45. Неймановский принцип программного управления

Принцип программного управления как основной принцип построения ЭВМ

Современные ЭВМ строятся на основополагающем подходе - принципе программного управления. В основе этого принципа лежит представление алгоритма в форме операторной схемы, которая задает правило вычислений как композицию операторов (операций над данными) двух типов: операторов, обеспечивающих преобразование информации, и операторов, анализирующих информацию с целью определения порядка выполнения операторов. Принцип программного управления может быть реализован в ЭВМ многими способами. Один из способов реализации программного управления был предложен в 1945 году Дж. фон Нейманом и с тех пор НЕЙМАНОВСКИЙ ПРИНЦИП программного управления используется в качестве основного принципа построения всех современных ЭВМ. Этот принцип состоит в следующем.

Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы (элементы) информации, называемые словами.

Разнотипные слова различаются по способу использования, но не способами кодирования.

Слова информации размещаются в ячейках памяти машины и идентифицируются номерами ячеек, называемые адресами слов.

Алгоритм представляется в форме последовательности управляющих слов, которые определяют наименование операции и слова информации, (называемые операндами) участвующие в операции, и называются командами. Алгоритм, представленный в терминах машинных команд, называется программой.

Выполнение вычислений, предписанных алгоритмом, сводится к последовательности выполнению команд в порядке, однозначно определяемой программой.

Первый пункт. Представление информации в виде нулей и единиц значительно упрощает конструкцию ЭВМ, а также повышает ее надежность. Совокупность нулей и единиц, используемых для представления отдельных чисел, команд и т.п., рассматриваются как самостоятельные информационные объекты и называются словами. Слово обрабатывается ЭВМ как одно целое - как машинный элемент информации.

Второй пункт. Все слова, представляющие числа, команды и т.п., выглядят в ЭВМ совершенно одинаково и сами по себе неразличимы. Только порядок использования слов в программе вносит различие в слова. Отсюда следует, что команды программы становятся в такой же степени доступными для обработки, как и числа. А это приводит к интересным возможностям, таким как одни и те же операции можно использовать для обработки слов различной природы.

Третий пункт. Этот пункт указывает на специфику хранения и поиска информации, порождаемую свойствами машинной памяти. Машинная память - это совокупность ячеек, где ячейка выделяется для хранения элемента информации (слова). Идентифицируются ячейки памяти с помощью адресов. Поэтому для обозначения слов (команд и т.п.) в ЭВМ нет никаких средств, кроме адресов, присваиваемых величинам, командам в процессе составления программы вычислений.

Четвертый пункт. Алгоритм представляется в виде упорядоченной последовательности команд в форме полей команды, представляющих соответственно код операции и адреса операндов, участвующих в операции.

Форма полей команды характеризует структуру, или иначе формат команды. Требуемый порядок вычислений предопределяется алгоритмом и описывается последовательностью команд, образующих программу вычислений.

Пятый пункт. Процесс вычислений, выполняемый ЭВМ по заданной программе, состоит в последовательном выполнении команд. Первой выполняется команда, заданная пусковым адресом программы. Адрес следующей команды однозначно определяется в процессе выполнения текущей команды и может быть адресом следующей команды, либо адресом любой другой команды. Процесс вычислений продолжается до тех пор, пока не будет выполнена команда, предписывающая прекращение вычислений.

Важно отметить, что вычисления, производимые машиной, определяются программой. Следовательно, многообразие программ, которые могут быть выполнены ЭВМ, определяет класс функций, которые способна реализовать ЭВМ.

К настоящему времени принцип программного управления, предложенный Дж. фон Нейманом, является ведущим принципом построения современных ЭВМ. Это объясняется тем, что хотя возможности неймановских машин доведены до предела, пока они удовлетворяют потребностям в вычислениях во многих областях применений. С другой стороны, повышение требований к производительности и надежности ЭВМ диктует потребность в пересмотре классического неймановского принципа построения ЭВМ и систем, чтобы приблизить машинные формы представления данных и алгоритмов к естественным языкам.

Так широкое распространение получил принцип построения ЭВМ с развитыми системами интерпретации, разработанный коллективом, возглавляемым В.М. Глушковым.

ЭВМ этого класса обеспечивает восприятие алгоритмов, записанных на языках высокого уровня - в виде знаков, операций, наименование величин и данных, представляемых в естественной форме. Эти указанные возможности реализуются за счет введения в ЭВМ нетрадиционных средств адресации и операций над информацией.