Принцип однородности памяти кратко

Обновлено: 04.07.2024

Каждая научная или техническая сфера имеет под собой определённые фундаментальные идеи и положения, которые предопределяют в течение многих лет её содержание или вектор развития. В компьютерных науках огромный вклад внесли принципы, которые были сформированы независимо друг от друга двумя известными учёными 20-го века: Джоном фон Нейманом и Сергеем Алексеевичем Лебедевым.

Принцип — это главное, исходное положение какой-нибудь теории, учения, науки и прочего.

Принципы Неймана-Лебедева — это стандартные принципы формирования ЭВМ, которые были сформированы в середине 20-го века, не потерявшие свою актуальность и в современности.

Джон фон Нейман — это американский учёный, который сделал огромный вклад в развитие множества математических и физических сфер. В 1946-м году в процессе анализа преимуществ и недостатков ЭНИАКа, он вместе со своими коллегами сформулировал идею нового типа организации ЭВМ.

Смысл положений

Опишем значение главных принципов Неймана-Лебедева:

Состав стандартных элементов вычислительной машины;
Принцип двоичного кодирования;
Принцип однородности памяти;
Принцип адресности памяти;
Принцип иерархической структуры памяти;
Принцип программного управления.

Состав базовых элементов вычислительной техники

Всякое устройство, которое может осуществлять автоматические расчёты, должно иметь конкретную совокупность элементов: блок обработки сведений, блок управления, блок памяти и блоки ввода-вывода сведений.

Функциональная схема такого компьютера, которая отображает программное управление работой и взаимодействие его главных узлов, описана на рисунке.

Его информационный центр — это процессор. Посредством него проходят все потоки сведений, изображённые с помощью тонких стрелок. Также он управляет всеми процедурами, которые изображаются жирными стрелками.

Подобные блоки имеют и современные компьютеры. Среди них:

Процессор, который состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ), исполняющего обработку информации, и устройства управления (УУ), организовывающего исполнение программы и согласованную взаимосвязь между всеми узлами компьютера;
Память, которая предназначена для хранения исходной информации, промежуточных коэффициентов и собственно программы обработки данных. Выделяют внутреннюю и внешнюю память.

Большая часть внутренней памяти расходуется на временное сохранение программ и сведений при процедуре обработки. Подобный вид памяти называют оперативным запоминающим устройством (ОЗУ). Другой тип внутренней памяти — это постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), которое содержит в себе программу первоначальной загрузки компьютера.

Внешняя или долговременная память используется для продолжительного хранения программ и сведений в моменты между сеансами обработки:

Устройства ввода, которые преобразуют входные данные в формат, считываемый компьютером;
Устройства вывода, которые преобразуют результаты работы компьютера в формат, доступный для чтения человеком.

Помимо всего прочего, существуют особые различия в архитектуре между современными компьютерами и компьютерами первых поколей.

Принцип двоичного кодирования данных

Все сведения, которые предназначены для компьютерной обработки, такие как числа, тексты, аудиозаписи, графика и видеозаписи, в том числе и программы для её обработки, описываются в формате двоичного кода — последовательностей нулей и единиц.

Однако, применение стандартной двоичной системы счисления имеет определённые недостатки. Во-первых, в такой ситуации возникает проблема представления отрицательных чисел и нулевой избыточности. Решения этих проблем были найдены уже на стадии возникновения компьютерной техники.

В результате благодаря двоичному кодированию, информация и программы становятся схожими по формату представления, потому доступными для хранения в единой памяти.

Принцип однородности памяти

В одной и той же памяти не различают команды программ и хранимую информацию. Распознавание команд возможно лишь по методу использования. Такое высказывание — это принцип однородности памяти.

Команды и информация, которая описывается в памяти, не различаются, поэтому одно и то же значение в ячейке памяти может использоваться и в качестве команд, и в качестве сведений. Всё зависит исключительно от метода обращения к ячейке. Следовательно, если обращаться к двоичной последовательности как к числу, то в ней выделяют поле знака и поле значащих разрядов. Если же обращение происходит как к команде, тогда осуществляется выделение поля кода операции и поля адресов операндов.

Благодаря однородности памяти операции осуществляются не только над информацией, но и над командами. Например, если взять в качестве сведений для определённой программы команды другой, тогда в результате её функционирования можно получить команды третьей программы. На такой возможности основывается трансляция — перевод кода программы с языка высокого уровня на язык определённой вычислительной машины.

В структурном смысле оперативная память компьютера содержит в себе отдельные биты — однородные составляющие, имеющие два устойчивых состояния: соответствующее нулю или единице. Для того осуществления процесса записи или считывания, группы соседних битов соединяются и образуют ячейки памяти, имеющие индивидуальные номера (адреса).

Принцип адресности памяти

Команды и сведения размещены в единой памяти, которая состоит из ячеек, имеющих собственные номера (адреса). В этом смысл принципа адресности памяти.

