1.2. Принципи організації комп’ютера фон-Неймана

Отже, згідно із фундаментальними принципами побудови універсального обчислювача, що були запропоновані ще на початку ХІХ сторіччя англійським вченим Ч. Беббіджем, він повинен складатись із 5-ти основних частин (рис.1.1): Основні ідеї побудови сучасних комп’ютерів у 1945 році сформулював американський математик Дж. фон Нейман. Тому. класичну структуру обчислювача Ч. Беббіджа також називають іменем фон-Неймана.

Призначення кожної з частин такі:

• арифметико-логічний пристрій, у залежності від його внутрішньої будови, повинен виконувати математичні операції (додавання, віднімання, множення, ділення або й навіть складніші – добування квадратного кореня, піднесення до степеня та ін.), а також логічні та інші операції;

• пам’ять інструкцій та даних (основна пам’ять) – саме інструкції (їх ще називають – командами), що розміщені у пам’яті і визначають, які операції, над якими даними, що теж розміщені у пам’яті, і у якій послідовності вони виконуються. Без пам’яті арифметико-логічний пристрій не виконає жодної дії і пам’ять без арифметико-логічного пристрою, теж нічого не виконає;

Рис.1.1. Загальна структура універсального обчислювача

• пристрої вводу та виводу інформації забезпечують зв’язок обчислювача із людиною. За часів Беббіджа, а навіть у комп’ютерах першогого – третього поколіннь, інформація вводилась та виводилась за допомогою перфокарт – спеціальних картонних пластинок з отворами, кількість та порядок розташування яких кодували інформацію. Нагадаємо, що інформація, яку вводить людина у комп’ютер, може бути двох видів: дані, які необхідно обробляти, та інструкції (або – команди), які визначають послідовність та тип операцій обробки даних;

• керуючий пристрій, відповідно, керує роботою усіх частин обчислювача. Для цього він повинен одна за одною зчитувати інструкції з пам’яті, “повідомляти” арифметичний пристрій про закладені у інструкціях операції та дані, а також змінювати свою роботу за вказівками людини.

Звичайно, що кожна складова частина сучасного комп’ютера стала сама по собі надзвичайно складною. Так, процесор здатний одночасно обробляти відразу декілька складних інструкцій, пам’ять поділяється на різні типи з різною ємністю та швидкодією (оперативна пам’ять, кеш-пам’ять, пам’ять на жорсткому диску та ін.), а пристрої вводу та виводу самі по собі можуть бути комп’ютерами із спеціалізованими функціями (сканери, принтери, цифрові фотокамери та ін.). Надзвичайно складною частиною комп’ютера стали також магістралі (або шини, інтерфейси) зв’язку між окремими компонентами комп’ютера, які на рисунку показані просто стрілками.

У цілому, функціонування любого комп’ютера можна звести до послідовності таких дій:

1. Комп’ютер за допомогою блоку вводу приймає інформацію у вигляді програм та даних і записує її до пам’яті;

2. Керуючий пристрій зчитує з пам’яті інструкції (команди) програми, розпізнає їх та визначає які дані і як повинні опрацьовуватися.

3. Дані, які зберігаються у пам’яті і підлягають опрацюванню згідно інструкції, під дією керуючого пристрою пересилаються до арифметико-логічного пристрою;

4. Результати опрацювання даних в арифметико-логічному пристрою записуються в пам’ять;

5. Дані, які отримані у результаті обробки інформації, направляються у пристрій виводу.

Тут слід зауважити, що за усі дії, що виконуються всередині машини, відповідає блок керування. Отже, діями комп’ютера керують інструкції (команди), з яких складається програма обчислення даної задачі.

Принципи, запропоновані Дж. фон Нейманом та закладені у концепцію побудови електронних комп’ютерів, отримали назву – принципи (парадигми) фон Неймана. Суть їх така:

1. Принцип програмного керування, який передбачає наявність попередньо створеної програми у вигляді послідовності (набору) інструкцій (команд).

2. Принцип однорідності пам’яті, який передбачає, що інструкції (команди) та дані зберігаються в одній і ті й самій пам’яті, в середині пам’яті вони не розрізняються між собою.

В основу цих принципів покладено такі положення:

• інформація кодується у двійковій системі числення і розділяється на окремі частини – слова;

• різнотипні слова інформації (команди, дані) відрізняються лише способом використання, а не способом кодування;

• слова інформації розміщуються у комірках основної пам’яті та ідентифікуються номерами комірок (у двійковому коді), які називають адресами слів;

• слова інструкцій (команд) визначають наймення операцій, що повинні виконатися над даними, та місце розташування даних у пам’яті;

• виконання обчислень згідно алгоритму роботи зводиться до послідовного виконання команд у порядку, однозначно визначеному програмою.

Такий підхід був прийнятий у комп’ютерах, що створювалися у Принстонському університеті, через що і отримав назву “принстонської архітектури”.

Альтернативою фон-нейманівській архітектурі є так звана гарвардська архітектура. Вона передбачає наявність двох пристроїв пам’яті: один – для інструкцій програм, а другий –для даних. Причому програму не можна розмістити у вільній області пам’яті даних і навпаки. Гарвардська архітектура застосовується головним чином у керуючих комп’ютерах.