Принцип двоичного кодирования

Данный принцип гласит, что вся информация, как данные, так и команды, кодируются двоичными цифрами 0 и 1.

Каждый тип информации представляется двоичной последовательностью и имеет свой формат. Последовательность бит в формате имеющая определенный смысл, называют «полем».

В числовой информации обычно выделяют поле знака и поле значащих разрядов.

В формате команд выделяют обычно два поля: поле кода операций и поле адресов или адресную часть команды.

Код операции это указание какая операция процессора должна быть выполнена, код задается уникальной двоичной комбинацией. А вид адресной части и число составляющих её адресов зависит от типа выбранной команды и так же представляется двоичной последовательностью.

Принцип программного управления

Любые вычисления предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы состоящей из последовательности управляющих слов, которые принято называть командами, каждая команда предписывает выполнение некоторой операции из перечня допустимых операций реализующегося конкретной ВМ.

Эти команды хранятся в последовательных ячейках памяти ВМ и выполняются в естественной последовательности, т.е. в том порядке в котором они записаны в программе, при необходимости, эта последовательность может быть изменена с помощью специальных команд, решение об изменение порядка выполнения команд может быть принято безусловно, либо на основе анализа результатов предшествующих вычислений.

Принцип однородности памяти

Все команды и данные хранятся в одной и той же памяти и не различимы друг от друга, распознаются они лишь по способу использования.

Данный подход позволяет производить над командами такие же операции, как и над данными, что предоставляет ряд возможностей. Например, изменяя адресную часть команд циклически можно обеспечить последовательное обращение к элементам массива, такой подход называют модификацией команд.

Хотя он и не приветствуется с позиции современного программирования, при этом чаще используется иной эффект однородности памяти, когда команды одной программы, могут быть получены как результат исполнения других команд, данный эффект положен в основу трансляции, который просто определяется как перевод текста программы, на языке высокого уровня, на язык понятный конкретной ВМ.

Подход однородной памяти был реализован в ВМ в первые созданных в Пристанском университете, в результате чего получил название, пристанской архитектуры, примерно в то же время, были разработаны ВМ с принципом раздельного хранения команд и данных, получивших название Гарвардской архитектуры.

До сих пор Пристанская архитектура является основной.

Принцип адресности

В соответствии со своей структурой память представляет собой набор ячеек с уникальными номерами, причем процессору в любой момент времени доступна любая ячейка памяти, поэтому все двоичные коды команд и данные разделяются на единицы информации которые принято называть словами. Которые хранятся в некоторых ячейках памяти и для доступа к которым используются номера соответствующих ячеек.

Архитектура вычислительных машин Фон-Неймана

Фон-Нейманом были предложены основные устройства ВМ, которые были призваны реализовывать рассмотренные принципы.

Большинство современных ВМ, отвечают принципам программного управления.

Типичная Фон-Неймановская ВМ содержит: память, УУ, АЛУ, устройства вывода.

Любая ВМ должна иметь средства для ввода программ и данных к ним. С этой целью информация поступает из присоединенных к ВМ периферийных устройств ввода.

Соответственно, результаты вычислений выводятся на периферийные устройства вывода, например монитор.

Связь и взаимодействие ВМ и периферийных устройств обеспечивают порты ввода и порты вывода.

Порт – аппаратура сопряжения периферийного устройства с ВМ. Совокупность портов ввода-вывода называют устройством ввода вывода (УВВ).

Вся вводимая информация должна где то хранится, изначально она сохраняется в основной памяти ОП, а затем может быть перенесена во вторичную память для длительного хранения.

Чтобы программа могла быть выполнена, её команды и данные должны находиться только в основной памяти.

Хранение производится в последовательных ячейках определяемых адресом, доступ к любым ячейкам запоминающего устройства основной памяти может производится в любой последовательности. Такой вид памяти принято называть памятью с произвольным доступом.

В современных ВМ, как правило основная память реализуется на основе полу проводниковых технологии, обеспечивающей, как считывание, так и запись информации и именуются оперативным запоминающим устройством (ОЗУ or RAM). Недостатком таких ЗУ, является их энергозависимость. Если необходимо что бы часть основной памяти была энергонезависимой, в её состав могут быть включены постоянные запоминающие устройства ПЗУ (ROM), которые так же обеспечивают произвольный доступ к своим ячейкам. В свою очередь ПЗУ имеет недостаток, информация может быть только прочитана, но не записана.

Размер ячеек основной памяти равна 8 двоичным разрядам или одному байту. Если нужно хранить большое значение, то могут быть выделены 2, 4 или 8 байт, размещенных в ячейках с последовательными номерами.

Для долговременного хранения больших объемов данных в ВМ предусматривается дополнительная память, которую называют вторичной, она чаще всего энерго не зависимая и реализуется на магнитных дисках, а информация в них хранится в виде специально программно поддерживаемых объектах, файлах.

УУ важнейшая часть ВМ, реализует автоматическое выполнение программ и обеспечивает функционирование всей ВМ, как единого целого. УУ ВМ можно рассматривать, как совокупность элементов между которыми происходит пересылка информации, входе которой эта информация может быть подвергнута, каким либо видам обработки, пересылка информации инициируется определенными сигналами управления.

Таким образом, управление ВМ сводится к выдаче управляющих сигналов в нужном наборе и в нужной последовательности. УУ так же генерирует сигналы управления для синхронизации и координации работы внутренних и внешних устройств ВМ.

Помимо УУ важнейшей частью ВМ является АЛУ.

АЛУ предназначено для арифметической и логической обработки пары входных переменных в результате которых формируется выходная переменная.

Функциями АЛУ как правило, являются простые арифметические и логические операции и команды сдвига, кроме самого результата, АЛУ так же устанавливает и некоторые признаки результата, именуемые флагами, флаги могут характеризовать результат или события связанные с его получением, например равенство нулю, знак, четность, перенос, переполнение и др.

Флаги необходимы для того, что бы в дальнейшем УУ и АЛУ могли определится какие еще команды нужно выполнить над полученным результатом.

УУ и АЛУ тесно взаимосвязаны и чаще всего рассматриваются как единое устройство, называемое центральным процессором.

Помимо этих двух устройств в состав процессор так же входит набор регистров общего назначения РОН, предназначенных для хранения промежуточных данных, в процессе из вычисления.