1.6. Архитектура фон Неймана

Рисунок 1.16. Логическая архитектура ЭВМ фон Неймана.

Логическая (т.е. принципиальная) архитектура ЭВМ фон Неймана представлена на рис. 1.16.Память(оперативная – ОЗУ) представляет собой последовательностьячеек, состоящих из одинакового количествадвоичных разрядов(т.е. элементов памяти, хранящих один бит информации – 0 или 1). Ячейки памяти пронумерованы в порядке следования (начиная с 0). Номер ячейки называется еёадресом. Таким образом, каждая ячейка хранит двоичную последовательность постоянной длины, которую можно рассматривать как произвольноецелое неотрицательное число в двоичной форме. Доступ к содержимому ячейки по её адресу называетсяпрямым доступом. Память с прямым доступом называетсяRAM, от англ.Random Memory Access(произвольный доступ к памяти). Прямой доступ к памяти значительно быстрее последовательного, который применяется, например, при вводе информации из файла.

Любая единица информации любого типа должна представляться словами, состоящими из подряд идущих ячеек, т.е. последовательностью битов, и иметь определённыйформат, соответствующий своему типу. Формат определяет разбиение слова наполяопределённой длины, каждое из которых хранит определённую смысловую часть данной единицы информации. Например, в ячейке, хранящей целое число, выделяются два поля – поле знака (1 или 0) и поле цифр (двоичных). В ячейке вещественного числа четыре поля – знак числа, мантисса, знак порядка, порядок (мантисса и порядок – цифровые поля). Однако,поля никак не выделяются физически и логически, т.е., ни ячейка, ни содержащаяся в ней информация не имеет никаких признаков, какого типа эта информация.

Программа состоит из команд, также представленных в двоичном коде, формат которого определяет поле кода операции (КОП), выполняемой командой, и адресные поля, хранящие адреса ячеек, над которыми выполняется операция. Код операции как раз и определяет, в каком формате рассматривается содержимое ячеек, адреса которых указаны в команде. Выполнение команд осуществляетдвоичноеарифметико-логическое устройство(АЛУ).Аккумуляторпредставляет собой специальные ячейки для хранения промежуточных и окончательных результатов выполняемой операции. Эти ячейки называютсярегистрами. Они находятся в АЛУ. Требование двоичности памяти и АЛУ не было лишним, т.к. многие первые ЭВМ ещё использовали десятичную или двоично-десятичную систему²⁴.

Устройство управления(УУ) определяет порядок выполнения команд и операций. Важнейшим новым принципом этой архитектуры (принадлежащим Экерту) являетсяпринцип хранимой программы, согласно которому последовательность команд хранится в ячейках памяти, как и данные. Это позволяет быстро загружать в память новые программы и пересылать команды из ОЗУ в УУ, а также программно генерировать новые команды и целые программы, т.е. автоматизировать процесс создания программ. Этот принцип не был очевидным, т.к. первые вычислительные машины этого времени считывали команды с перфоленты или программы набирались вручную на коммутационной панели, как в табуляторах.

Устройство управления выполняет программу, последовательно выбирая команды из памяти, но есть специальные управляющие команды, способные прервать, остановить программу или перейти к исполнению команды, указанной в адресном поле управляющей команды. Такие команды называютсякомандами перехода, они бываютбезусловнымииусловными, осуществляющими переход при определённом условии.Только наличие условных команд перехода делает машину универсальной.

В современных компьютерах АЛУ и УУ объединены в один блок, называемый процессоромилипроцессорным устройством(ПУ).

Устройства вводаивывода(УВВ) обеспечивают обмен программами, директивами и информацией свнешней памятью(ВЗУ) илипультом оператора(консоль, терминал). УВВ также управляются специальными командами ввода-вывода.

Рисунок 1.17. Копия Манчестерской МЭМ.

Рисунок 1.18. МЭСМ.

По плану, первой вычислительной машиной, построенной по архитектуре фон Ней­мана, должна была стать ЭВМ EDVAC, проектирование которой началось ещё в 1944 году. Однако до 1951 года EDVAC не был запущен из-за технических трудностей в создании надёжной памяти и разногласий в группе разработчиков.Первым компьютером, в котором были реализованы основные особенности архитектуры фон Неймана, была ЭВМ «Манчестерская малая экспериментальная машина (Baby)» – Манчестерский университет, Великобритания, 21 июня 1948 года (рис. 1.17). Ещё пять фон-неймановских машин было запущено в 1949-1950 годах (Великобритания, США и Австралия). В СССР первой полностью электронной вычислительной машиной, близкой к принципам фон Неймана, стала МЭСМ (Малая электронно-счётная машина), построенная С.А. Лебедевым (на базе киевского Института электротехники АН УССР), прошедшая государственные приёмочные испытания в декабре 1951 года. EDVAC была завершена в августе 1949 года, а фактически запущена в 1952 году.