Принципы фон Неймана — это методы общей организации структуры памяти электронной вычислительной машины.
История разработки принципов фон Неймана
Основные положения о структурной организации электронных вычислительных машин были разработаны фон Неманом в 1944-ом году, когда он участвовал в проектировании первой электронной вычислительной машины ЭНИАК, базовым элементом которой стали электровакуумные лампы. При проектировании этого компьютера в Университете Пенсильвании фон Нейман принимал участие в постоянных дискуссионных беседах с другими специалистами, итогом которых стала идея о реализации более мощного компьютера.
Ему дали название EDVAC. Проектирование пары этих компьютеров было продолжено параллельно. К началу 1945-го года главные положения логической организации компьютера были отражены в отчётной документации военным руководителям специальной лаборатории армии Соединённых Штатов, по заказу которой и велись эти работы.
Отчёт предназначался для использования внутри организации, и там излагались только контуры базовых идей, но армейское руководство представило его широкому кругу профессионалов, чтобы узнать их мнение. Но так как фамилия фон Неймана стояла на титульном листе отчёта, то все читатели отчёта подумали, что он единственный автор изложенных в отчёте идей. В отчёте было очень много информационных данных, которые давали возможность каждому учёному, изучившему его, спроектировать компьютер, аналогичный по структурной организации EDVAC.
8 урок. Принципы Фон-Неймана
Принципы фон Неймана
Архитектурная организация электронной вычислительной машины EDVAC стала именоваться именно как архитектура фон Неймана. В 1946-ом году фон Нейман вместе с соавторами выпустил работу «Предварительное изучение логического построения электронного вычислительного оборудования», в котором детально представлены элементы конструкции электронной вычислительной машины. С той поры прошло уже очень много лет, но заложенные в том постулате идейные послания и базовые методики не потеряли актуальности и сегодня.
В этой работе было представлено доказательство необходимости использования двоичной системы счисления, хотя до выхода этого основополагающего труда всё вычислительное оборудование применяло десятичную систему счисления. Авторы в наглядной форме показали все преимущества бинарного кодирования в электронных вычислительных устройствах, представили примеры простоты и удобства выполнения в них арифметических и логических операций.
В дальнейшем, в вычислительных устройствах стали обрабатывать все типы информации (не только числовые), однако главным методом её кодировки по-прежнему оставалась двоичная система. Однако необходимо заметить, что были и устройства, использовавшие троичную систему счисления.
У использования троичной системы в компьютерном оборудовании есть отдельные преимущества относительно бинарного кодирования, но при этом имеются и определённые недостатки. К преимуществам можно отнести увеличение быстродействия при осуществлении арифметических операций. К примеру, операция сложения выполнялась примерно в полтора раза быстрее. Но основным недостатком было существенное повышение сложности компьютерного устройства, если применялась троичная система кодирования.
Принципы фон Неймана
«Принципы фон Неймана»
Готовые курсовые работы и рефераты
Решение учебных вопросов в 2 клика
Помощь в написании учебной работы
Кроме двоичной системы счисления, у фон Неймана была другая, по истине революционная для своего времени, идея. А именно, это метод «сохранения программы». Первоначально программа задавалась установкой перемычек на специальной коммутационной панели. Такая операция имела повышенную трудоёмкость и требовала значительных временных затрат.
Например, для замены программы в компьютере ЭНИАК, требовался примерно один день, а сама программа выполнялась буквально в течение нескольких минут и могла остановиться из-за выхода из строя какой-нибудь лампы, которых было просто очень много. Вместе с тем, имеется возможность хранить программное приложение в бинарном формате так же, как и обрабатываемые данные, в памяти машины.
Так как не существует принципиального отличия набора программных кодов и информационных данных, то это даёт возможность самому компьютеру выполнить компоновку своего программного обеспечения по итогам предшествующих операций. Наличие всего командного набора и модулей программ являлось характерной чертой компьютеров тех времён.
В сегодняшнем оборудовании такая структурная организация применяется для упрощения его конструкции. Например, в обычных калькуляторах сразу внесен в память весь возможный командный набор. Калькуляторы можно использовать только для выполнения арифметических операций, осуществлять какие-то другие процедуры невозможно.
Изменить заложенную в такие устройства рабочую программу можно лишь при помощи их полной переделки, что на практике никогда не делается. А вот занесение новой программы в электронные вычислительные машины первого поколения всё-таки выполнялось, что требовало огромного объёма ручного труда по формированию новой документации, ручной установке необходимых коммутационных перемычек, переналадке узлов и других компонентов. Ситуация в корне меняется, если использовать принцип хранения программных кодов в общей памяти.
Итак, фон Нейманом были сформулированы следующие основополагающие принципы построения компьютерных вычислительных устройств:
- Принцип однородности памяти. Командные кодовые последовательности и коды данных не имеют отличий при сохранении в выбранные участки памяти. Отличаются они только методикой их использования и это значит, что они могут быть как данными, так и адресом или кодом команды. Всё решает метод использования этого кода.
- Принцип адресности. Структурная организация памяти является набором пронумерованных ячеек и процессорный модуль в каждый момент времени может обратиться к любой ячейке.
- Принцип программного управления. Все процессы вычислений обязаны иметь формат программы, состоящей из набора команд.
Источник: spravochnick.ru
Узкие места архитектуры фон Неймана и пути её усовершенствования.
1.Понятие архитектуры и организации ЭВМ. Архитектура фон Неймана.
Под архитектурой компьютера принято понимать логическое представление компьютера с точки зрения программиста. Архитектура определяет организацию памяти, набор команд, форматы представления данных, 4 способы адресации памяти, механизмы ввода/вывода, а также правила функционирования компьютера. Примерами современных архитектур являются x86-64, ARM, POWER.
Каждая архитектура может иметь несколько аппаратных реализаций. Аппаратная реализация компьютера называется организацией или микроархитектурой. Микроархитектура определяет структуру компьютера, а именно, набор компонентов компьютера, их связи, функциональные возможности каждого компонента (например, количество арифметических логических устройств, число стадий конвейера, размер аппаратного регистрового файла или разрядность шины между оперативной памятью и процессором).
Архитектура фон Неймана — широко известный принцип совместного хранения команд и данных в памяти компьютера, который основывается на следующий принципах:
Принцип программного управления. Алгоритм решения задачи должен быть представлен в виде программы, состоящей из последовательности команд. Каждая команда должна принадлежать некоторому набору команд, реализуемых компьютером. Команды выполняются последовательно. Именно эта последовательность команд и управляет работой компьютера.
Принцип хранимой программы. Команды представляются в числовой форме и хранятся в оперативной памяти вместе с данными, а не задаются аппаратными средствами. Кроме того, в отличие от раздельного хранения команд и данных, это позволяет экономно распределить память между командами и данными.
Синхронное функционирование в ритме, задаваемом тактовым генератором. Команды выполняются последовательно, каждая за определенный квант времени, называемый тактом. Продолжительность такта фиксирована и определяется частотой тактового генератора, или тактовой частотой.
Принцип условного перехода. В наборе команд компьютера имеются специальные команды условных переходов. В зависимости от своего операнда, команда условного перехода может выбрать инструкцию в программе, которую требуется выполнять далее. Таким образом, возможно, организовывать циклы, итерационные процессы и т. д.
Принцип использования двоичной системы счисления для представления информации.Наиболее технологичной для аппаратной реализации оказалась двоичная система счисления, поэтому в компьютере все числа хранятся и обрабатываются именно в этой системе счисления. К логическим схемам, построенным для этой системы счисления, может быть применен аппарат булевой алгебры.
Принцип иерархичности запоминающих устройств. Причиной его введения стало несоответствие в стоимости и быстродействии различных типов памяти. Этот принцип предписывает располагать программы и данные для долговременного хранения на дешевой медленной памяти большого объема, а программы и данные, используемые в процессе вычислений, на дорогой быстрой памяти малого объема.
Узкие места архитектуры фон Неймана и пути её усовершенствования.
Схема компьютера Фон Неймана
Два шага функционирования компьютера
а)выбор команды
б)выполнение команды
· Последовательное выполнение команд.
· Хранение данных и программы в одном ОЗУ.
· Один канал связи.
· Скорость выполнения команд.
Программа и данные хранились в одной памяти. Современное хранение данных привело к тому, что доступ к командам и данным осуществляется через один канал. Пропускная способность ограничивает скорость работы комп.
· Усовершенствования в области CБИС-технологий.
· Архитектурные усовершенствования (усовершенствование организации компьютера)
Улучшения микроархитектуры направлены на ускорение доступа к оперативной памяти и выполнения команд. Ускорение доступа к памяти достигается за счет введения аппаратной и программной предвыборки команд и данных, дополнительных уровней иерархии памяти , виртуальной памяти, большего регистрового файла , высокоскоростных шин и т.д. Ускорение выполнения команд основано на упрощении набора команд, конвейеризированном выполнении команд и введении пространственного параллелизма выполнения программы ( на уровне данных, команд и потока команд).
Источник: megaobuchalka.ru
Классическая архитектура ЭВМ и принципы фон Неймана
Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил великий американский ученый Джон фон Нейман. Он подключился к созданию первой ламповой ЭВМ ENIAC, когда ее конструкция была уже выбрана. Фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. Вместе со своими коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом фон Нейман обосновал использование двоичной системы для представления чисел (раньше все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде). Они продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций.
Еще одной, поистине революционной идеей, является предложенный фон Нейманом принцип «хранимой программы». Он первый догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц в той же памяти, что и обрабатываемые числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.
Рис.2.1.7. Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана.
Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации,
пунктирные – управляющих сигналов от процессора к остальным устройствам.
Фон Нейман, кроме основополагающих принципов логического устройства ЭВМ, предложил также ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (в последствии объединенные в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода (рис. 2.1.7).
В данной 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 является одним из характерных признаков рассмотренной архитектуры.
Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили название «фон-неймановской архитектуры».
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Источник: studopedia.ru