Лекція 8

Фон-Нейманівська архітектура. Алгоритмічна універсальність.

Шинна архітектура. Набір мікросхем chipset . Шини даних і адреси.

8.1. Фон-Нейманівська архітектура

Під архітектурою комп’ютера розуміється особливості його логічної структури, які впливають на проходження програм. Це поняття охоплює формати команд, форми зображення даних, методи адресації, управління операціями введення-виведення, структуру пам'яті, інтерфейси всіх рівнів, реалізацію зовнішніх пристроїв та ін. В той же час такі характеристики ЕОМ, як швидкодія, надійність, елементна база, енергоспоживання та подібні, не розглядаються як складові архітектури.

В основу більшості сучасних комп’ютерів покладено принципи, які в 1946 році були сформовані Джоном фон Нейманом і його колегами і знайшли розповсюдження в літературі під терміном „фон-нейманівської архітектури”.

Джон фон Нейман

(1903 ‒  1957) ‒ американський  математик угорського походження, що зробив значний вклад у квантову фізику, функціональний аналіз, теорію множин, інформатику, економічні науки та в інші численні розділи знання. Розробив так звану «архітектуру фон Неймана», яка використовується в усіх сучасних  комп'ютерах.

Основні принципи архітектури фон Неймана такі:

• використання двійкової системи для кодування інформації в комп’ютері

• збереження програм і даних в загальній пам'яті комп’ютера

• адресація пам'яті

• програмне керування роботою комп’ютера

• послідовне виконання команд програми з реалізацією умовних периходів

У 1946 році троє вчених‒ Артур Беркс, Герман Голдстайн і Джон фон Нейман ‒ опублікували статтю «Попередній розгляд логічного конструювання електронного обчислювального пристрою» У статті обгрунтовувалося використання двійкової системи для представлення даних в ЕОМ (переваги щодо технічної реалізації, простота виконання арифметичних і логічних операцій ‒ до цього машини зберігали дані в десятковому вигляді), висувалася ідея використання спільної пам'яті для програми і даних. Ім'я фон Неймана було достатньо широко відомо в науці того часу, що відсунуло на другий план його співавторів, і дані ідеї отримали назву «принципи фон Неймана».

1. Принцип двійковості: для представлення даних і команд

використовується двійкова система числення.

2. Принцип програмного управління: програма складається з набору команд, які виконуються процесором одна за одною у певній

послідовності.

        Під час виконання програми процесор зчитує послідовність команд, що містяться в пам'яті, і виконує їх. Така послідовність команд називається програмою і представляє алгоритм роботи процесора. Черговість зчитування команд змінюється у разі, якщо процесор зчитує команду переходу. Тоді адреса наступної команди може виявитися іншим. Ще одним прикладом зміни процесу може служити випадок перемикання в режим обробки переривання або отримання команди зупинки.

3. Принцип однорідності пам'яті:   як програми (команди), так і дані зберігаються в одній і тій же пам'яті, над командами можна виконувати

такі ж дії, як і над даними.

                            

       Комп'ютер не розрізняє, що зберігається в даній комірці пам'яті ‒ число, текст або команда. Над командами можна виконувати такі ж дії, як і над даними. Це відкриває цілий ряд можливостей. Наприклад, програма в процесі свого виконання також може піддаватися переробці, що дозволяє задавати в самій програмі правила отримання деяких її частин (так в програмі організовується виконання циклів і підпрограм).

4. Принцип адресується пам'яті: структурно основна пам'ять складається з пронумерованих комірок; процесору в довільний момент часу доступна будь-яка комірка.