Стоит обратить внимания, что сведения считываются из ячеек и заносятся в них в произвольном порядке, таким образом процессор в любой момент времени имеет доступ ко всякой ячейке памяти. Память с такой организацией называется памятью с произвольным доступом.

Компьютеры разных поколений имели разную разрядность ячеек памяти, то есть, число битов в ячейке. Современные компьютеры основываются на восьмибитной ячейке. Подобная ячейка используется для работы с единственным символом. Для того чтобы хранить числа, используют несколько последовательных ячеек.

Современные компьютеры способны одновременно извлекать из памяти и обрабатывать до 64 разрядов, то есть, до восьми байтовых ячеек. Это происходит благодаря организации принципа параллельной обработки данных — одновременного или параллельного исполнения более одного действия.

Принцип иерархической организации памяти

Выделяют два требования, которые предъявляются к компьютерной памяти:

Объём памяти должен быть максимально большим;
Время доступа к памяти должно быть наименьшим.

Однако, практически невозможно спроектировать запоминающее устройство, которое будет удовлетворять всем перечисленным условиям. Сложно искать необходимые данные в памяти большого объёма, поэтому их чтение происходит медленнее. Для того чтобы ускорить этот процесс, необходимо использовать усложнённые решения, в результате чего повышается стоимость оборудования компьютера. Чтобы решить эту проблему, потребуется использовать несколько разных взаимосвязанных типов памяти. На этом основывается принцип иерархической организации памяти.

Современные компьютеры прибегают к устройствам памяти различных уровней, которые отличаются характерными особенностями: временем доступа, сложностью, объёмом и ценой. Также наиболее высокий уровень памяти занимает меньший объём, имеет более высокую скорость и цену в пересчёте на байт, чем более низкий уровень. Иерархические уровни связаны между собой: вся информация на одном уровне находится и на более низких уровнях.

Большая часть алгоритмов работает за счёт обращения в каждый период времени к небольшой совокупности сведений, которая способна перемещаться в более быструю, но дорогую, а оттого небольшую память. Применение быстрой памяти улучшает производительность вычислительного комплекса.

Принцип программного управления

Характерная особенность компьютеров от всего прочего технического оборудования — это программное управление их функционированием.

Принцип программного управления формирует конкретную упорядоченность автоматического исполнения программы.

Расчёты, которые предусматривает алгоритм нахождения решения задачи, представляются в виде программы, составленной из набора команд. В качестве команд выступают закодированные управляющие слова, где описывается:

Какое действие следует выполнить;
С помощью каких ячеек высчитываются операнды — сведения, использующиеся для процедуры;
Куда заносится результат процедуры.

Команды, которые входят в программу, автоматически используются процессором в конкретном порядке. Вместе с тем отрабатывается конкретный пошаговый алгоритм:

Чтение команды из памяти и её дешифровка;
Составления адреса конкретной команды;
Исполнение команды.

Подобный алгоритм повторяется перед наступлением команды, которая означает конец исполнения программы, выполняющей поиск решения определённой задачи. Современные компьютеры после завершения работы программы отдают управление операционной системе.

Принцип однородности памяти

Команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти неразличимы. Распознать их можно только по способу использования; то есть одно и то же значение в ячейке памяти может использоваться и как данные, и как команда, и как адрес в зависимости лишь от способа обращения к нему. Это позволяет производить над командами те же операции, что и над числами, и, соответственно, открывает ряд возможностей. Так, циклически изменяя адресную часть команды, можно обеспечить обращение к последовательным элементам массива данных. Такой прием носит название модификации команд и с позиций современного программирования не приветствуется. Более полезным является другое следствие принципа однородности, когда команды одной программы могут быть получены как результат исполнения другой программы. Эта возможность лежит в основе трансляции — перевода текста программы с языка высокого уровня на язык конкретной вычислительной машины.

Принцип адресности

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причем процессору в произвольный момент доступна любая ячейка. Двоичные коды команд и данных разделяются на единицы информации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, а для доступа к ним используются номера соответствующих ячеек — адреса.

Принцип программного управления

Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов — команд. Каждая команда предписывает некоторую операцию из набора операций, реализуемых вычислительной машиной. Команды программы хранятся в последовательных ячейках памяти вычислительной машины и выполняются в естественной последовательности, то есть в порядке их положения в программе. При необходимости, с помощью специальных команд, эта последовательность может быть изменена. Решение об изменении порядка выполнения команд программы принимается либо на основании анализа результатов предшествующих вычислений, либо безусловно.

Принцип двоичного кодирования

Данные и команды кодируются двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип информации представляется двоичной последовательностью и имеет свой формат. Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. В числовой информации обычно выделяют поле знака и поле значащих разрядов. В формате команды можно выделить два поля: поле кода операции и поле адресов.

Читайте также: