12. Концепция машины с хранимой памятью. Вклад Джона фон Неймана в развитие архитектуры эвм. Принципы фон-неймановской концепции и их характеристика.
Концепция машины с хранимой в памяти программой
ВМ, в которой определенным образом закодированные команды программы хранятся в памяти называется ВМ с хранимой в памяти программой. Все ВМ последних поколений основываются на концепциях Фон Неймана.
В основе концепции ВМ с хранимой в памяти программой лежат 4 принципа
1) Принцип двоичного кодирования
Все командные данные представляются (кодируются) двоичными значениями набором 0 и 1. Каждый вид инф использует формат представления. Последовательность битов в формате, наделенном логическим смыслом называется полем в численном формате. Обычно выделяется поле знаков и поле значащих разрядов. В формате команды – поле кода операции, поле адресной части.
2) Принцип программного управления
Вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи выполнены согласно программе, состоящей из последовательности слов (команд). Каждая команда предписывает выполнение операции из набора операций, реализуемых данной ВМ.
Команды программы хранятся в последовательных ячейках памяти с последовательной нумерацией адресов. Команды выполняются в естественной последовательности т.е. в порядке их положения в программе. При необходимости изменения естественной последовательности команд используется специальная программа перехода. Решение об ее использовании принимается либо на основе результата предшествующего вычисления, либо безусловно.
3) Принцип однородности памяти
Это означает, что данные команды располагаются в ячейках единой области памяти и извне не различимы, а различимы только по способу использования. Такая идеология позволяет осуществлять над командами такие же операции, что и над числами, позволяет получать новую программу, в виде результата выполнения операций над командами другой программой. Эта идея используется в трансляторах.
разработка принстонского университета лежит в основе архитектур большинства ВМ.
Существует гарвардская архитектура с раздельной памятью, реализованная в кэш-памяти. Узкое место принстонской архитектуры – проблемы, связанные с ограничением пропускной способности процессор-память.
4) Принцип адресности
Принцип заключается в том, что структура памяти организована в виде пронумерованных ячеек, причем процессору в любой момент доступно содержимое ячейки. Двоичные коды команд разделяются на единичные блоки, называемые машинными словами, хранящимися в ячейках памяти. Для доступа к ячейкам используются их номера (адреса).
16. Фон-неймановская (принстонская) и гарвардская архитектура компьютера. Сравнительный анализ.
Под архитектурой МП понимают принцип его внутренней организации: общую структуру, логическую структуру отдельных устройств, совокупность команд и принципы взаимодействия аппаратной части и программы обработки информации.
Иначе: архитектура – математическая модель МП, образованная программно- доступными элементами МП.Архитектура МП отражает возможности прикладного использования МП и содержит описание программной модели МП. Под программной моделью микропроцессора понимается совокупность программно-доступных регистров, объединенных в систему укрупненными связями и дополнительными элементами, обеспечивающими функциональную законченность модели.
Полностью понятие архитектура МП включает:
- структурную схему МП,
- программную модель МП,
- описание организации памяти,
- описание организации процедур ввода/вывода.
Различают два основных типа архитектуры МП – фон Неймановскую (принстонскую) и гарвардскую.
Фон Неймановская (принстонская) архитектура(предложена Джо фон Нейманом в 1945 г.) предполагает, что программа и данные находятся в общей памяти, доступ к которой производится по одной шине данных и команд. Основным достижением группы инженеров, работавших с Джоном фон Нейманом, было осознание того факта, что программа может храниться в памяти вместе с данными. Основным преимуществом такого подхода является его гибкость, так как для изменения программы достаточно просто загрузить новый код в соответствующую область памяти. По существу, фон-неймановская архитектура, показанная на рис., состоит из центрального процессора (ЦПУ), памяти и общей шины (магистрали), по которой в обоих направлениях пересылаются данные. ЦПУ также должен взаимодействовать и с окружающим миром. При этом данные к/от соответствующих интерфейсных портов передаются по одной общей шине данных.
Огромным преимуществом фон-неймановской архитектуры является ее простота, поэтому данная концепция легла в основу большинства компьютеров общего назначения. Однако использование общей шины означает, что в любой момент времени может выполняться только одна операция. Соответственно, пересылка данных между ЦПУ и памятью данных не может осуществляться одновременно с выборкой команды. Эта особенность называется фон-неймановским узким местом.
Гарвардская архитектура (реализована в 1944 г. в ЭВМ Гарвардского университета) соответствует структуре с разделенными устройствами памяти команд и данных и отдельными шинами команд и данных.
В первое послевоенное десятилетие в Гарвардском университете было создано несколько компьютеров семейства "Марк", в которых память программ была полностью отделена от памяти данных (программа считывалась с бумажной перфоленты). Такая концепция была более эффективной, чем фон-неймановская (принстонская) архитектура, поскольку код программы мог считываться из памяти программ одновременно с обменом между ЦПУ и памятью данных или с операциями ввода/вывода. Однако такие машины были намного сложнее и дороже в изготовлении. А с учетом уровня технического развития 40 - 50-х годов, высоких экономических затрат, они не получили широкого распространения. Однако с развитием больших интегральных схем и технологии гарвардская архитектура снова оказалась в центре внимания.
