1.2 Основные принципы построения эвм
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 счисления;
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.
Структура ЭВМ фон Неймана приведена на рис. 1.1.
Память Процессорное устройство
Командное слово – i
Командное слово – i+1
Данные – j Данные – j+1 _________________________________________________________________________________
Выполнение
команд
Периферийные устройства
Рис. 1.1 Модель фон Неймана
Существенно подчеркнуть, что центральное место среди "принципов Неймана" занимает предложение об использовании двоичной системы счисления, что было обусловлено рядом обстоятельств. Во-первых, несомненными арифметическими достоинствами двоичной системы счисления, ее "оптимальным" согласованием с "булевой" логикой и простотой технической реализации двоичного элемента памяти (триггера). Однако на определенном этапе развития компьютерной техники было обнаружено ряд недостатков классической двоичной системы счисления. Первым из них является так называемая "проблема представления отрицательных чисел". Как известно, отрицательные числа непосредственно не могут быть представлены в классической двоичной системе счисления, использующей только две двоичные цифры 0 и 1, без дополнительных "ухищрений". Основным "ухищрением" является использование специальных кодов для представления отрицательных чисел - обратного или дополнительного.
Второй недостаток двоичной системы счисления - ее "нулевая избыточность". Дело в том, что если в процессе передачи, хранения или обработки двоичной кодовой комбинации, например 10011010, под влиянием "помех", действующих в "канале", произойдет искажение данной кодовой комбинации и она перейдет в кодовую комбинацию 11010010 (искажения отдельных битов подчеркнуты), то, поскольку комбинация 11010010 (как и любая другая двоичная кодовая комбинация) является "разрешенной" в классической двоичной системы счисления, то не существует способа обнаружить данную ошибку без дополнительных "ухищрений", то есть без использования специальных методов избыточного кодирования.
Третий недостаток более серьезен. Применение двоичной булевой логики необходимо приводит к появлению условия синхронности в процессорах. Двоичная логика не включает в себя условие завершения функции, а это значит, что она может существовать только на фоне соответствующей временной диаграммы. Другими словами наряду с потоком данных и команд должен существовать поток управляющих импульсов, или «стробов», поступающих от системных часов. Последствия этого явления очень значительны и будут рассмотрены позже.
Таким образом, ЭВМ с архитектурой фон Неймана, это ЭВМ с управлением потоком команд. Кроме машин фон Неймана существуют потоковые и редукционные ЭВМ. Дж. Деннис в 1967г. сформулировал принципы построения потоковых ЭВМ, на которых 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.