Арихитектурно-функциональные принципы построения эвм
Были опубликованы в 1946 году Джоном фон Нейманом и его коллегами Артуром Бёрксом и Германом Голдстайном в статье «Предварительное рассмотрение логического конструирования электронного вычислительного устройства», в которой обосновалось использование двоичной системы для представления данных в ЭВМ, выдвигалась идея использования общей памяти для программы и данных.
Принципы фон Неймана:
Принцип программного управления
Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, которая состоит из последовательности управляющих слов – команд.
Все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения другой, в последовательности, определяемой программой.
Принцип однородности памяти
Как программы (команды), так и данные хранятся в одной и той же памяти (и кодируются в одной и той же системе счисления – чаще всего двоичной). Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
Примечание. Архитектура ЭВМ, в которой была предусмотрена отдельная память для команд и для данных получила название Гарвардской.
Принцип двоичного кодирования
Для представления данных и команд используется двоичная система счисления. При этом каждый тип информации представляется двоичной последовательностью и имеет свой формат (числа, команды).
Принцип адресуемости памяти
Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка; память является внутренней.
Принцип условного перехода
Команды программы хранятся в последовательных ячейках память ВМ и выполняются в естественной последовательности, то есть в порядке их положения в программе. При необходимости, с помощью специальных команд эта последовательность может быть изменена. Решение об изменении порядка выполнения команд программы может быть принято в зависимости от результатов промежуточных вычислений или безусловно.
Структура эвм (по фон Нейману)
Алгоритм – это конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством конечного количества операций. В памяти ЭВМ он хранится в виде двоичных кодов команд.
Программа – описание алгоритма в форме, воспринимаемой ЭВМ. Программа состоит из отдельных команд. Каждая команда предписывает определенное действие и указывает, над какими данными (операндами) !!!
Принцип действия эвм
Перед началом решения задачи в ЗУ (запоминающее устройство) через УВВ записываются в кодированном виде программа и подлежащие обработке данные. В ходе вычислительного процесса при выполнении очередной команды из ЗУ считывается эта команда.
По адресной части команды определяется местонахождение обрабатываемых данных, они извлекаются из ЗУ, процессор выполняет над ними указанную в коде команда операцию и записывает результат на хранение в ЗУ. Затем определяется местонахождение следующей команды программы и снова повторяется аналогичный цикл.
Устройство ввода (Увв)
Перед началом решения задачи программа и исходные данные, подлежащие обработке, через устройство ввода – в автоматическом режиме или с пульта управления (ПУ) – в ручном режиме вводятся в память ВМ.
Память
Введенная информация сначала запоминается в основной (оперативной) памяти (ОП), а затем переносится на вторичную (внешнюю) память, для длительного хранения.
ОП предназначена для хранения алгоритма обработки данных (программ) и самих данных. Она состоит из набора ячеек памяти, каждая из которых используется для запоминания одного n-разрядного двоичного числа.
Запись и чтение данных осуществляется только при указании места их хранения. Для долговременного хранения больших программ и массивов данных в ВМ обычно имеется дополнительная память, которая называется вторичной и является энергонезависимой.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ)
Выполняет арифметические и логические операции над поступающими в него двоичными кодами команд и данных. Каждый процессор выполняет ограниченный набор команд, образующий систему команд ЭВМ. Помимо результата операции АЛУ формирует ряд признаков результата (флагов), которые характеризуют полученный результат (равенство нулю, знак, четность, переполнение И так далее).
Устройство управления (УУ)
Предназначено для автоматического управления всеми устройствами ЭВМ в соответствии с кодом операции посредством своевременной выдачи на них управляющих сигналов.
УУ предписывает АЛУ в какой последовательности следует выполнять конкретную операцию, откуда брать исходную информацию и куда направлять результат под воздействием поступающих данных.
Устройство вывода (УВыв)
Результаты решения задач выводятся из ЭВМ с помощью устройство вывода.
Обмен информацией (данными, командами, управляющими сигналами) между устройствами ЭВМ осуществляется с помощью устройства обмена (УО). Для связи с ним каждое устройство имеет специальную схему сопряжения – контроллер (К).
Центральный процессор (ЦП)
АЛУ, УУ и СОЗУ образуют центральный процессор.
Центральный процессор и основная память образуют ядро ЭВМ.
Для устройств, не входящих в состав ядра, вводится понятие «внешние устройства».
Признаки архитектуры фон Неймана:
Ядро ЭВМ образуют процессор и память, причем процессор является единственным вычислительным устройством в ее структуре, а в памяти хранятся как данные, так и команды без каких-либо различий между ними в режиме и способе доступа
Все команды выполняются последовательно друг за другом и процессом их выполнения управляет одно устройство управления.
«Недостатки» архитектуры фон Неймана:
Последовательное выполнение команд
Хранение данных и программы в одном ОЗУ
Один канал связи
Пути развития архитектуры фон Неймана:
Совершенствование СБИС-технологий
Развитие программного обеспечения
Поиск новых архитектурных решений
Закон Мура:
Эмпирическое наблюдение, сделанное в 1965 году (через шесть лет после изобретения интегральной схемы), в процессе подготовки выступления Гордоном Муром (одним из основателей Intel).
Мур высказал предложение, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 24 месяца.
Усовершенствование ПО:
Языки программирования ВУ
Компиляторы
Библиотеки подпрограмм
Параллельные языки программирования
Архитектурные усовершенствования:
Оптимизация подсистемы памяти:
Контроллер памяти
Высокоскоростная шина
Кэш и иерархия памяти
Аппаратная предвыборка данных и команд
Оптимизация выполнения команд:
Конвейеризация
Упрощение набора команд
Истинный параллелизм:
Данные
Инструкции
Потоки
Программы
Основные характеристики ЭВМ
Быстродействие (измеряется в мегафлопсах) – количество элементарных операций, выполняемых в единицу времени. В качестве таких операций рассматривают короткие (требующие минимального времени) операции типа сложения. Единица измерения – миллион операций с плавающей точкой в секунду (Million Floating Point Operations Per Second – MFLOPS).
Производительность
Емкость запоминающих устройств
Надежность
Разрядность
Стоимость
1947 г. – Шокли и другие изобрели транзистор.
В 1956 г. Шокли, Бардин и Браттейн были удостоены Нобелевской премии по физии «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта».