15. Фон-неймановская модель компьютера.

В основе информатики лежит техническое устройство – выч. машина (комп). В процессе разработки первых ЭВМ была выдвинута определённая концепция их архитектуры. Наиболее чётко её сформулировал американский математик Дж. фон Нейман.

Чтобы машина считала, нужно задавать последовательность действий, составляющую алгоритм решения задачи. Возникла идея разбить процесс вычисления на отдельные этапы, для выполнения каждого из которых нужно подать исполнительному устройству. Но если каждую команду оператор будет вводить только после того, как выполнится предыдущая, то машина будет работать со скоростью оператора. Следовательно, машина должна сама брать следующую команду и числа, необходимые для её выполнения.

Дж. фон Нейман предложил след. решение: будем представлять память данных как последовательность ячеек. Все ячейки пронумерованы. В каждой ячейке хранится слово в двухбуквенном алфавите {0, 1}, представляющее число. Зная номер ячейки, можно получить именно то слово, которое в ней хранится, и далее, в зависимости от потребностей, использовать его для выполнения очередной операции или записать в ячейку новое.

Простейшая ЭВМ функционально должна состоять из двух устройств: вычислителя (процессора) и памяти, связанных между собой каналом передачи информации. Память, в свою очередь, включает память команд (инструкций) и память данных, а процессор – арифметико-логическое устройство АЛУ и устройство управления УУ.

Процессор выполняет обработку данных (вычисляет), память данных хранит исходные данные, промежуточные результаты вычислений и результат решения задачи. Память команд предназначена для хранения программы, задающей алгоритм вычислений. В памяти команд кроме самих операций нужно хранить слова в двоичном алфавите – номера ячеек с данными. Последние также являются словами в двоичном алфавите. Идея фон Неймана состояла в том, чтобы обозначить каждую команду (операцию) каким-нибудь числом, представленным словом в двоичном алфавите.

Так как память команд и память данных содержат слова в двоичном алфавите, их можно объединить в одно устройство: основную, или оперативную память (ОЗУ). В ней будут находиться команды (код программы) и данные, записанные в форме слов в двоичном алфавите. В различных условиях в процессе выполнения программы содержимое одного и того же участка памяти может рассматриваться и как данные, и как код. Что же это за условия? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим последовательность действий, которую выполняет машина.

Из ячейки памяти, адрес которой формируется счётчиком команд (входит в состав УУ процессора), извлекается слово в двоичном алфавите. Оно по каналу передачи информации поступает в регистр команд УУ, дешифруется и обеспечивает настройку АЛУ на соответствующую операцию. Затем процессор извлекает исходные данные из ячеек памяти, адреса которых указаны в этой команде. Операнды в виде слов в двоичном алфавите поступают в регистры АЛУ. Результат пересылается в память данных по указанному в команде адресу. После этого процессор переходит к новой инструкции. И так до инструкции СТОП.

Следовательно, в зависимости от того, куда (УУ или АЛУ) и когда (содержимое счётчика команд, изменяющееся во времени в соответствии с принятым в машине форматом представления команды) попадает слово, оно интерпретируется как команда или как данные.

Принципы фон Неймана.

1. Любая вычислительная машина с программным управлением должна состоять из устройства, исполняющего команды (процессора), и устройства для хранения информации (данных, команд) – оперативной памяти.

2. Память представляет собой последовательность нумерованных ячеек, в каждой из которых хранится слово в двоичном алфавите. Оно может задавать операцию, номер (адрес) другой ячейки или элемент данных.

3. Команды для исполнения АЛУ, входящим в состав процессора, выбираются из памяти последовательно. Слово, поступающее в УУ, интерпретируется как операция, а слова, поступающие в АЛУ, – как данные. В случае изменения естественного порядка следования команд применяется специальная команда передачи управления, в которой указывается, из какой ячейки памяти должна выбираться след. команда. Этот принцип получил название командно-адресного принципа управления.

4. За словом, представляющим операцию, может следовать несколько операндов – чисел, символов или адресов ячеек, с которыми будет произведена операция. Сколько операндов у команды и что они означают, определяет процессор при анализе кода операции.

5. Неизменность структуры физических связей между устройствами машины; подлежат изменению только логические связи.