Принцип хранимой программы фон неймана

Содержание

Первым теоретиком, сформулировавшим основы построения ЭВМ, был знаменитый математик Д. фон Нейман. По мнению фон Неймана ЭВМ состоит из:

1. арифметико — логического устройства (АЛУ), предназначенного для выполнения арифметических и логических операций;

2. устройства управления (УУ), организующего процесс выполнение программы;

3. оперативно запоминающего устройства (ОЗУ) — для хранения исходных данных и программ;

4. внешнего устройства для ввода и вывода информации.

Стрелки указаны пути прохождения информации и управляющего сигнала. ОЗУ состоит из пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываться данные либо команды программы. Номер ячейки называется адресом ячейки. Ячейка состоит из разрядов. В современных ЭВМ минимальной адресуемой единицей памяти служит 8 разрядная ячейка памяти — байт.

Более крупные ячейки: 2-байтовые — полуслово, 4 — байтовые- слово, 8 — байтовые — двойное слово.

Первый принцип фон Неймана гласит, что все ячейки ОЗУ должны быть одинаково доступны для всех других устройств компьютера, т.е. время доступа для чтения или записи информации должно быть одинаково для всех ячеек памяти и не зависит от момента доступа. Этот принцип называют принципом произвольного доступа к основной памяти.

Принципы фон Неймана

Второй принцип фон Неймана — принцип хранимой программы. Он гласит: программа, предназначенная для решения поставленной задачи, вводится в ОЗУ с внешнего устройства и хранится в ней наряду с обрабатываемыми данными. Программа выполняется автоматически по сигналу из устройства управления.

Этот принцип делает ЭВМ универсальным средством обработки информации, поскольку для решения новой задачи нужно ввести в память новую программу и соответствующие данные, а не перемонтировать электрические цепи, что делали в машине ENIAC.Программа, введенная в ОЗУ, выполняется следующим образом. По сигналу УУ считывается ячейка, где находится первая команда программы.

Затем команда расшифровывается, т.е. определяется какая операция должна быть выполнена, и определяются адреса ячеек, содержащих данные участвующие в операции. Посылаются соответствующие сигналы в АЛУ и ОЗУ. По этим сигналам организуется выполнение команды АЛУ. После этого из памяти выбирается следующая команда программы.

Организуется ее выполнение и так до тех пор, пока не встретится команда, предписывающая закончить вычисления. Конечно, в программе должна быть команда, предписывающая вывести из памяти полученные результаты. По сигналу из УУ результаты выводятся на устройство вывода информации.

Классификация ЭВМ. ПК.

По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса: аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ).

Цифровые вычислительные машины (ЦВМ) – вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме.

Аналоговые вычислительные машины (АВМ) – вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения). Аналоговые вычислительные машины весьма просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения на них, как правило, нетрудоемкое; скорость решения задач изменяется по желанию оператора и может быть сделана сколь угодно большой (больше, чем у ЦВМ), но точность решения задач очень низкая (относительная погрешность 2-5 %). На АВМ наиболее эффективно решать математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики.

8 урок. Принципы Фон-Неймана

Гибридные вычислительные машины (ГВМ) – вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

Классификация ЭВМ по этапам создания:

По назначению ЭВМ можно разделить на три группы: универсальные (общего назначения), проблемно-ориентированные и специализированные.

Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных инженерно-технических задач: экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах.

Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных.

АРХИТЕКТУРА ФОН НЕЙМАНА: ПРОИСХОЖДЕНИЕ, МОДЕЛЬ, КАК РАБОТАЕТ — ТЕХНОЛОГИЯ — 2023

АРХИТЕКТУРА ФОН НЕЙМАНА: ПРОИСХОЖДЕНИЕ, МОДЕЛЬ, КАК РАБОТАЕТ - ТЕХНОЛОГИЯ - 2023

Архитектура фон Неймана — это теоретический проект, позволяющий хранить программу внутри компьютера, которая служит основой почти для всех компьютеров, которые производятся в настоящее время.

Машина фон Неймана состоит из центрального процессора, который включает в себя арифметико-логический блок и блок управления, а также основную память, вторичную память и устройства ввода / вывода.

Источник: Дэвид Стригой — собственная работа, общественное достояние, commons.wikimedia.org

Эта архитектура предполагает, что каждое вычисление извлекает данные из памяти, обрабатывает их, а затем отправляет обратно в память.

В архитектуре фон Неймана одна и та же память и одна и та же шина используются для хранения как данных, так и инструкций, выполняющих программу.

Улучшение архитектуры

Поскольку доступ к данным и программной памяти невозможен одновременно, архитектура фон Неймана склонна к возникновению узких мест и снижению производительности компьютера. Это то, что известно как «узкое место» фон Неймана, от которого зависят мощность, производительность и стоимость.

Одно из внесенных изменений касалось переосмысления того, сколько данных действительно нужно отправить в память, а сколько можно сохранить локально.

Таким образом, вместо того, чтобы отправлять все в память, несколько кешей и прокси-кешей могут уменьшить поток данных от микросхем процессора к различным устройствам.

происхождения

В 1945 году, после Второй мировой войны, двое ученых независимо друг от друга подняли вопрос о том, как создать более гибкий компьютер. Одним из них был математик Алан Тьюринг, а другим — не менее талантливый ученый Джон фон Нейман.

Британец Алан Тьюринг принимал участие во взломе кода Enigma в Блетчли-парке с помощью компьютера «Колосс». С другой стороны, американец Джон фон Нейман работал над Манхэттенским проектом по созданию первой атомной бомбы, который требовал большого количества ручных расчетов.

До этого компьютеры военного времени были более или менее «запрограммированы» путем переподключения всей машины для выполнения другой задачи. Например, первому компьютеру под названием ENIAC потребовалось три недели на повторное подключение для выполнения другого расчета.

Новая концепция заключалась в том, что в памяти должны храниться не только данные, но и программа, обрабатывающая эти данные, должна храниться в той же памяти.

Эта внутренне хранимая программная архитектура широко известна как архитектура фон Неймана.

Эта новая идея означала, что компьютер с такой архитектурой будет намного проще перепрограммировать. Действительно, сама программа будет обрабатываться так же, как и данные.

Модель

В основе модели фон Неймана лежит мысль о том, что программа хранится внутри машины. Блок памяти содержит данные, а также программный код. Архитектурный дизайн состоит из:

Источник: от UserJaimeGallego — этот файл является производным от Von Neumann Architecture.svg, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.org

— Центральный процессор (ЦП)

Это цифровая схема, которая отвечает за выполнение инструкций программы. Его еще называют процессором. ЦП содержит АЛУ, блок управления и набор регистров.

Логическая арифметическая единица

Эта часть архитектуры участвует только в выполнении арифметических и логических операций с данными.

Будут доступны обычные вычисления сложения, умножения, деления и вычитания, но также будут доступны сравнения данных, такие как «больше чем», «меньше чем», «равно».

Устройство управления

Он контролирует работу ALU компьютера, памяти и устройств ввода / вывода, инструктируя их, как действовать в соответствии с инструкциями в программе, которую вы только что прочитали из памяти.

Блок управления будет управлять процессом перемещения данных и программ в память и из памяти. Он также позаботится об исполнении программных инструкций, по одной или последовательно. Сюда входит идея регистра для хранения промежуточных значений.

документация

Это области высокоскоростной памяти на ЦП. Все данные должны храниться в регистре, прежде чем их можно будет обработать.

Регистр адреса памяти содержит местоположение данных, к которым необходимо получить доступ. Регистр данных памяти содержит данные, которые передаются в память.

— Объем памяти

У компьютера будет память, в которой могут храниться данные, а также программа, обрабатывающая эти данные. В современных компьютерах это оперативная или основная память. Эта память быстрая и доступна напрямую ЦП.

Оперативная память разделена на ячейки. Каждая ячейка состоит из адреса и его содержимого. Адрес будет однозначно идентифицировать каждое место в памяти.

— Вход-выход

Эта архитектура позволяет уловить идею о том, что человеку необходимо взаимодействовать с машиной через устройства ввода-вывода.

— Автобус

Информация должна перемещаться между различными частями компьютера. В компьютере с архитектурой фон Неймана информация передается от одного устройства к другому по шине, соединяя все блоки ЦП с основной памятью.

Адресная шина передает адреса данных, но не данных, между процессором и памятью.

Шина данных передает данные между процессором, памятью и устройствами ввода-вывода.

Как работает архитектура фон Неймана?

Соответствующий принцип архитектуры фон Неймана заключается в том, что и данные, и инструкции хранятся в памяти и обрабатываются одинаково, что означает, что инструкции и данные являются направленными.

Он работает, используя четыре простых шага: найти, декодировать, выполнить, сохранить, что называется «машинным циклом».

Инструкции берутся процессором из памяти. Затем ЦП декодирует и выполняет эти инструкции. Результат сохраняется в памяти после завершения цикла выполнения инструкции.

Ищи

На этом этапе инструкции берутся из ОЗУ и кэшируются для доступа блоку управления.

раскодировать

Блок управления декодирует инструкции таким образом, чтобы логический арифметический блок мог их понять, а затем отправляет их в логический арифметический блок.

Бегать

Арифметический логический блок выполняет инструкции и отправляет результат обратно в кэш.

На складе

Как только счетчик программы показывает остановку, окончательный результат загружается в основную память.

Узкое место

Если машина фон Неймана желает выполнить операцию с данными в памяти, они должны быть переданы по шине в ЦП. После выполнения расчета результат нужно перенести в память по той же шине.

Узкое место по фон Нейману возникает, когда данные, вводимые или удаляемые из памяти, должны задерживаться до завершения текущей операции с памятью.

То есть, если процессор только что завершил вычисление и готов выполнить следующее, он должен записать законченное вычисление, занимающее шину, в память, прежде чем он сможет извлечь новые данные из памяти, которые также используют ту же шину.

Это узкое место со временем усугублялось, потому что микропроцессоры увеличили свою скорость, а с другой стороны, память не развивалась так быстро.

преимущество

— Блок управления таким же образом извлекает данные и инструкции из памяти. Таким образом, конструкция и разработка блока управления упрощаются, становятся дешевле и быстрее.

— Данные с устройств ввода / вывода и из основной памяти извлекаются таким же образом.

— Организацией памяти занимаются программисты, что позволяет использовать весь объем памяти.

— Управлять одним блоком памяти проще и легче.

— Конструкция микросхемы микроконтроллера намного проще, так как будет доступна только одна память. Самое важное в микроконтроллере — это доступ к оперативной памяти, и в архитектуре фон Неймана он может использоваться как для хранения данных, так и для хранения программных инструкций.

Разработка операционных систем

Главное преимущество наличия одинаковой памяти для программ и данных состоит в том, что программы можно обрабатывать так, как если бы они были данными. Другими словами, вы можете писать программы, данными которых являются другие программы.

Программа, данные которой представляют собой другую программу, не более чем операционная система. Фактически, если бы программы и данные не были разрешены в одном и том же пространстве памяти, как в случае с архитектурой фон Неймана, операционные системы никогда не могли бы быть разработаны.

Недостатки

Хотя преимущества намного перевешивают недостатки, проблема заключается в том, что имеется только одна шина, соединяющая память с процессором, поэтому одновременно может быть выбрана только одна инструкция или элемент данных.

Это означает, что процессору, возможно, придется дольше ждать прибытия данных или инструкций. Это известно как узкое место фон Неймана. Поскольку ЦП намного быстрее шины данных, это означает, что он часто простаивает.

— Из-за последовательной обработки инструкций параллельное выполнение программы не допускается.

— При совместном использовании памяти существует риск того, что одна инструкция будет записана поверх другой из-за ошибки в программе, что приведет к сбою системы.

— Некоторые дефектные программы не могут освободить память после завершения работы, что может привести к зависанию компьютера из-за нехватки памяти.

— Данные и инструкции используют одну и ту же шину данных, хотя скорость, с которой каждая из них должна быть извлечена, обычно сильно различается.

Ссылки

Полупроводниковая техника (2019). Архитектура фон Неймана. Взято с: semiengineering.com
Скотт Торнтон (2018). В чем разница между архитектурой фон-Неймана и Гарварда? Советы по микроконтроллеру. Взято с: microcontrollertips.com.
Обучай ИКТ (2019). Машина фон Неймана. Взято с сайта: learn-ict.com.
Компьютерные науки (2019). Архитектура фон Неймана. Взято с сайта: computerscience.gcse.guru.
Изучите ИТ с г-ном С. (2019). Машина фон Неймана. Взято с сайта learnitwithmrc.co.uk.
Твердотельные носители (2017). Как работают компьютеры? Архитектура фон Неймана. Взято с: solidstateblog.com.

Источник: ru.sperohope.com

Структура ЭВМ по фон Нейману. Принципы фон Неймана

Первым теоретиком, сформулировавшим основы построения ЭВМ, был знаменитый математик Д. фон Нейман. В 1945 году он подготовил доклад, в котором ясно и просто описал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств. Эти принципы используются до сих пор, они определяют структуру ЭВМ любого поколения. По мнению фон Неймана, ЭВМ состоит из:

1) Арифметико-логического устройства (АЛУ), предназначенного для выполнения арифметических и логических операций;

2) Устройства управления (УУ), организующего процесс выполнение программы;

3) Оперативно запоминающего устройства (ОЗУ), для хранения исходных данных и программ;

4) Внешнего устройства для ввода и вывода информации.

Рисунок: Стрелки указаны пути прохождения информации и управляющего сигнала. ОЗУ состоит из пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываться данные либо команды программы. Номер ячейки

называется адресом ячейки. Ячейка состоит из разрядов. В современных ЭВМ минимальной адресуемой единицей памяти служит 8 разрядная ячейка памяти – байт. Более крупные ячейки: 2-байтовые – полуслово, 4 – байтовые — слово, 8 – байтовые – двойное слово.

Второй принцип фон Неймана – принцип хранимой программы. Он гласит: программа, предназначенная для решения поставленной задачи, вводится в ОЗУ с внешнего устройства, и храниться в ней наряду с обрабатываемыми данными. Программа выполняется автоматически по сигналу из устройства управления. Этот принцип делает ЭВМ универсальным средством обработки информации, поскольку для решения новой задачи нужно ввести в память новую программу и соответствующие данные, а не перемонтировать электрические цепи, что делали в машине ENIAC.

Д. фон Нейман сформулировал и другие принципы работы ЭВМ. Например, дублирование важнейших электрических цепей и важнейших электрических цепей и важнейшей информации. Но именно выше описанные два принципа определяют архитектуру ЭВМ.

Воспользуйтесь поиском по сайту:

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2023 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.013 с) .

Источник: studopedia.org