Чет про программирование / 1) Принципы Неймана, процессор, память

Принципы Джона фон Неймана.

В 1946 году Нейман предложил ряд новых идей организации ЭВМ_, в том числе концепцию хранимой программы, он предложил записывать и хранить в памяти алгоритм вычислений вместе с данными. Принципы Дж . фон Неймана показались вначале простыми и очевидными и лишь в дальнейшем они приобрели статус фундаментальных положений, надолго определивших направление развития вычислительной техники. В результате реализации идей фон Неймана была создана архитектора ЭВМ_, во многих чертах сохранившаяся до настоящего времени. Основные принципы заключались в следующем:

1. Компьютеры на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления.

2. Компьютер управляется программой, составленной из отдельных шагов - команд. Программа должна размещаться в одном из блоков компьютера - в запоминающем устройстве, обладающем достаточной емкостью и скоростью выборки команд.

3. Команды, так же как и числа, с которыми оперирует компьютер, записываются в двоичном коде. Это обстоятельство приводит к следующим важным последствиям

• промежуточные результаты вычислений, константы и другие числа могут размещаться в том же запоминающем устройстве, что и программа;

• числовая форма записи программы позволяет производить операции над величинами, которыми закодированы команды программы;

• появляется возможность перехода в процессе вычислений на тот или иной участок программы в зависимости от результатов вычислений, условных переходов.

4. Трудности физической реализации запоминающего устройства, быстродействие которого соответствует скорости работы логических схем требует иерархической организации памяти.

5. Арифметическое устройство конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения - создание специальных устройств для выполнения других операций нецелесообразно.

6. Необходимо использовать параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над словами производятся одновременно во всех разрядах слова)

Принцип использования двоичной системы счисления расширил набор физических приборов и явлений, которые можно использовать для представления информации в операционных и запоминающих устройствах компьютера. Две цифры для отображения "1" и "0" могут быть отображением состояния любой двухстабильной системы. В двоичной системе счисления возможно построение логических схем и реализация функций алгебры логики.

Принцип хранимой в памяти программы, представленной в двоичном коде, позволяет производить не только вычисления, направляя команду в устройство управления, а данные в арифметическое устройство, но и преобразовывать сами команды, например в зависимости от результатов вычислений, используя для преобразования коды команд и оперируя с ними, как с данными.

Принцип реализации условных переходов позволяет осуществлять программы с циклическими вычислениями с автоматическим выходом из цикла. Благодаря принципу условного перехода сокращается число команд, в программе, так как не требуется повторять одинаковые участки программы.

Принцип иерархической организации памяти был сформулирован в связи с тем, что с самого первого компьютера с сохраняемой программой существовало несоответствие между быстродействием арифметического устройства и оперативной памяти. Противоречия бы не существовало, если выполнить память на тех же элементах, что и арифметическое устройство, но такая память получалась слишком дорогой. Иерархическое построение оперативного запоминающего устройства позволяет иметь быстродействующую память небольшого объема только для данных и команд, подготовленных к выполнению. Все остальное хранится в запоминающем устройстве более низкого уровня.

Параллельный принцип организации вычислений позволяет значительно увеличить скорость вычислений.

Иерархия памяти

Различные виды памяти (устройства хранения данных) образуют иерархию, на различных уровнях которой расположены памяти с отличающимися временем доступа, сложностью, стоимостью и объемом. Возможность построения иерархии памяти вызвана тем, что большинство алгоритмов обращаются в каждый промежуток времени к небольшому набору данных, который может быть помещен в более быструю, но дорогую и поэтому небольшую, память. Использование более быстрой памяти увеличивает производительность вычислительного комплекса.

При проектировании высокопроизводительных компьютеров и систем необходимо решить множество компромиссов, например, размеры и технологии для каждого уровня иерархии. Каждый уровень является как бы подчиненным для предыдущего уровня иерархии. Для уменьшения времени ожидания на более высоких уровнях, низшие уровни могут подготавливать данные укрупненными частями с буферизацией и, по наполнению буфера, сигнализировать верхнему уровню о возможности получения данных.

Пример иерархии памяти ЭВМ:

1. Регистры процессора (несколько сотен байт)

2. Кэш L1 процессора (десятки Кб)

3. Кэш L2 процессора (около 0,5 Мб)

4. Кэш L3 процессора (несколько Мб)

5. ОЗУ (несколько гигабайт)

6. Локальное дисковое хранилище (до нескольких Тб)

7. Удаленное дисковое хранилище (неограниченные объемы)

Логика работы процессора

Процессор – это основное устройство ЭВМ, выполняющее логические и арифметические операции, и осуществляющее управление всеми компонентами ЭВМ.

Рабочий цикл по своему содержанию в основном одинаков для всех вычислительных машин различных поколений и отличается лишь некоторыми техническими деталями реализации. Важной составной частью фон-неймановской архитектуры является счетчик адреса команд. Он постоянно указывает на ячейку памяти, в которой хранится следующая команда. Считав очередную команду из памяти, процессор сразу же увеличивает значение счетчика так, чтобы он показывал на следующую команду. Считанная в регистр команд операция расшифровывается, извлекаются необходимые данные, над ними в АЛУ выполняются требуемые действия и, если предусмотрено операцией, результат записывается в ОЗУ.

Затем во всех случаях, за исключением команды останова, описанные действия циклически повторяются.

Начало  Считывание очередной команды в регистр  Формирование адреса след. команды  Расшифровка команды (с пом. Набора команд процессора)  Выборка данных  Выполнение  Запись результата.

Все процессоры можно разделить на:

• Процессоры с расширенной системой команд (CISC - процессоры).

• Процессоры с сокращенной системой команд (RISC - процессоры).

Первый тип процессоров характеризуется небольшим числом регистров, но большим количеством команд, более длинным форматом их записи в байтах и, соответственно, более медленной работой. Такие процессоры используются в универсальных вычислительных системах и являются стандартом для микрокомпьютеров.

Второй тип процессоров характеризуется меньшим количеством команд и, соответственно, более высоким быстродействием. Но сложные операции в этом случае приходится разбивать на последовательность простейших команд, что не всегда эффективно. Поэтому такие процессоры используются в специализированных вычислительных системах, ориентированных на выполнение однообразных операций.