8.Основные принципы работы эвм.Принцип джона фон неймана.
Принцип работы ЭВМ рассматривается на примере персонального компьютера.
На схеме представлена структура ПК. Основу ПК составляет системный блок, в котором размещены:
микропроцессор (МП),
блок оперативного запоминающего устройства (ОЗУ),
постоянного запоминающего устройства (ПЗУ),
долговременной памяти на жёстком магнитном диске (Винчестер),
устройства для запуска компакт-дисков (CD) и дискет (НГМД).
Там же находятся платы: сетевая, видеопамяти, обработки звука, модем (модулятор-демодулятор), интерфейсные платы, обслуживающие устройства ввода-вывода: клавиатуры, дисплея, "мыши", принтера и др.
Все функциональные узлы ПК связаны между собой через системную магистраль, представляющую из себя более трёх десятков упорядоченных микропроводников, сформированных на печатной плате.
Микропроцессор служит для обработки информации: он выбирает команды из внутренней памяти (ОЗУ или ПЗУ), расшифровывает и затем исполняет их, производя арифметические и логические операции. Получает данные из устройства ввода и посылает результаты на устройства вывода. Он вырабатывает также сигналы управления и синхронизации для согласованной работы его внутренних узлов, контролирует работу системной магистрали и всех периферийных устройств. Упрощённая схема микропроцессора представлена на нижней схеме (выделена штриховой линией с надписью ЦП). В его состав входят: арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции над двоичными числами; блок регистров общего назначения (РОН), используемых для временного хранения обрабатываемой информации (R0 - R5), указателя стека (R6) и счётчика команд (R7); устройство управления (УУ), определяющее порядок работы всех узлов микропроцессора. Одной из важнейших характеристик микропроцессора является его разрядность, определяемая числом разрядов АЛУ и РОН. Современные микропроцессоры имеют 16- , 32- и 64-разрядную длину двоичного числа, а также до 200 и более различных внутренних команд.
Обработка информации осуществляется по программе, которая представляет собой последовательность команд, направляющих работу компьютера. Команда состоит из кода операции и адреса. Код операции сообщает микропроцессору, что нужно сделать, какую выполнить операцию: сложить, сравнить, переслать, очистить и т.д. Адрес указывает место, где находятся данные, подлежащие обработке. Команды бывают безадресные, одноадресные и двухадресные. Например, двухадресная команда сложения выглядет так:
В 1945 году математик Джон Фон Нейман чётко сформулировал общие принципы функционирования цифровых вычислительных устройств.
Цифровое вычислительное устройство должно содержать: — АЛУ (арифметическо-логическое устройство), которое должно выполнять арифметические и логические операции; — УУ (устройство управления), которое организует процесс выполнения программ; — ЗУ (запоминающее устройство или память), которое хранит программы и данные; — ВУ (внешние устройства), которые служат для ввода и вывода информации.
Цифровое вычислительное устройства должно работать по следующим принципам: 1. Принцип программного управления: — программа состоит из набора команд, выполняемых АЛУ в определенной последовательности автоматически; — вызов команды из памяти организует счетчика команд. 2. Принцип однородности памяти: — программы и данные хранятся в одной и той же памяти, то есть компьютеру всё равно, что содержится в данной ячейке памяти — число, текст или команда; — над командами выполняются такие же операции, как и над данными; — команды одной программы могут быть результатом исполнения команд другой программы; 3. Принцип адресации: — память должна состоять из нумерованных ячеек; — АЛУ в любой момент времени доступна любая ячейка.
Компьютеры, построенные на этих принципах, называются фон-неймановскими.
Необходимо отметить огромную роль американского математика фон Неймана в становлении техники первого поколения. В отчете фон Неймана и его коллег Г. Голдстайна и А.Беркса (июнь 1946 года) были четко сформулированы требования к структуре компьютеров. Отметим важнейшие из них:
машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления;
программа, как и исходные данные, должна размещаться в памяти машины;
программа, как и числа, должна записываться в двоичном коде;
трудности физической реализации запоминающего устройства, быстродействие которого соответствует скорости работы логических схем, требуют иерархической организации памяти (то есть выделения оперативной, промежуточной и долговременной памяти);
арифметическое устройство (процессор) конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения; создание специальных устройств для выполнения других арифметических и иных операций нецелесообразно;
в машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над числами производятся одновременно по всем разрядам).
Практически все рекомендации фон Неймана впоследствии использовались в машинах первых двух поколений, их совокупность получила название «архитектура фон Неймана». Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 году английским исследователем Морисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 года Джон фон Нейман.
В докладе были утверждены следующие принципы:
Принцип программного управления (программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определённой последовательности).
Принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными).
Принцип адресности (основная память структурно состоит из нумерованных ячеек).
Классическая архитектура ЭВМ, построенная по принципу фон Неймана (фон-неймановская архитектура) и реализованная в вычислительных машинах двух (трех) поколений, представлена ниже и содержит следующие основные блоки:
арифметическо-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции;
управляющее устройство (УУ), организующее процесс выполнения программ;
внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), или память, для хранения программ и данных;
оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);
устройства ввода и вывода информации (УВВ).
Появление ЭВМ третьего поколения было обусловлено переходом от транзисторов к интегральным микросхемам. В них не только были значительно уменьшены размеры базовых функциональных узлов, но и появилась возможность существенно повысить быстродействие процессора. При этом возникло противоречие между высокой скоростью обмена информацией внутри ЭВМ и медленной работой устройств ввода/вывода. Решение проблемы было найдено путем освобождения центрального процессора от функций обмена и передачей их специальным электронным схемам управления работой внешних устройств. Такие схемы имели различные названия: каналы обмена, процессоры ввода/вывода, периферийные процессоры. В последнее время все чаще используется термин «контроллер внешнего устройства», или «контроллер».
Контроллер можно представить как специализированный процессор, управляющий работой какого-либо внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена. Например, контроллер дисковода (накопителя на магнитных дисках) обеспечивает позиционирование головки, чтение или запись информации. Результаты выполнения каждой операции заносятся во внутренние регистры памяти контроллера и могут быть в дальнейшем прочитаны центральным процессором. CPU, в свою очередь, выдает задание на выполнение контроллеру. Дальнейший обмен информацией может происходить под руководством контроллера, без участия CPU. Наличие таких интеллектуальных контроллеров — внешних устройств стало важной отличительной чертой ЭВМ третьего и четвертого поколений.
Шинная архитектура ЭВМ, содержащей интеллектуальные контроллеры (К), представлена на рисунке ниже.
Для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая магистраль — шина, состоящая из трех частей: шины данных, шины адреса и шины управления.
Следует отметить, что в некоторых моделях компьютеров шины данных и адреса объединены: на шину сначала выставляется ад¬рес, а потом данные. Сигналы по шине управления определяют, для какой цели используется шина в каждый конкретный момент.
Такая открытость архитектуры ЭВМ позволяет пользователю свободно выбирать состав внешних устройств, т.е. конфигурировать компьютер