Принципы построения эвм кратко

Обновлено: 02.07.2024

Основные из традиционных принципов построения ЭВМ , сформулированные фон Нейманом, следующие:

наличие единого вычислительного устройства, включающего процессор, средства передачи информации и память;
линейная структура адресации памяти, состоящей из слов фиксированной длины;
двоичная система исчисления;
централизованное последовательное управление;
хранимая программа;
низкий уровень машинного языка;
наличие команд условной и безусловной передачи управления;
АЛУ с представлением чисел в форме с плавающей точкой.

Кроме машин фон Неймана существуют потоковые и редукционные ЭВМ. Дж. Деннис в 1967 г. сформулировал принципы построения потоковых ЭВМ - должны выполняться все команды, для которых есть данные, независимо от их места в программе; управление вычислительным процессом переходит от программы к данным.

В 1971-1974 гг. исследованы принципы создания машин, управляемых заданиями, в которых выполнение операций определяется потребностью в результате, и единообразно хранятся любые объекты: данные, программы, файлы, массивы - редукционные ЭВМ.

Поколения ЭВМ

В основе выделения поколений ЭВМ лежит элементная база процессора. Эта и другие характеристики ЭВМ разных поколений приведены в таблице 1.1.

Классификация ЭВМ

Одна из общепринятых классификаций ЭВМ приведена Б.С. Богумирским. Нам она представляется приемлемой и на сегодняшний день.

Большие ЭВМ (mainframe) IBM 360/370, ЕС ЭВМ, ES/9000, IBM S/390.
Супер-ЭВМ (Cray J90, Convex C38XX, IBM SP2, SGI POWER CHALLENGE, системы MPP, Электроника СС-100, Эльбрус-3).
Мини-ЭВМ (PDP-11, VAX, СМ ЭВМ).
Микро-ЭВМ:
- АРМ;
- встроенные;
- ПЭВМ.

С точки зрения взаимодействия команд и данных, интересна классификация ЭВМ по Флинну:

Человек, сформулировавший знаменитые принципы фон Неймана, родился в 1903 г. в Будапеште. Выходец из еврейской семьи, Янош Лайош Нейман, с детства проявлял задатки будущего математика, физика, химика.

В 30-х годах преподавал в Германии под именем Иоганна фон Неймана. Расцветающий нацизм и приглашение от американцев подтолкнули молодого ученого к решению перебраться в США. Там он окончательно стал Джоном.

Работал в Принстоне, в университете и Институте перспективных исследований. Одно время там же работал по близкой тематике Алан Тьюринг. Один из создателей информатики в современном виде. Повлияли ли на Джона работы последнего, достоверно неизвестно.

Участвовал в разработке ядерного оружия. Возможно, что полученное во время работы над проектом радиационное облучение стало причиной ранней смерти ученого. Умер фон Нейман в 1957 г. от рака. Ему было 53 года.

Принципы Джона фон Неймана

Ученый был специалистом широкого профиля, но в историю вошел как создатель новационной архитектуры компьютера. Радикально нового с тех пор не придумали.

Идея возникла, когда фон Нейман занялся анализом недостатков первой электронной машины ENIAC (1944 г.). Сделанные ранее в Германии образцы были электромеханическими, на реле.

Концепция создания усовершенствованной ЭВМ EDVAC была представлена в 1946 г. Новшество заключалось в следующем:

Утверждается двоичная система счисления как наиболее логичная и простая для реализации в компьютере. В дальнейшем нововведение дало возможность работать не только с цифрами, но и с текстами, графикой, видео / звуком.

Для проведения операций используется программа, включающая выполняемые одна за другой команды. Последняя в последовательности сигнализирует об окончании процесса. В нашем понимании – это программирование.

Программы и данные размещаются в памяти ЭВМ, преобразовываясь в двоичный код (см. п. 1). Производимые над ними операции схожи, соблюдается однородность. Машина самостоятельно корректировала программу сообразно запрошенным операциям.

Ячейкам памяти присваиваются конкретные адреса. Таким образом вводятся переменные.

Команды могут исполняться не только последовательно, но допускается переход с соблюдением условия. Так, например, может запускаться циклическая обработка данных.

Качественным улучшением по сравнению с ЭНИАКом стала легкость загрузки программ. Последние больше не являлись компонентом устройства и без труда менялись.

Принцип построения и работы ЭВМ фон Неймана

Заносимые в память команды (программа) содержат информацию о необходимом действии и адреса требуемых данных. Также вводятся идентификатор ячейки для введения память результата (если нужно).

АЛУ отвечает за исполнение команды. Итог операции отправляется в память или на вывод. ВЗУ сходно с устройством вывода тем, что используется для недолгого хранения параметров. Только содержит информацию в непонятном для оператора формате. Исключительно для машины.

Если кратко, основной функцией АЛУ является поддержка незатейливых действий: арифметических, логических, перемещением данных. Еще анализируется результат. Решения по анализу принимаются УУ.

УУ предназначено для отправки указаний непосредственно отдельным деталям и получения от них подтверждений. Следит за очередностью выполнения команд и за их исполнением вообще.

Заключение

УУ и АЛУ скомпоновали в моноблочный центральный процессор. Значительные качественные изменения претерпело ОЗУ. Возрос объем. Гораздо удобней стали аппараты ввода и вывода. Но принципиальных подвижек пока нет.

