Основные принципы концепции фон Неймана

Вычислительная машина, где определённым образом декодированные команды программы хранятся в памяти под названием вычислительная машина с хранимой в памяти программой.

Эта идея принадлежит создателям машины ENIAC. Фон Нейман в 1945 году опубликовал работу “Общая и логическая теория автоматов”, где изложили основные принципы построения ЭВМ.

Сущность концепции вычислительной машины фон Неймана можно свести к следующим принципам:

1. Принцип двоичного кодирования – информация представляемая в виде данных и команд отображается в двоичной системе исчисления. Каждый вид информации имеет свой формат.

Рисунок 1

2. Программного управления – вычислительная машина выполняет вычисления по

программе состоящей из набора команд, которые выполняются автоматически

друг за другом в определённой последовательности. При необходимости эта

последовательность может быть изменена.

3. Однородность памяти – в процессе решения задачи программа её исполнения должна размещаться в памяти обладающей высокой скоростью считывания и записи. Так как команды и данные записываются в двоичном коде, то по форме представления они однотипные и хранятся в одной и той же памяти, такой подход организации памяти получил название Принстонской архитектуры.

Другая модель, в которой вычислительная машина имела отдельную память команд и отдельную память данных получила название Гарвардской архитектуры. Преобладающей была и остаётся первая архитектура, хотя она создаёт проблему пропускной способности шины (процессор, память). В современных ЭВМ в связи с использованием КЭШ памяти разработчики всё чаще обращаются к гарвардской архитектуре.

4. Адресности основной памяти.

Основная память должна состоять из пронумерованных ячеек. Процессор может в произвольный момент времени обратиться к любой ячейке по её двоичному адресу.

Структура эвм

Структура ЭВМ была предложена фон Нейманом в 1945 году в соответствии с основным принципом конструкции ЭВМ.

Рисунок 2

АЛУ и УУ образуют процессор, который занимает центральное место, так как непосредственно осуществляет процесс обработки данных и производит управление этим процессом.

АЛУ – предназначено для выполнения четырёх арифметических операций над двумя операндами с фиксированной точкой и четырёх логических операций, а также операции сдвига. Помимо результата АЛУ формирует признаки результата (флаги).

Основная память

Основная память предназначена для временного хранения введённой информации (команды и данные). Память должна быть реализованна таким образом, что каждое двоичное слово храниться в отдельной ячейке определяемой адресом. Соседние ячейки имеют следующие по разряду адреса, такая память называется памятью с произвольным доступом.

Внешняя память

Внешняя память предназначена для длительного хранения информации. Она имеет значительно больший объём, чем основная память.

Устройство ввода

Устройство ввода предназначено для ввода программ из подсоединенных к ЭВМ периферийных устройств.

Устройство вывода

Устройство вывода обеспечивает выдачу результатов вычислений на периферийные устройства.

Цикл команд

Циклом команды называется действие необходимое для выборки и выполнения команды. Цикл команды в общем случае содержит следующие этапы:

1. Выборка команд.

2. Формирование адреса следующей команды (иногда этот этап находиться в конце цикла).

3. Декодирование команд.

4. Формирование адреса команд.

5. Выборка операнда из памяти.

6. Выполнение операции.

7. Запись результата.

Эти этапы называются стандартным циклом команды. Не всегда присутствуют все этапы, но обязательными являются этапы № 1, 2, 3, 6.