Структура вычислительной машины фон Неймана. Машина с непосредственными связями
В своей работе фон Нейман определил основные устройства ВМ, с помощью которых должны быть реализованы вышеперечисленные принципы. Большинство современных ВМ по своей структуре отвечают принципу программного управления и имеют типичную структуру, которая была в свое время предложена фон Нейманом: память, устройство управления, арифметико-логическое устройство и устройство ввода/вывода (рис. 1).
Рис. 1. Структура вычислительной машины фон Неймана
(машина с непосредственными связями)
Информация поступает в ВМ от периферийных устройств (ПУ) ввода, а результаты вычислений выводятся на периферийные устройства вывода. Связь и взаимодействие ВМ и ПУ обеспечивают порты ввода и порты вывода. Под портом понимается аппаратура для физического согласования сигналов периферийного устройства и ВМ, а также поддержки логического протокола передачи специфичного для того или иного ПУ. Совокупность портов ввода/вывода образуют устройство ввода/вывода или модуль ввода/вывода. Полученная извне информация сначала запоминается в основной памяти, а затем переносится во вторичную память для длительного хранения. Для фон-неймановской машины характерно то, что команды и данные должны располагаться в основной памяти (ОП), до начала их обработки Память организованна таким образом, что каждое двоичное слово храниться в отдельной ячейке с определенным адресом, причем соседние ячейки имеют следующие по порядку адреса. Доступ к любым ячейкам запоминающего устройства (ЗУ) основной памяти может производиться в произвольной последовательности. Размер ячейки основной памяти обычно принимается равным 8 двоичным разрядам – байту. Для хранения больших чисел используются 2, 4 или 8 байтов, размещаемых в ячейках с последовательными адресами. В этом случае за адрес числа принимается адрес его младшего байта. Такой метод адресации называют адресацией по младшему байту или метод «остроконечников». Для долговременного хранения программ и массивов данных в ВМ имеет дополнительная память, известная как вторичная. Вторичная память в отличие от основной является энергонезависимой и чаще всего реализуется на основе магнитных дисков. Информация в ней хранится в виде специальных программно поддерживаемых объектов – файлов.
Устройство управления (УУ) – важнейшая часть ВМ, реализующее автоматическое выполнение программ и обеспечивающая функционирование ВМ как единой системы. Основной функцией УУ является формирование управляющих сигналов, отвечающих за извлечение команд из памяти в порядке, определяемом программой, и последующее исполнение этих команд. Кроме того, УУ формирует сигналы управления для синхронизации и координации внутренних и внешних устройств ВМ.
Еще одной наиважнейшей частью любой ВМ является арифметико-логическое устройство (АЛУ). АЛУ обеспечивает арифметическую и логическую обработку двух входных переменных (операндов), в результате которой формируется выходная переменная (результат). Функции АЛУ обычно сводятся к простым арифметическим и логическим, а также операциям сдвига. Помимо результата операции АЛУ формирует ряд признаков результата (флагов), характеризующих полученный результат и события, произошедшие в процессе его получения (равенство нулю, знак, четность, перенос, переполнение). Флаги могут анализироваться УУ с целью принятия решения о дельнейшей последовательности выполнения команд программы.
УУ и АЛУ тесно связаны и их обычно рассматривают как единое устройство, известное как центральный процессор (ЦП) или просто процессор. Помимо УУ и АЛУ в процессор входит набор регистров общего и специального назначения, которые служат для промежуточного хранения информации в процессе ее обработки и поддержки логических адресных механизмов, в частности сегментации.