3. Машина фон Неймана

ЭВМ с одним процессором и последовательным выполнением действий по преобразованию информации называется машиной фон Неймана. Дж. Фон Нейман в 1945 г. высказал следующий принцип: программы преобразования информации и данные для преобразования хранятся во внутренней памяти.

Модель ЭВМ фон Неймана может быть описана так:

1. Вычислительная машина должна состоять из памяти, устройства управления (УУ), арифметико-логического устройства (АЛУ), и устройств ввода-вывода информации. Вычислительные операции исполняются в АЛУ, а управляет вычислительным процессом УУ.

2. Программы и данные представляются в двоичном коде. Программа - это указание на последовательность действий, составляющих вычислительный процесс для решения поставленной задачи обработки информации. Данные – информация, обрабатываемая в ЭВМ в ходе исполнения действий.

3. Программа представлена в виде машинных слов - команд, последовательность которых определяет последовательность действий по преобразованию информации. В каждой команде закодировано одно действие над одним или двумя данными в виде машинных слов.

4. Программы и данные хранятся в памяти.

5. УУ и АЛУ образуют процессор, который обращается к памяти за командами и данными.

Такая модель машины представлена на рисунке 2

Указанный алгоритм определяет основные этапы работы и современной ЭВМ:

-предварительный ввод программы и данных в память через устройства ввода,

-запуск программы на исполнение в АЛУ,

-охранение результатов работы программы в памяти;

-вывод результатов на устройство вывода.

УУ управляет работой всех устройств ЭВМ путем выдачи специальных управляющих сигналов, соответствующих алгоритму преобразования информации, на различные схемы устройств в определенные моменты времени.

4. Классификации эвм

Существует множество классификаций ЭВМ по различным основаниям.

А -По основным параметрам (производительности ЭВМ, размеру ОЗУ, разрядности машинного слова и стоимости ЭВМ) и архитектуре традиционно различают 4 основных класса ЭВМ:

1. МикроЭВМ - IBM РС, ХТ, AT и т.п.

2. Мини-ЭВМ - ЕС ЭВМ, DEC,VAХ

3. Средние ЭВМ (Мэйнфреймы) - БЭСМ, Эльбрус

4. СуперЭВМ - AlfaServer, Parsytec, Cray T3D, Квант.

Б -По использованной элементной базе можно выделить 2 класса ЭВМ:

1. На основе логических элементов, реализующих функции булевой (двоичной) алгебры и на базе триггеров. Логический элемент может находиться в двух состояниях – 1 и 0.

2. На основе нейронных сетей. Нейрон - прибор, который является моделью одного вида клеток головного мозга. Биологический нейрон может находиться в спокойном и возбужденном состоянии, способен долго сохранять свое состояние, передача информации происходит на молекулярном уровне.

В- По назначению ЭВМ в компьютерной сети:

1. Машины-пользователи (рабочие станции). Рабочие станции – как правило, это младшие модели мини- и микро-ЭВМ, предназначенные для работы с одним пользователем.

2. Обслуживающие машины (серверы). Серверы предоставляют пользователю определенные ресурсы. Важной характеристикой сервера является объем памяти и скорость обработки данных.

Г-По типу обрабатываемых данных:

1. ЭВМ со скалярной обработкой данных.. Каждая команда обрабатывает элементы данных, представляющих собой только одиночные числа. Например,пересылкаодного элемента данных;сложениедвух элементов данных.

2. ЭВМ с векторной обработкой данных. Имеет команды, каждая из которых обрабатывает данные, представленные в виде упорядоченного набора элементов (чисел), т.е. в виде векторов. Пример скалярной машины - традиционная машина фон Неймана, которая значительно уступает по производительности векторным машинам.Векторная архитектура является основой технологий обработки информации в современных процессорах ПЭВМ IBM PC:

- MMX - в зависимости от контекста, MMX может означать multi-media extensions (мультимедийные расширения) или matrix math extensions (матричные математические расширения). Технология MMX использовалась в качестве расширения, благодаря которому ускоряется компрессия/декомпрессия видеоданных, манипулирование изображением, шифрование и выполнение операций ввода-вывода.

- SSE и SSE2 - Streaming SIMD Extensions — потоковые расширения SIMD ( (Single Instruction — Multiple Data - одиночный поток команд — множественный поток данных). Инструкции SSE содержат 70 новых команд для работы с графикой и звуком в дополнение к существующим командам MMX. Фактически этот набор инструкций имел еще и второе название — MMX-2. Инструкции SSE позволяют выполнять операции с плавающей запятой, реализуемые в отдельном модуле процессора. В технологиях MMX для этого использовалось стандартное устройство с плавающей запятой Поточные расширения SIMD (SSE) содержат целый ряд новых команд для выполнения операций с плавающей запятой и целыми числами, а также команды управления кэш-памятью. Новые технологии SSE позволяют более эффективно работать с трехмерной графикой, потоками аудио- и видеоданных (DVD-воспроизведение), а также приложениями распознавания речи.

Д- По способам распараллеливания вычислительного процесса:

1. Суперскалярные – в команде нет явных указаний на распараллеливание, реализуется на базе операционных устройств (ОУ) в виде конвейеров, т.е. одновременно в разных ОУ выполняются разные этапы разных команд;

2. VLIW (Very Large Instruction Word) – очень длинное слово инструкции – в команде указывается несколько кодов операций и операндов;

3. Мультискалярные (мультитредовые) – имеют несколько процессорных узлов, каждых со своим счетчиком команд и другими управляющими регистрами. Событие, вызывающее переход с одной программы (процесса, треда) на ругую вызываются прерыванием. по промаху КЭШ-памяти или по истечению кванта времени.

Е - По разделению потоков данных и команд:

1. с Принстонской архитектурой (часто называется архитектурой фон-Неймана)– характеризуется использованием общей оперативной памяти для хранения программ, данных, а также для организации стека;

2. с Гарвардской архитектурой – характеризуется физическим разделением памяти команд (программ) и памяти данных.

Ж- -По особенностям системы команд, а значит, и организации процессора можно выделить 2 из нескольких классов:

1. ЭВМ с CISC- архитектурой, т.е. со сложным набором команд.

2. ЭВМ с RISC архитектурой, т.е. с сокращенным набором команд

Различия в концепциях CISC и RISC основаны на следующем.

Каждая модель процессора имеет свою систему команд - полный список команд со всеми их особенностями. УУ процессора понимает только команды своей системы. Именно их может исполнять процессор. Разработчики процессоров CISC вводят в набор как простые (короткие), так и сложные (длинные команды), например, операция сложить выполняется в АЛУ обычно за 1 такт, а умножение – за десятки тактов. Процессор Intel Pentium насчитывает более сотни различных команд и видится программистом как процессор с CISC-архитектурой.

В противоположность CISC существуют процессоры с сокращенным набором команд – RISC-процессоры. Их система команд насчитывает всего лишь несколько десятков основных команд, но все команды, выполняющиеся в АЛУ, имеют одну длину в битах и одну структуру (формат). Благодаря этому они выполняются за одно и тоже время – 1 такт. При этом внутреннее устройства процессора получается намного проще, а команды выполняются много быстрее.

Однако современные процессоры настолько сложны, что в одной модели может быть реализовано сразу оба принципа. Так, в тех же процессорах Pentium обрабатывающая часть (блоки выполнения операций ) имеет RISC- архитектуру.

Архитектуры ЭВМ и процессоров продолжают развиваться, поэтому классификации должны дополняться и расширяться.

Для ВС также существует много классификаций. Но здесь приведем только одну из них: По количеству процессоров различают ВС

- многопроцессорные

- однопроцессорные.