Принципы фон Неймана (Архитектура фон Неймана)

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.

По сути, Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципиально новое.

Принципы фон Неймана

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.
2. Программное управление ЭВМ. 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.
4. Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.
5. Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.

Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.

Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было хранимой в памяти программы) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) мог потребоваться далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться годы, однако они работают на миллионах компьютеров после несколько минутной установки на жесткий диск.

Как работает машина фон Неймана

Машина фон Неймана состоит из запоминающего устройства (памяти) — ЗУ, арифметико-логического устройства — АЛУ, устройства управления – УУ, а также устройств ввода и вывода.

Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние ячейки памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных ячейках. У любой программы последняя команда должна быть командой завершения работы.

Команда состоит из указания, какую операцию следует выполнить (из возможных операций на данном «железе») и адресов ячеек памяти, где хранятся данные, над которыми следует выполнить указанную операцию, а также адреса ячейки, куда следует записать результат (если его требуется сохранить в ЗУ).

Арифметико-логическое устройство выполняет указанные командами операции над указанными данными.

Из арифметико-логического устройства результаты выводятся в память или устройство вывода. Принципиальное различие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройства вывода (принтер, монитор и др.) поступают так, как удобно человеку.

УУ управляет всеми частями компьютера. От управляющего устройства на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии.

Управляющее устройство содержит специальный регистр (ячейку), который называется «счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. УУ считывает из памяти содержимое ячейки памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство — «Регистр команд». УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера.

В результате выполнения любой команды счетчик команд изменяется на единицу и, следовательно, указывает на следующую команду программы. Когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов, то специальная команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать управление.

Принципы джона фон неймана схема вычислительной машины фон неймана

Компьютер должен иметь:

Память компьютера представляет собой некоторое количество пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково легко доступны для других устройств компьютера.

• С помощью внешнего устройства в память компьютера вводится программа.
• Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы и организует ее выполнение. Команда может задавать:
  • выполнение логических или арифметических операций;
  • чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций;
  • запись результатов в память;
  • ввод данных из внешнего устройства в память;
  • вывод данных из памяти на внешнее устройство.
• Устройство управления начинает выполнение команды из ячейки памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако этот порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему необходимо продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в иной ячейки памяти.
• Результаты выполнения программы выводятся на внешнее устройство компьютера.
• Компьютер переходит в режим ожидания сигнала от внешнего устройства.

Один из принципов «Архитектуры фон Неймана» гласит: в компьютере не придется изменять подключения проводов, если все инструкции будут храниться в его памяти . И как только эту идею в рамках “архитектуры фон Неймана» воплотили на практике, родился современный компьютер.

Как всякая техника, компьютеры развивались в сторону увеличения функциональности, целесообразности и красоты. Есть вообще утверждение, претендующее на закон: совершенный прибор не может быть безобразным по внешнему виду и наоборот, красивая техника не бывает плохой. Компьютер становится не только полезным, но и украшающим помещение прибором. Внешний вид современного компьютера, конечно, соотносится со схемой фон Неймана, но в то же время и разнится с ней.

Благодаря фирме IBM идеи фон Неймана реализовались в виде широко распространенного в наше время принципа открытой архитектуры системных блоков компьютеров. Согласно этого принципа компьютер не является единым неразъемным устройством, а состоящим из независимо изготовленных частей, причем методы сопряжения устройств с компьютером не являются секретом фирмы-производителя, а доступны всем желающим. Таким образом, системные блоки можно собирать по принципу детского конструктора, то есть менять детали на другие, более мощные и современные, модернизируя свой компьютер ( апгрейд , upgrade — «повышать уровень»). Новые детали полностью взаимозаменяемы со старыми. «Открыто архитектурными» персональные компьютеры делает также системная шина, это некая виртуальная общая дорога или жила, или канал, в который выходят все выводы ото всех узлов и деталей системного блока. Надо сказать, что большие компьютеры (не персональные) не обладают свойством открытости, в них нельзя просто так что-то заменить другим, более совершенным, например, в самых современных компьютерах могут отсутствовать даже соединительные провода между элементами компьютерной системы: мышью, клавиатурой («keyboard»– «клавишная доска») и системным блоком. Они могут общаться между собой при помощи инфракрасного излучения, для этого в системном блоке есть специальное окошко приема инфракрасных сигналов (по типу пульта дистанционного управления телевизора).

В настоящее время обычный персональный компьютер представляет собой комплекс, состоящий из:

• основной электронной платы (системной, материнской), на которой размещены те блоки, которые осуществляют обработку информации вычисления;
• схем, управляющих другими устройствами компьютера, вставляемых в стандартные разъемы на системной плате – слоты;
• дисков хранения информации;
• блока питания, от которого подводится электропитание ко всем электронным схемам;
• корпуса (системный блок), в котором все внутренние устройства компьютера устанавливаются на общей раме;
• клавиатуры;
• монитора;
• других внешних устройств.

Компьютеры, построенные на принципах фон Неймана

В середине 1940-х проект компьютера, хранящего свои программы в общей памяти был разработан в Школе электрических разработок Мура (англ. Moore School of Electrical Engineering ) в Университете штата Пенсильвания. Подход, описанный в этом документе, стал известен как архитектура фон Неймана, по имени единственного из названных авторов проекта Джона фон Неймана, хотя на самом деле авторство проекта было коллективным. Архитектура фон Неймана решала проблемы, свойственные компьютеру ENIAC, который создавался в то время, за счёт хранения программы компьютера в его собственной памяти. Информация о проекте стала доступна другим исследователям вскоре после того, как в 1946 году было объявлено о создании ENIAC. По плану предполагалось осуществить проект силами Муровской школы в машине EDVAC, однако до 1951 года EDVAC не был запущен из-за технических трудностей в создании надёжной компьютерной памяти и разногласий в группе разработчиков. Другие научно-исследовательские институты, получившие копии проекта, сумели решить эти проблемы гораздо раньше группы разработчиков из Муровской школы и реализовали их в собственных компьютерных системах. Первыми пятью компьютерами, в которых были реализованы основные особенности архитектуры фон Неймана, были:

Принципы фон Неймана

Фон Нейман сформулировал 5 основных принципов:

• Двоичная система в ЭВМ. Ее главное достоинство, в сравнении со стандартной, в том, что арифметические и логические счисления проходят намного проще. Стоит отметить, что фон Нейман в этом вопросе не стал первооткрывателем. В ЭВМ $Z1-Z4$, разработка которых стартовала в 1938 году в Германии, уже применялась двоичная система.
• Память в устройстве представляет собой линейную последовательность элементов (ячеек), при этом каждой присвоен адрес. Другие компоненты могут помещать данные в любой элемент, считывать их, обращаясь к нему по ее адресу. Такой принцип определяет возможность работы с переменными.
• Программное управление. Работа ЭВМ подчиняется программе, хранящейся в памяти, при этом участие человека не обязательно. Исключение — ситуации, когда участие заложено в ее суть, к примеру, ввод определенных данных. Чтобы лучше понять принцип действия таких программ, можно провести параллель с калькулятором. При этом любая команда сама определяет, какой будет следующий шаг, или дальнейшая команда будет выполняться из элемента, находящегося рядом. Процесс продолжается до того момента, пока программа не подойдет к концу.
• Память компьютера предназначена для хранения данных и программ. Компьютер не способен определять, что именно локализовано в элементе. Это определяет возможность выполнения над командами и данными одних и тех же действий. Компьютер не способен установить, что содержится в конкретной ячейке. И команды программы, и данные кодируются в двоичной системе счисления, то есть одинаково записываются. Так что есть ситуации, в которых над обоими видами информации можно выполнять одинаковые действия. Как результат, команды программы могут быть получены от предыдущей. Из этого принципа исходит другой — принцип сохранности программы в памяти вместе с данными. Это предопределяет сравнительную простоту изменения программы. Для ЭВМ, созданных до того, как фон Нейман сформулировал принципы, перепрограммирование было либо априори невозможным, либо для его реализации требовалось переключать перемычки на панели, что могло занять до нескольких суток.
• Условный переход. Независимо от того, что команды идут друг за другом, в них есть возможность переходить к любому участку кода.

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

Архитектура фон Неймана

Архитектура ЭВМ фон Неймана включает:

• Запоминающее устройство (ЗУ).
• Арифметико-логический блок (АЛБ).
• Управляющее устройство (УУ).
• Устройство ввода-вывода.

К каждому ЭВМ прилагается список операций, которые могут проводиться с его помощью. Команда имеет следующую структуру:

• Определение операции.
• Определение адресов ячеек, откуда берутся данные для проведения операции.
• Определение адресов ячеек памяти, куда сохраняются итоги.

Программа включает финальную команду для завершения. АЛБ проводит перечисленные в командах операции, и итоги записывает на ЗУ, или устройство вывода. Роль УУ — перенаправлять сигналы между составными частями, и принимать отчет об их состоянии. У последнего имеются собственные регистры, в том числе — специальный регистр команд. В нем содержаться номер той команды, которая восполняется в данную секунду. Когда она завершена, счетчик увеличивает значение на 1.

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Принципы фон Неймана на практике

Electronic Delay Storage Automatic calculator — первая машина, воплотившая перечисленные выше принципы на практике. Ее разработкой занимались сотрудники Кембриджского университета, и завершили работу в 1949 году. ЭВМ, созданные впоследствии, также производились на базе описанной архитектуры. На территории Советского Союза в 1951 году была создана ЭВМ МЭМС, более всего походившая на машины, созданные по принципам фон Неймана. Главным руководителем стал С.А.Лебедев.

В компьютерах последних поколений все так же применяется двоичная система, принципы автоматической работы и сохранности. Оставшиеся 2 принципа применяются в отдельных случаях.

Есть модели, способные устанавливать отличия между данными и программами. В таких компьютерах ячейки не просто хранят информацию, но и имеют метку, указывающую на характер ее содержимого. Чтобы сэкономить память, метки устанавливаются не на каждую ячейку, а на их последовательность, что дает возможность различать команды и данные.

Во многих современных компьютерах нарушаются принципы однородности и линейности. К примеру, память состоит из 2 частей с независимыми адресами ячеек, или ячейки в принципе без адресов (ассоциативная память).

Все модели новых поколений, у которых больше 1 процессора, не выполняют команды последовательно. У таких компьютеров есть возможность выполнять сразу несколько команд, при этом они могут относиться к одной программе, или к разным.