Архитектура вычислительной машины— концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.

Архитектура ЭВМ включает в себя как структуру, отражающую состав ПК, так и программно – математическое обеспечение. Структура ЭВМ - совокупность элементов и связей между ними. Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление.

Основы учения об архитектуре вычислительных машин были заложены Джон фон Нейманом. Совокупность этих принципов породила классическую (фон-неймановскую) архитектуру ЭВМ.

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, представленную на рисунке

Положения фон Неймана:

· Компьютер состоит из нескольких основных устройств (арифметико-логическое устройство, управляющее устройство, память, внешняя память, устройства ввода и вывода)

· Арифметико-логическое устройство – выполняет логические и арифметические действия, необходимые для переработки информации, хранящейся в памяти

· Управляющее устройство – обеспечивает управление и контроль всех устройств компьютера (управляющие сигналы указаны пунктирными стрелками)

· Данные, которые хранятся в запоминающем устройстве, представлены в двоичной форме

· Программа, которая задает работу компьютера, и данные хранятся в одном и том же запоминающем устройстве

· Для ввода и вывода информации используются устройства ввода и вывода

Один из важнейших принципов – принцип хранимой программы – требует, чтобы программа закладывалась в память машины так же, как в нее закладывается исходная информация.

Арифметико-логическое устройство и устройство управления в современных компьютерах образуют процессор ЭВМ. Процессор, который состоит из одной или нескольких больших интегральных схем называется микропроцессором или микропроцессорным комплектом.

Процессор – функциональная часть ЭВМ, выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. Процессор является преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств.

Запоминающие устройства обеспечивают хранение исходных и промежуточных данных, результатов вычислений, а также программ. Они включают: оперативные (ОЗУ), сверхоперативные СОЗУ), постоянные (ПЗУ) и внешние (ВЗУ) запоминающие устройства.

Оперативные ЗУ хранят информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (резидентная часть операционной системы, прикладная программа, обрабатываемые данные). В СОЗУ хранится наиболее часто используемые процессором данные. Только та информация, которая хранится в СОЗУ и ОЗУ, непосредственно доступна процессору. Внешние запоминающие устройства (накопители на магнитных дисках, например, жесткий диск или винчестер) с емкостью намного больше, чем ОЗУ, но с существенно более медленным доступом, используются для длительного хранения больших объемов информации. Например, операционная система (ОС) хранится на жестком диске, но при запуске компьютера резидентная часть ОС загружается в ОЗУ и находится там до завершения сеанса работы ПК.

ПЗУ (постоянные запоминающие устройства) и ППЗУ (перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства) предназначены для постоянного хранения информации, которая записывается туда при ее изготовлении, например, ППЗУ для BIOS.

В качестве устройства ввода информации служит, например, клавиатура. В качестве устройства вывода – дисплей, принтер и т.д.

В построенной по схеме фон Неймана 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 устройстве управления.

Положения фон Неймана:

· Данные, которые хранятся в запоминающем устройстве, представлены в двоичной форме

· Программа, которая задает работу компьютера, и данные хранятся в одном и том же запоминающем устройстве

· Для ввода и вывода информации используются устройства ввода и вывода

Хотя на сегодняшний день от программиста и не требуется особых знаний об ЭВМ. Для написания даже сверх сложных приложений. Но знание принципов на которых построены как древние так и современные ЭВМ позволит более четко понимать основные процессы проходящие в нутри ЭВМ.

В 1950 году гениальный американский ученный венгерского происхождения Джоном фон Нейман заложил основные принципы создания ЭВМ которые используются и по сей день.

Хотя данная схема и претерпевала изменения с ходом истории. Но основная концепция так и осталась неизменной.

2) Инструкции и их операнды (то есть данные) должны также храниться в памяти, а не быть вшиты в логику работы оборудования.

Гарвардская концепция компьютеров, основанная на концепции фон Неймана, предполагала отдельную память для программы и данных

В то время программа могла быть собрана как отдельное устройство либо процессор мог выполнять только определенную программу для которой он был спроектирован.

Размещение программ в памяти ЭВМ обеспечивало гибкость в использовании вычислительных мощностей для решения не типовых разных задач.

3) Память делится на ячейки одинакового размера, порядковый номер ячейки считается ее адресом (1 ячейка эквивалентна первому биту).

Бит может принимать два значения — О и 1 — ложь или истина, выключено или включено.

Компьютер не работает с отдельными битами, обычно он оперирует группами, каждая из групп имеет свой размер и свое название

Один байт(блок) — это наименьшее количество данных, которое может быть прочитано из памяти или записано в нее.

В большинстве случаев этого значения не хватает — поэтому используется следующая единица данных — слово или двойное слово.

Слово может содержать число в диапазоне 0 — 65 535 (то есть 2 в 16 степени = 65 536 различных значений).

Память делится на блоки одинакового размера, порядковый номер блока считается ее адресом (1 ячейка эквивалентна первому байту).

Емкость памяти — количество блоков находящихся в памяти сопоставили с килограммами . Но поскольку все в компьютере было основано на двоичной системе, для простоты любое значимое число должно было выражаться как степень двойки. Так как у каждой ячейки может быть два состояния.

4) Программа состоит из серии элементарных инструкций, которые обычно не содержат значения операнда (указывается только его адрес), поэтому программа не зависит от обрабатываемых данных (это уже прототип переменных).

Читайте также: