Что является преобразователем информации в компьютере поступающей из памяти и внешних устройств
Обновлено: 06.07.2024
Основы учения об архитектуре вычислительных машин были заложены выдающимся американским математиком Джоном фон Нейманом. Он присоединился к разработке и созданию первой в мире ламповой ЭВМ ENIAC в 1944 г., в то время когда конструкция ENIAC уже была выбрана. В период трудоемкой работы с коллегами ( Г. Голдстайном и А. Берксом ), фон Нейман предложил идею концептуально новой ЭВМ. И уже в 1946 г. ученые предоставили свою работу по построению вычислительной машины в ставшей классической статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства». С того момента прошло уже больше полувека, но представленные в ней теория и положения до сих пор имеют фундаментальную ценность. Раньше все ЭВМ хранили и обрабатывали числа в десятичном коде. Фон Нейман с коллегами представил факты, которые подтверждали преимущества двоичной системы для технической части, с использованием этой системы можно было удобно и просто выполнять арифметические и логические операций. С развитием ЭВМ человечество стало обрабатывать не только нечисловые виды информации, но и текстовую, графическую, звуковую и другие виды информации. До сих пор двоичная кодировка данных продолжает составлять информационный “фундамент” любого современного компьютера.
Еще одна поистине важная и значимая идеи, которую трудно переоценить, это идея предложенная фон Нейманом о принципе «хранимой программы». Изначально программа задавалась посредством установки перемычек на специальной коммутационной панели. Эта работа была весьма кропотливым занятием: так как для изменения программы машины ENIAC уходило несколько дней (а сам расчет продолжался порядком нескольких минут – так как из строя выходили лампы). Нейман так же стал основателем идеи о том, что программа имеет возможность храниться в этой же памяти в виде нулей и единиц, и обрабатываемые числа. Незначительная разница между программой и данными стала большим шагом в развитии ЭВМ, так как теперь она сама из результатов вычисления могла формировать программу. Фон Нейман не только разработал основные принципы логического устройства ЭВМ, но так же разработал структуру ЭВМ, которая использовалась на протяжении первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками фон Нейман считал устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяемые в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Схема такого устройства ЭВМ продемонстрирована на рисунке 1 .
Рисунок 1 - Архитектура ЭВМ, построенной на принципах Фон Неймана
Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные это управляющие сигналы от процессора к остальным узлам ЭВМ. Устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) в современных компьютерах объединились в один блок - процессор, который является преобразователем информации, которая поступает из памяти и внешних устройств. Память (ЗУ) хранит в себе информацию (данные) и программы. Запоминающие устройства у современных компьютеров многоярусны и включают в себя оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), которая хранит ту информацию, с которой компьютеру необходимо работать непосредственно в данный период времени и внешние запоминающие устройства (ВЗУ) с гораздо большим объемом памяти, чем ОЗУ, но доступ к нему осуществляется гораздо медленнее. На ОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не заканчивается, определенные функции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоминающее устройство) и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) и т.д. Основы архитектуры вычислительных устройств которые разработал и предоставил Джон фон Нейман которые достаточно трудно переоценить и стали настолько фундаментальными, что именуется как «фон-неймановская архитектура».
Первыми электронными вычислительными машинами (ЭВМ) могли пользоваться только сотрудники крупных лабораторий и научно-исследовательских центров. Это было связано не только с их высокой стоимостью, но и с относительно большими размерами самих ЭВМ. И то, что в современном мире компьютеры можно встретить в офисах, школах, детских садах, квартирах, стало возможным благодаря разработке микропроцессора, который позволил значительно уменьшить размеры компьютера, сделав его действительно персональным устройством.
В 1969 году фирма Intel получила от японской компании Busicom заказ на разработку набора из 12 микросхем для семейства программируемых калькуляторов. В то время все микросхемы, выполняющие вычисления, разрабатывались специально под продукт заказчика. Однако сотрудники Intel Тед Хофф, Федерико Феджин и Стен Мэйзор предложили спроектировать единую универсальную микросхему — центральный процессор ЭВМ общего назначения, который взял бы на себя все функции отдельных микросхем. Главная особенность этого процессора заключалась в том, что в нем несколько интегральных микросхем размещались на одном кристалле кремния. Хофф разработал архитектуру микропроцессора, Мэйзор — систему команд, а Феджин спроектировал саму микросхему.
15 ноября 1971 года фирма Intel представила миру первый четырехразрядный микропроцессор, названный i 4004 (рисунок 2).
Рисунок 2 - Первый четырехразрядный микропроцессор, Intel i 4004
Характеристики первого микропроцессора: 4-разрядный, количество транзисторов 2300, тактовая частота 108 кГц. Появление i 4004 стало первым шагом на пути развития персональных компьютеров , доступных не только специалистам в области вычислительной техники, но и обычным людям.
Первые микроЭВМ особого успеха у потенциальных пользователей не имели. Для их использования требовалось знание ппрограммирования. Стоимость первых микроЭВМ была достаточно велика (до $2500). Чтобы снизить цену своей продукции, производители решили опробовать идею «компьютера-конструктора». Пользователь покупал набор деталей и инструкцию по сборке, после чего должен был самостоятельно паять и тестировать собранные узлы. В этих компьютерах не было ни клавиатуры, ни дисплея, ни долговременной памяти. Программы вводились переключением тумблеров на передней панели, а результаты считывались со светодиодных индикаторов. К компьютерам-конструкторам относятся Micral , SCELBI -8 H , MARK 8. Стоимость таких компьютеров была около $500-600. Но даже подобный маркетинговый ход не привлек большого количества покупателей.
Первым микрокомпьютером, который привлек внимание потребителей, стал Altair 8800 (рисунок 3) фирмы MITS (1975 г.).
Рисунок 3 - Первый четырехразрядный микропроцессор, Intel i 4004
В компьютере использовался процессор i 8080 фирмы Intel . Разработчик Altair 8800 Эд Робертс решил использовать в компьютере системную плату с гнездами , куда подключались процессор , память и другие необходимые устройства. Подобная открытая архитектурная концепция была названа S-100 Bus.
Появление понятия «персональный компьютер» (ПК) связано с именами американских специалистов Стива Джобса и Стива Возняка и основанной ими компании Apple . В 1976 году создается ПК Apple -1, а в 1977 году — Аррlе-2 (рисунок 4).
Рисунок 4 – Персональный компьютер Аррlе-2
Главное отличие персональных компьютеров от микрокомпьютеров заключалось в том, что работать с ними могли не только специалисты по вычислительной технике и программисты, но и люди других профессий , а также школьники и студенты.
Популярность персональных компьютеров привела к некоторому снижению спроса на большие компьютеры и мини-компьютеры (мини-ЭВМ). Это вызвало серьезное беспокойство у ведущей компании по производству компьютеров — фирмы IBM . В 1979 году IBM решила также выйти на рынок персональных компьютеров. Чтобы сэкономить деньги, руководство фирмы разрешило подразделению, ответственному за разработку персонального компьютера, при конструировании использовать блоки, изготовленные другими фирмами, что и было реализовано. Таким образом, в компьютерном мире окончательно сложился принцип открытой архитектуры персонального компьютера, заложенный еще разработчиками Altair 8800.
Открытая архитектура персонального компьютера — это архитектура, предусматривающая модульное построение компьютера с возможностью добавления и замены отдельных устройств благодаря наличию опубликованной документации на эти устройства.
Первый персональный компьютер фирмы IBM был выпущен в 1981 году и назван IBM PC model 5150. Он использовал процессор i 8088 фирмы Intel с тактовой частотой 4,77 МГц. Объем оперативной памяти составлял 64 Кбайт. Устройства долговременной памяти отсутствовали. Для этого процессора фирмой Microsoft была разработана новая операционная система MS - DOS .
Принцип открытой архитектуры привел к тому, что очень скоро компания IBM оказалась лишь одной из множества фирм, разрабатывающих и продающих персональные компьютеры. В 1983 году IBM выпустила модернизированный PC model 5160, который предусматривал возможность установки жесткого диска объемом 10 или 20 Мб. В 1984 году была выпущена следующая модель, названная PC AT ( Advanced Technology — усовершенствованная технология). В этой модели использовался новый 16-разрядный процессор Intel 80286 (i80286) с тактовой частотой до 20 МГц. На этом лидерство компании закончилось. Первый «IВМ-совместимый» компьютер на базе процессора Intel 80386 был изготовлен компанией Compaq Computers . Это был первый 32-разрядный процессор, который положил начало семейству процессоров IA -32 (32- bit Intel Architecture ).
В 1984 году фирма Apple выпустила первый персональный компьютер, в которым был графический интерфейс пользователя вместо стандартного на тот момент интерфейса командной строки. Для работы с этим интерфейсом впервые стало массово применяться новое устройство — мышь. Компьютер был назван Macintosh (рисунок 5).
Рисунок 5 – Первый персональный компьютер с графическим интерфейсом, Macintosh
Первоначально компьютеры Macintosh создавались на базе процессоров Motorola , которые позже были заменены более мощным процессором IBM PowerPC . В 2006 году Apple перешла на процессоры Intel . В отличие от своих конкурентов фирма Apple полностью самостоятельно разрабатывает операционную систему для своих компьютеров ( Mac OS ).
Джон фон Нейман - американский математик. Внес большой вклад в создание первых ЭВМ и разработку методов их применения.
Герман Хайн Голдстайн — математик, один из создателей первой из современных ЭВМ — ENIAC.
Тема: Общий состав и структура персональных электронно-вычислительных машин (ЭВМ) и вычислительных систем.
Цель занятия: познакомить студентов с общими понятиями построения ЭВМ и изучить особенности архитектуры персональных компьютеров.
О понятии «архитектура ЭВМ»
Под архитектурой ЭВМ надо понимать ту совокупность характеристик, которая необходима пользователю. Это,прежде всего, основные устройства и блоки ЭВМ, а также структура связей между ними.
Общие принципы построения ЭВМ , которые относятся к архитектуре:
структура памяти ЭВМ;
способы доступа к памяти и внешним устройствам;
возможность изменения конфигурации;
Дадим определение архитектуры: "Архитектура - это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов".
Принципы Фон-Неймана
Классические принципы построения архитектуры ЭВМ были предложены в работе Дж. фон Неймана, Г.Голдстейга и А. Беркса в 1946 году и известны как " принципы фон Неймана".
Использование двоичной системы представления данных
Авторы убедительно продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации,удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации - текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.
Принцип хранимой программы
Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием. Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде 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 (см рис.1), которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ.
Устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) в современных компьютерах объединены в один блок - процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств.
Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее устройство у современных компьютеров "многоярусно" и включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и внешние запоминающие устройства(ВЗУ).
ОЗУ- это устройство, хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть необходимых для нее данных, некоторые управляющие программы).
ВЗУ -устройства гораздо большей емкости, чем ОЗУ, но существенно более медленны.
Принцип последовательного выполнения операций
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 запомненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.
Принцип произвольного доступа к ячейкам оперативной 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.
Структура ЭВМ
Для начала рассмотрим как устройства присоединяются к друг другу.
Системный блок - центральное устройство компьютера. Остальные устройства (их называют внешние или периферийные) присоединяются к нему через разъемы и порты.
Разъемы для присоединения внешних устройств к системному блоку находятся на заднем торце системного блока. Каждый из разъемов индивидуален по своей конфигурации - перепутать кабели от периферийных устройств при подключении невозможно.
Внутри системного блока объединяющим центром является материнская плата - к ней присоединяются все устройства, в том числе процессор.
Для правильной работы с внешним устройством процессору необходим посредник - контроллер (обозначим его К) - который знает, как работать с данным устройствам.
Ряд контроллеров смонтирован сразу на материнской плате, например, контроллеры клавиатуры и дисков. Другие располагаются на специальных платах, называемых адаптерами . Адаптеры устанавливаются на материнскую плату.
Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой "вверенного ему" внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена. Такой процессор имеет собственную систему команд. Например, контроллер накопителя на гибких магнитных дисках (дисковода) умеет позиционировать головку на нужную дорожку диска, читать или записывать сектор, форматировать дорожку и т.п. Результаты выполнения каждой операции заносятся во внутренние регистры памяти контроллера и могут быть в дальнейшем прочитаны центральным процессором.
Таким образом, наличие интеллектуальных внешних устройств может существенно изменять идеологию обмена. Центральный процессор при необходимости произвести обмен выдает задание на его осуществление контроллеру. Дальнейший обмен информацией может протекать под руководством контроллера без участия центрального процессора. Последний получает возможность "заниматься своим делом", т.е. выполнять программу дальше.
Разъемы - физическое устройство, соединяющее два устройства.
Порт - логическое устройство. Выполняет две функции:
служит "посредником" при передаче данных между компьютером и устройствами ввода/вывода.
выдает процессору сигнал прерывания, по которому начинается процесс прерывания.
Перейдем теперь к обсуждению вопроса о внутренней структуре ЭВМ, содержащей интеллектуальные контроллеры.
Из рисунка видно, что для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая шина ( часто ее называют магистралью ).
Шина состоит из трех частей:
шина данных, по которой передается информация;
шина адреса, определяющая, куда передаются данные;
шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.
Описаннаю схему легко пополнять новыми устройствами - это свойство называют открытостью архитектуры . Для пользователя это означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств для своего компьютера.
При увеличении потоков информации между устройствами ЭВМ единственная магистраль перегружается, что существенно тормозит работу компьютера. Поэтому в состав ЭВМ могут вводиться одна или несколько дополнительных шин.
Основной цикл ЭВМ
Вся деятельность ЭВМ - это непрерывное выполнение тех или иных программ, причем программы эти могут в свою очередь загружать новые программы и т.д.
Каждая команда состоит из отдельных машинных команд. Каждая машинная команда, в свою очередь, делится на ряд элементарных составных частей, которые принято называть тактами . В зависимости от сложности команд она может быть реализована за разное число тактов. Например, пересылка информации из одного внутреннего регистра процессора в другой выполняется за несколько тактов, а для перемножения двух целых чисел их требуется на порядок больше. Существенное удлинение команды происходит, если обрабатываемые данные еще не находятся внутри процессора и их приходится считывать из ОЗУ.
При выполнении каждой команды ЭВМ проделывает определенные стандартные действия:
согласно содержимому счетчика адреса команд, считывается очередная команда программы (ее код обычно заносится на хранение в специальный регистр УУ, который носит название регистра команд);
счетчик команд автоматически изменяется так, чтобы в нем содержался адрес следующей команды;
считанная в регистр команд операция расшифровывается, извлекаются необходимые данные и над ними выполняются требуемые действия.
Затем во всех случаях, за исключением команды останова или наступления прерывания, все описанные действия циклически повторяются.
После выборки команды останова ЭВМ прекращает обработку программы. Для выхода из этого состояния требуется либо запрос от внешних устройств, либо перезапуск машины.
Особенности архитектуры персональных компьютеров
По мере развития компьютеры существенно уменьшились в размерах, разработчики создали дополнительное оборудование, необходимое для их эффективного использования. ПК характеризуются открытой и совместимой с существующими стандартами архитектурой, возможностью подключения дополнительных функциональных устройств или их замену на более производительные.
Процессор (центральный процессор) — основной вычислительный блок персонального компьютера, содержит важнейшие функциональные устройства:
* Устройство управления с интерфейсом процессора (системой сопряжения и связи процессора с другими узлами машины).
Процессор - программируемое устройство обработки данных и управления работой ПК. Процессор, по существу, является устройством, выполняющим все функции элементарной вычислительной машины.
Микропроцессор - центральный процессор, выполненный на основе одной или нескольких больших (сверхбольших) интегральных схем обеспечивающих повышенную надежность и устойчивость характеристик системы. Микропроцессор характеризуется: тактовой частотой; разрядностью; архитектурой. Чем выше тактовая частота, тем выше быстродействие микропроцессора. Разрядностью микропроцессора называют максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно. Разрядность внутренних регистров микропроцессора (внутренняя длина слова) играет определяющую роль в принадлежности микропроцессора к тому или иному классу.
Оперативная память — запоминающее устройство, используемое для оперативного хранения и обмена информацией с другими узлами машины. Устройства памяти характеризуются следующими основными показателями: быстродействием (временем доступа); емкостью. Увеличение емкости основной памяти в два раза, помимо всего прочего, увеличивает эффективную производительность ПК при решении сложных задач (когда ощущается дефицит памяти) примерно в 1,7 раза.
Каналы связи ( внутримашинный интерфейс) служат для сопряжения центральных узлов ПК с ее внешними устройствами. Техническую связь и взаимодействие всех устройств между собой осуществляет интерфейс-системная шина, которая представляет собой совокупность каналов передачи электрических сигналов. Каждая линия шины имеет определенное назначение: одна группа служит для передачи данных, другая - для передачи управляющих сигналов.
Внешние устройства обеспечивают эффективное взаимодействие ПК с окружающей средой: пользователями, объектами управления, другими машинами. В состав внешних устройств обязательно входят внешняя память и устройства ввода-вывода. Внешние запоминающие устройства являются важной составной частью ПК, обеспечивая долговременное хранение программ и данных на различных носителях информации. Внешняя память ПК может быть представлена в виде накопителей на: магнитных и оптических дисках, на магнитной ленте. Существенным недостатком описанных видов внешней памяти является использование механических устройств. Порты ввода-вывода предназначены для временного размещения данных, передаваемых в центральную часть компьютера из внешних устройств или выводимых из центральной части в эти устройства. Имеются также порты общего назначения, к которым могут подсоединяться различные дополнительные внешние устройства.
Контрольные вопросы.
Что такое архитектура ЭВМ?
Какие Вам известны общие принципы построения ЭВМ?
Перечислите принципы Фон-Неймана
Перечислите состав системного блока
Что такое контроллер?
Перечислите контроллеры, смонтированные на материнской плате
Что такое разъем и его назначение?
Что такое порт, и какие функции он выполняет?
Что такое микропроцессор?
Какими показателями характеризуется оперативная память?
Что относится к внешним устройствам и их назначение?
Б.М. Каган «Электронно вычислительные машины и системы.» Москва «Радио и связь» 1991г
А.Д. Смирнов «Архитектура вычислительных систем» Москва «Радио и связь» 1990г.
Термин "архитектура" используется в популярной литературе по вычислительной технике достаточно часто. К сожалению, определение этого понятия и его содержание могут у разных авторов достаточно отличаться. Поэтому попробуем разобраться в этом вопросе более тщательно.
Начать целесообразно с происхождения термина. Слово "архитектура" в изначальном своем смысле используется в градостроении. Будучи достаточно сложной структурой, современный город состоит из районов, площадей, улиц, домов и т.п., расположенных определенным образом. Жителей города обычно мало интересует, как выглядит конкретный дом и из каких материалов он построен. Зато очень важно знать район, где этот дом расположен, улицы, ведущие к нему, и транспорт, пользуясь которым можно сократить время в пути.
Для того, чтобы ориентироваться в хитросплетении улиц и площадей, в любом городе существует исторически сложившаяся система названий, а также определенная нумерация домов.Наличие общепринятой адресации позволяет однозначно определить положение любого строения и в случае необходимости быстро отыскать его. Именно на существовании такой адресной системы построена работа почты.
Во многих случаях расположение улиц и присвоение им имен носит беспорядочный характер. В то же время бывает, что эта деятельность тщательно продумана и является продолжением общей планировки города, т.е. фактически частью его архитектуры. Классическим примером может служить известная система взаимно-перпендикулярных улиц (авеню и стриты) города Нью-Йорка. Помимо чисто практической, архитектура города может иметь еще и художественную ценность (что обычно больше интересует приезжих).Но этот аспект понятия "архитектура" вряд ли переносим на вычислительную технику.
Используя аналогию с градостроительством, естественно понимать под архитектурой ЭВМ ту совокупность их характеристик, которая необходима пользователю. Это, прежде всего, основные устройства и блоки ЭВМ, а также структура связей между ними. И действительно, если заглянуть, например, в "Толковый словарь по вычислительным системам", мы прочтем там, что термин "архитектура ЭВМ . используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных логических узлов ЭВМ (вследствие чего термин "архитектура" оказывается ближе к обыденному значению этого слова)."
Однако описание внутренней структуры ЭВМ вовсе не является самоцелью: с точки зрения архитектуры представляют интерес лишь те связи и принципы, которые являются наиболее общими, присущими многим конкретным реализациям вычислительных машин.Часто говорят даже о семействах ЭВМ, т.е. группах моделей, совместимых между собой. В пределах одного семейства основные принципы устройства и функционирования машин одинаковы, хотя отдельные модели могут существенно различаться по производительности, стоимости и другим параметрам. Ярким примером могут служить различные модификации компьютеров PDP фирмы DEC (более известные нашим пользователям по "отечественным аналогам" серии ДВК), семейство MSX-машин, к которому принадлежит широко распространенная "YAMAHA", а также заполнившие мир IBM-совместимые персональные компьютеры.
Именно то общее, что есть в строении ЭВМ, и относят к понятию архитектуры.
Важно отметить, что целью такой общности в конечном счете служит вполне понятное стремление: все машины одного семейства независимо от их конкретного устройства и фирмы-производителя должны быть способны выполнять одну и ту же программу (на практике из-за постоянного роста вычислительной мощности техники чаще используется менее жесткий принцип совместимости снизу вверх: все программы данной модели выполнимы на более старших, но не обязательно наоборот.
Отсюда неизбежно следует вывод, что с точки зрения архитектуры важны не все сведения о построении ЭВМ, а только те, которые могут как-то использоваться при программировании и "пользовательской" работе с ЭВМ. Равно как максимально подробная архитектура города не нуждается в описании марок кирпичей, из которых построены дома, и растворов, которыми эти кирпичи скреплены, так и архитектура ЭВМ не содержит описания электронных схем, других деталей реализации, "невидимых"для пользователя (например, внутренний ускоритель доступа к памяти).
Ниже - основной перечень тех наиболее общих принципов построения ЭВМ, которые относятся к архитектуре:
- структура памяти ЭВМ;
- способы доступа к памяти и внешним устройствам;
- возможность изменения конфигурации компьютера;
- система команд;
- форматы данных;
- организация интерфейса.
Суммируя все вышеизложенное, получаем следующее определение архитектуры: архитектура - это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов .
Классическая архитектура ЭВМ. Принципы фон Неймана
Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман (1903-1957). Он подключился к созданию первой в мире ламповой ЭВМ "ЭНИАК" в 1944 году, 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 году 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 по-прежнему двоичное кодирование данных 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 "ЭНИАК" 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 ей 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 течении первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяются в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода. 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, клавиатура - устройство ввода, а дисплей и печать - устройства вывода.
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 . ЗУ у современных компьютеров "многоярусно" и включает:
-
ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть необходимых для нее данных, некоторые управляющие программы),
- ПЗУ (постоянное запоминающее устройство).
На ОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не заканчивается - определенные функции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоминающее устройство) существуют 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 - это 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. Примером могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины.
По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы .
Компьютеру, как и человеку, необходимы свои «глаза и уши», с помощью которых он мог бы воспринимать информацию извне. В настоящее время имеются разнообразные устройства, выполняющие эти функции в составе компьютера. Они называются устройствами ввода , так как обеспечивают ввод в компьютер данных в различных формах: чисел, текстов, изображений, звуков.
Устройства ввода преобразуют эту информацию из формы, понятной человеку, в цифровую форму, воспринимаемую компьютером.
Современные компьютеры могут обрабатывать числовую, текстовую, графическую, звуковую и видеоинформацию .
Клавиатура — компьютерное устройство, которое располагается перед экраном дисплея и служит для набора текстов и управления компьютером с помощью клавиш, находящихся на клавиатуре.
Клавиатура позволяет вводить в компьютер числовую и текстовую информацию , а также различные команды и данные.
Микрофон используется для ввода звуковой информации, подключается к входу звуковой карты.
Сканер — устройство для перевода графической информации в цифровую.
Сканер используется для оптического ввода в компьютер и преобразования в компьютерную форму изображений (фотографий, рисунков, чертежей).
Сканеры используются и для бесклавиатурного ввода текста. Всякую информацию сканер воспринимает как графическую. Если это был текст, который в другом случае пришлось бы набирать вновь, то после работы сканера специальная программа распознавания текста, позволяющая выделить в считанном изображении отдельные символы и сопоставить с ними соответствующие коды символов, преобразовывает его в пригодный для обработки текст.
Веб-камера — малоразмерная цифровая видео- или фотокамера, способная в реальном времени фиксировать видеоизображения, предназначенные для дальнейшей передачи по компьютерной сети.
Цифровые камеры позволяют получать видеоизображение и фотоснимки в цифровом (компьютерном) формате. Позволяют вводить в компьютер графическую информацию.
Читайте также: