Информатика10классАрхитектураФонНейманаПрезентация

Архитектура фон Неймана

Цели урока

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

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.

4

Память(программа и данные)

Устройство управления

Арифметико-логическое
устройство

ввод

вывод

Джон Фон Нейман

5

Память(Программа)

Устройство
управления

Арифметико-логическое
устройство

ввод

вывод

Память(Данные)

Принцип двоичного кодирования
Принцип однородности памяти – совместного хранения данных и исполняемого кода в памяти
Принцип адресности
Принцип программного управления

Существует несколько интерпретаций закона Мура:
• наиболее выгодное число транзисторов на кристалле удваивается каждый год;
• число транзисторов в производимых чипах удваивается каждые два года;
• технологически возможное число транзисторов на кристалле микропроцессора удваивается каждые два года;
• производительность микропроцессоров удваивается каждые 18 мес.;
• вычислительная мощность компьютера удваивается каждые 18 мес.;
• доступная вычислительная мощность удваивается каждые 18 мес.;
• плотность транзисторов на чипе удваивается каждые 18 мес.; 

Центральный процессор

Центральный процессор

Центра́льный (CPU) — электронный блок либо интегральная схема, исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.

10

Память

Центр процессор

Ввод-вывод

УУ

АЛУ

11

АЛУ - блок процессора, который под управлением устройства управления (УУ) служит для выполнения арифметических и логических преобразований (начиная от элементарных) над данными, называемыми в этом случае операндами.

операции двоичной арифметики для чисел с фиксированной точкой;
операции двоичной (или шестнадцатеричной) арифметики для чисел с плавающей точкой;
операции десятичной арифметики;
операции индексной арифметики (при модификации адресов команд);
операции специальной арифметики;
операции над логическими кодами (логические операции);
операции над алфавитно-цифровыми полями.

CMPUT101 Introduction to Computing

(c) Yngvi Bjornsson

13

Структура АЛУ

- блок регистров для приема и размещения операндов и результатов;

- операционный блок, в котором осуществляется преобразование операндов в соответствии с реализуемыми алгоритмами;

- схемы контроля, обеспечивающие непрерывный оперативный контроль и диагностирование ошибок;

- блок управления (БУ), в котором после приема кода операции (КОП) из центрального устройства управления формируются управляющие сигналы (УС), координирующие взаимодействие всех узлов АЛУ между собой и с другими блоками процессора.

ALU circuitry

R0

R1

R2

Rn

CMPUT101 Introduction to Computing

(c) Yngvi Bjornsson

14

Устройство управления

Устройство управления (УУ) — часть центрального процессора. Оно вырабатывает распределенную во времени и пространстве по­следовательность внутренних и внешних управляющих сигналов, обеспечивающих выборку и выполнение команд.

Цикл выполнения команды состоит из двух основных фаз:
1 – выборка; 2 – выполнение.
В фазе выборки команда считывается из памяти по адресу содержащемуся в счетчике команд (Program Counter). Код операции поступает в регистр команд, декодируется, если команда состоит из нескольких байт, то происходит их считывание.

RAM / Memory

CPU

Can I take any data?

Yes! Here they are!

Этап Выборка

На этапе выполнения команды в соответствии с типом реализуемой операции УУ формирует требуемый набор ко­манд низкого уровня для арифметико-логического устройства и дру­гих устройств. Эти команды задают последовательность простейших низкоуровневых операций, таких, как пересылка данных, сдвиг дан­ных, установка и анализ признаков, запоминание результатов и др.
После того команда полностью считана, происходит ее выполнение. Это цикл управления Фон Неймана (цикл выборки выполнения).

Этапы 1, 2, 3 повторяются столько раз, сколько слов имеет команда.

17

Структура УУ

В простейшем случае УУ имеет в своем составе три устройства — регистр команды, который содержит код команды во время ее выпол­нения, программный счетчик, в котором содержится адрес очередной подлежащей выполнению команды, регистр адреса, в котором вычис­ляются адреса операндов, находящихся в памяти.

18

Компьютерная ши́на (англ. computer bus) в архитектуре компьютера — подсистема, служащая для передачи данных между функциональными блоками компьютера. В устройстве шины можно различить механический, электрический (физический) и логический (управляющий) уровни.
Шина данных
Адресная шина
Управляющая шина

19

Шина данных

Адресная шина

Управляющая шина

CPU

Memory

I/O Device 1

I/O Device n

…

Вопросы для контроля усвоенного материала:

Что включает в себя понятие архитектуры компьютера?

Обозначьте принципы работы компьютера, сформулированные Джоном фон Нейманом.

Что включает в себя архитектура компьютеров первых поколений?

Каковы основные принципы магистрально-модульного устройства компьютера?

Какие новые элементы архитектуры характерны для современного ПК?