменить конфигурацию компьютера путём подключения к шине новых или замены старых внешних устройств.

Вопросы и задания

1. Перечислите основные фундаментальные идеи, лежащие в основе построения компьютеров.

2. Какие устройства принято выделять в компьютерах классической архитектуры? Сравните их с устройством машины Беббиджа.

3. Чем обусловлен выбор двоичного кодирования для представления информации в компьютере?

4. Как вы понимаете утверждение «Одно и то же значение ячейки памяти в зависимости от способа обращения к нему может использоваться и как данные, и как команда»?

5. В чём состоит суть принципа адресности памяти?

6. Почему в современных компьютерах используются устройства памяти нескольких уровней, различающиеся по времени доступа, сложности, объёму и стоимости?

7. В чём состоит суть принципа программного управления?

9. Для чего предназначена магистраль (шина)? Из каких частей она состоит?

10. Что такое магистрально-модульная архитектура? В чём её главное достоинство?

Читайте также: