Архитектура фон Неймана

Вопрос: Что связывает картину "Джоконда" и ЭВМ?

Ответ: Первый в мире эскизный рисунок тринадцатиразрядного десятичного суммирующего устройства на основе колес с десятью зубцами принадлежит Леонардо да Винчи(1452 - 1519)

По этим чертежам в наши дни фирма IBM в целях рекламы построила работоспособную машину.

В 1822 г. англичанин Чарльз Бэббидж построил счетное устройство, которое назвал разностной машиной. В эту машину вводилась информация на картах. Для выполнения ряда математических операций в машине применялись цифровые колеса с зубьями. Десять лет спустя Бэббидж спроектировал другое счетное устройство, гораздо более совершенное, которое назвал аналитической машиной.

Современные ЭВМ имеют одну и ту же внутреннюю организацию, которую принято назвать архитектурой ЭВМ. Любая ЭВМ – автоматическое устройство обработки информации, все они сконструированы на основе электронных схем обработки электрических сигналов. А принцип их работы основывается на законах физики, математики и логики.

Мы различаем внешнюю архитектуру и внутреннюю архитектуру.

Во внешнюю архитектуру входит то, что видят люди, которые используют машину для своих целей.

Внутренняя архитектура – это то, из чего состоит машина и на чем основывается накопление, обработка и передача информации внутри машины.

В основе большинства современных и ранее разработанных ЭВМ лежит так называемый принцип фон Неймана, названный в честь Джона фон Неймана, американского ученного (1903-1957), впервые изложивший принципиальные положения архитектуры ЭВМ во II-ой половине 40-х годов.

Цель урока:

10.1.1.2 описывать функции устройства управления (УУ), арифметико-логического устройства (АЛУ) и регистр памяти как отдельных частей процессора.

Критерии успеха:

В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. 
В последствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальны и сегодня.

1. Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах.

Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.

Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.

3. Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ.

При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.

Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.

5. Возможность условного перехода в процессе выполнения программы.

В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.

Основные принципы:
ЭВМ состоит из процессора, памяти и внешних устройств.
Единственным источником активности ЭВМ является процессор, который управляет программами, находящимися в памяти ЭВМ.
Память состоит из ячеек, каждая из которых имеет свой адрес. Каждая ячейка хранит команду программы или некоторую единицу обрабатываемой информации.
В любой момент времени процессор выполняет одну команду программы, адрес которой находится в специальном регистре процессора – счетчика программ.
Обработка информации проходит только в регистре процессора. Информацию в процессор можно ввести из любой ячейки памяти или внешнего устройства и набором.
В каждой программе зашифровано следующее предписание: из каких ячеек взять на обработку информацию; какие совершить действия над информацией; в какие ячейки памяти направить полученную информацию; как изменить содержимое счетчика команд, чтобы знать, откуда брать следующую команду.
Процессор исполняет программу команду за командой в соответствии с изменением содержимого счетчика команд в памяти, пока не получит команду остановиться.

ПамятьГлавный принцип хранения информации в ЭВМ состоит в том, что любая информация кодируется в последовательность сигналов 2-х типов (намагниченный и ненамагниченный), которые соответствуют "0" и "1".Главным хранилищем информации ЭВМ является память. 

Оперативная память служит для хранения информации во время ее непосредственного использования или обработки. После выключения питания компьютера информация в оперативной памяти стирается.

Долговременная память служит для хранения информации на долгие сроки. После выключения питания компьютера информация в долговременной памяти не стирается. Для долговременного хранения информации используются магнитные носители (жесткие диски, гибкие дискеты, оптические диски и т.д.).

Объем памяти – важнейшая характеристика оперативной и долговременной памяти, она определяет максимальное количество информации, которая может храниться в оперативной или в носителях долговременной памяти. Объем памяти состоит из ячеек, которые нумеруются последовательными числами. Количество этих ячеек называется объемом памяти ЭВМ. В современных ЭВМ одна ячейка содержит 1 байт информации. Номер ячейки кодируется комбинацией из 16-ти единиц и нулей. Номер ячейки называется адресом.

Архитектура современных ПЭВМ основана на магистрально-модульном принципе. Этот принцип позволяет пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию.

Модульная организация системы опирается на магистральный принцип обмена информацией. Системная шина – набор электрических линий, связывающих воедино устройства ЭВМ и передающее сигналы между центральным процессором и периферийными устройствами. Обмен информацией между отдельными устройствами компьютера производиться между 3-мя шинами (многопроводным линиям связи), соединяющими все модули компьютера. Процессор выполняет арифметические и логические операции, взаимодействует с памятью, управляет и согласует работу периферийных устройств. Подключение отдельного модуля компьютера к магистрали на физическом уровне обеспечивают контроллеры, на программном уровне – драйверы. Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответствующее устройство смогло принять этот сигнал и правильно отреагировать на этот сигнал. За реакцию устройства процессор не отвечает, а отвечает только контроллер, поэтому внешние устройства ЭВМ заменяемы. Разрядность шины данных определяется разрядность процессора, т.е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт.
Данные по шине данных могут передвигаться от процессора к любому устройству. К основным режимам работы процесса использования шины передачи данных можно отнести следующие: запись, чтение данных с устройств ввода, из ОЗУ, пересылка данных на устройства вывода.

Процессор - центральное устройство компьютера; он выполняет находящиеся в оперативной памяти команды программы и "общается" с внешними устройствами по средствам шины адреса, данных и управления; алгоритм работы процессора состоит в последовательном считывании команд из памяти и их выполнение.

Можно выделить четыре этапа обработки процессором команд:
Выборка по счетчику команд очередной команды.
Считывание и выполнение этой команды.
Увеличение счетчика команд на 1.
Считывание следующие команды.

Счетчик команд – место, где хранится адрес очередной выполняемой команды.

В состав процессора входят следующие устройства:
Устройство управления ( УУ),
Арифметико-логическое устройство (АЛУ),
Регистры процессорной памяти.

1. Устройство управления (УУ) – управляет работой всех устройств компьютера по заданной программе.
а) оно вызывает из памяти очередную команду программы и все участвующие в операции числа;
б) отправляет их в арифметико-логическое устройство (АЛУ), а полученный результат пересылает в память.

2. АЛУ - арифметико-логическое устройство предназначено для обработки данных. Оно выполняет над числами и командами необходимые арифметические и логические операции. Получив исходные данные и выполнив необходимые операции, АЛУ выдает промежуточный или конечный результат, компьютер затем отправляет в ЗУ.

3. Регистры – это внутренняя память процессора.. Каждая из регистров служит своего рода черновиком, используя который процессор выполняет расчеты и сохраняет промежуточные результаты. У каждого регистра есть определенное назначение. В регистр – счетчик команд (СчК) помещается адрес той ячейки памяти ЭВМ, в кмпьютере хранится очередная исполняемая команда программы. В регистр команд (РК) помещается эта команда на время ее исполнения. Есть регистры, в которые помещают исходные данные и результаты выполнения команд. Полученный результат может быть переписан из регистра в ячейку ОЗУ.

Процессор состоит из устройства управления, которое управляет работой процессора с помощью электрических сигналов, арифметико-логического устройства, производящего операции над данными, и регистров для временного хранения этих данных и результаты операций над ними. Данные процессор считывает из ОЗУ. Туда же пересылает результат действия над этими данными. У компьютеров 4-го поколения функции центрального процессора выполняет микропроцессор. Выполнение микропроцессором команды предусматривает арифметические действия, логические операции, передача управления (условная или безусловная), перемещение из одного места памяти в другое, координация взаимодействия различных устройств ЭВМ. Процессоры характеризуются тактовой частотой (число машинных операции, обрабатываемых процессором за секунду), разрядностью (число одновременно обрабатываемых битов).

Рефлексия

- что узнал, чему научился
- что осталось непонятным
- над чем необходимо работать