Рис. – Элементарная гарвардская машина (шина адреса не показана) На Рис. показаны две физически разделенные шины, используемые для передачи информации между ЦПУ и неперекрывающимися областями памяти. Каждая память имеет собственную шину адреса, поэтому адрес ячейки памяти программ никоим образом не связан с адресом ячейки памяти данных. В таком случае говорят, что обе области памяти находятся в различных адресных пространствах. Память данных иногда называют файловой памятью, в этом случае n-я ячейка обозначается как файл n.
Фоннеймановская архитектура более экономно расходует аппаратные ресурсы, а гарвардская позволяет реализовать большее быстродействие.
18. Арифметические основы ЭВМ. Системы счисления. Позиционная система счисления. Двоичная, восьмеричная, шестнадцатеричная, десятеричная и двоично-десятеричная системы счисления. Переход из одной системы счисления в другую.
Система счисления-способ изображения чисел и соответствующие ему правила действия над числами.
Системы счисления: Позиционные и непозиционные.
Позиционные сс-вклад каждой цифры в величину числа зависит от ее положения в последовательности цифр, изображающих число (десятичная, двоичная, восьмиричная)
Непозиционная сс-каждой цифре соответствует величина, не зависящая от ее места в записи числа (римская).
Двоичная система счисления-позиционная система счисления с основанием 2. Благодаря непосредственной реализации в цифровых электронных схемах на логических вентилях, двоичная система используется практически во всех современных компьютерах и прочих вычислительных электронных устройствах. В двоичной системе счисления числа записываются с помощью двух символов (0 и 1). Чтобы не путать, в какой системе счисления записано число, его снабжают указателем справа внизу. В двоичной системе счисления (как и в других системах счисления, кроме десятичной) знаки читаются по одному. Например, число 1012 произносится «один ноль один».
Восьмеричная система счисления-позиционная целочисленная система счисления с основанием 8. Для представления чисел в ней используются цифры от 0 до 7. Восьмеричная система чаще всего используется в областях, связанных с цифровыми устройствами. Характеризуется лёгким переводом восьмеричных чисел в двоичные и обратно, путём замены восьмеричных чисел на триплеты двоичных. Широко использовалась в программировании и компьютерной документации, однако позднее была почти полностью вытеснена шестнадцатеричной. Восьмеричная система применяется при выставлении прав доступа к файлам и прав исполнения для участников в Linux-системах.
Шестнадцатеричная система счисления-позиционная система счисления по целочисленному основанию 16. В качестве цифр этой системы счисления обычно используются цифры от 0 до 9 и латинские буквы от A до F. Буквы A, B, C, D, E, F имеют значения 1010, 1110, 1210, 1310, 1410, 1510 соответственно. Широко используется в низкоуровневом программировании и компьютерной документации, поскольку в современных компьютерах минимальной адресуемой единицей памяти является 8-битный байт, значения которого удобно записывать двумя шестнадцатеричными цифрами. Такое использование началось с системы IBM/360, где вся документация использовала шестнадцатеричную систему, в то время как в документации других компьютерных систем того времени (даже с 8-битными символами, как, например, PDP-11 или БЭСМ-6) использовали восьмеричную систему.
Десятичная система счисления- позиционная система счисления по целочисленному основанию 10. Одна из наиболее распространённых систем. В ней используются цифры 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0, называемые арабскими цифрами. Предполагается, что основание 10 связано с количеством пальцев рук у человека.
Системы счисления |
|||
10 |
2 |
8 |
16 |
0 |
0000 |
0 |
0 |
1 |
0001 |
1 |
1 |
2 |
0010 |
2 |
2 |
3 |
0011 |
3 |
3 |
4 |
0100 |
4 |
4 |
5 |
0101 |
5 |
5 |
6 |
0110 |
6 |
6 |
7 |
0111 |
7 |
7 |
8 |
1000 |
10 |
8 |
9 |
1001 |
11 |
9 |
10 |
1010 |
12 |
A |
11 |
1011 |
13 |
B |
12 |
1100 |
14 |
C |
13 |
1101 |
15 |
D |
14 |
1110 |
16 |
E |
15 |
1111 |
17 |
F |
Для перевода чисел с одной системы счисления в другую, проще всего сначала перевести число в десятичную систему счисления, а затем, из десятичной системы счисления перевести в требуемую систему счисления.
Перевод чисел из любой системы счисления в десятичную систему счисления
С помощью формулы (1) можно перевести числа из любой системы счисления в десятичную систему счисления.
Пример 1. Переводить число 1011101.001 из двоичной системы счисления (СС) в десятичную СС. Решение:
1·26+0·25+1·24+1·23+1·22 +0·21+1·20+0·2-1+0·2-2+1·2-3 =64+16+8+4+1+1/8=93.125
Пример 2. Переводить число 1011101.001 из восьмеричной системы счисления (СС) в десятичную СС. Решение:
ФОРМУЛА (1):
В общем случае формулу можно представить в следующем виде:
Цn·sn+Цn-1·sn-1+...+Ц1·s1+Ц0·s0+Д-1·s-1+Д-2·s-2+...+Д-k·s-k
где Цn-целое число в позиции n, Д-k- дробное число в позиции (-k), s - система счисления.
Для перевода чисел из десятичной системы счисления в другую систему счисления нужно переводить отдельно целую часть числа и дробную часть числа.
Целую часть числа переводится из десятичной СС в другую систему счисления - последовательным делением целой части числа на основание системы счисления (для двоичной СС - на 2, для 8-ичной СС - на 8, для 16-ичной - на 16 и т.д.) до получения целого остатка, меньше, чем основание СС.