Якім прынцыпе не адпавядае архітэктура фон Нэймана? Як працуе машына фон Нэймана?

Сёння цяжка паверыць, але кампутары, без якіх многія ўжо не могуць прадставіць сваё жыццё, з'явіліся ўсяго нейкіх 70 гадоў таму. Адным з тых, хто зрабіў вырашальны ўклад у іх стварэнне, быў амерыканскі вучоны Джон фон Нэйман. Ён прапанаваў прынцыпы, на якіх і па сённяшні дзень працуе большасць ЭВМ. Разгледзім, як працуе машына фон Нэймана.

Кароткая біяграфічная даведка

Янаш Нэйман нарадзіўся ў 1930 годзе ў Будапешце, у вельмі заможнай яўрэйскай сям'і, якой пасля атрымалася атрымаць дваранскі тытул. Ён з дзяцiнства меў выбітнымі здольнасцямі ва ўсіх абласцях. У 23 гады Нэйман ўжо абараніў кандыдацкую дысертацыю ў галіне эксперыментальнай фізікі і хіміі. У 1930-м маладога вучонага запрасілі на працу ў ЗША, у Прынстанскі універсітэт. Адначасова з гэтым Нэйман стаў адным з першых супрацоўнікаў Інстытута перспектыўных даследаванняў, дзе прапрацаваў прафесарам да канца жыцця. Навуковыя інтарэсы Нэймана былі даволі шырокія. У прыватнасці, ён з'яўляецца адным з стваральнікаў матаппарата квантавай механікі і канцэпцыі клеткавых аўтаматаў.

Ўклад у інфарматыку

Перш чым высветліць, якім прынцыпе не адпавядае архітэктура фон Нэймана, будзе цікава даведацца пра тое, як навуковец прыйшоў да ідэі стварэння вылічальнай машыны сучаснага тыпу.

Будучы экспертам у галіне матэматыкі выбухаў і ўдарных хваляў, у пачатку 1940-х фон Нэйман з'яўляўся навуковым кансультантам у адной з лабараторый Упраўлення боепрыпасаў Арміі Злучаных Штатаў. Восенню 1943 года ён прыбыў у Лос-Аламосе для ўдзелу ў распрацоўцы Манхеттэнского праекта па асабістым запрашэнні яго кіраўніка Роберта Оппенгеймера. Перад ім была пастаўлена задача разлічыць сілу имплозийного сціску зарада атамнай бомбы да крытычнай масы. Для яе вырашэння патрабаваліся вялікія вылічэнні, якія на першым часе ажыццяўляліся на ручных калькулятарах, а пазней на механічных табулятара фірмы IBM, з выкарыстаннем перфакарт.

Фон Нэйман пазнаёміўся з інфармацыяй аб ходзе стварэння электронна-механічных і цалкам электронных кампутараў. Неўзабаве яго прыцягнулі да распрацоўкі кампутараў EDVAC і ENIAC, у выніку чаго ён пачаў пісаць працу «Першы праект справаздачы аб EDVAC», астатнюю няскончанай, у якой прадставіў навуковаму супольнасці цалкам новую ідэю пра тое, якой павінна быць кампутарная архітэктура.

Прынцыпы фон Нэймана

Інфарматыка як навука да 1945 году зайшла ў тупік, так як усе вылічальныя машыны захоўвалі ў сваёй памяці апрацоўваныя колькасці ў 10-м выглядзе, а праграмы для здзяйснення аперацый задаваліся пры дапамозе ўстаноўкі перамычак на камутацыйнай панэлі.

Гэта значна абмяжоўвала магчымасці камп'ютараў. Сапраўдным прарывам сталі прынцыпы фон Нэймана. Коратка іх можна выказаць адным прапановай: пераход да двайковай сістэме злічэння і прынцып захоўваемай праграмы.

аналіз

Разгледзім, на якіх прынцыпах заснавана класічная структура машыны фон Нэймана, больш падрабязна:

1. Пераход да двайковай сістэме ад дзесяцірычнае

Гэты прынцып неймановской архітэктуры дазваляе выкарыстоўваць досыць простыя лагічныя прылады.

2. Праграмнае кіраванне электроннай вылічальнай машынай

Праца ЭВМ кантралюецца наборам каманд, якія выконваюцца паслядоўна адзін за адным. Распрацоўка першых машыны з праграмай, захоўваемай у памяці, паклала пачатак сучаснаму праграмаванню.

3. Дадзеныя і праграмы ў памяці кампутара захоўваюцца сумесна

Пры гэтым і дадзеныя, і каманды праграмы маюць аднолькавы спосаб запісу ў двайковай сістэме злічэння, таму ў пэўных сітуацыях над імі магчыма выкананне тых жа дзеянняў, што і над дадзенымі.

следства

Акрамя таго, архітэктура Фоннеймановской машыны валодае наступнымі асаблівасцямі:

1. Ячэйкі памяці маюць адрасы, якія пранумараваныя паслядоўна

Дзякуючы прымяненню гэтага прынцыпу стала магчымым выкарыстанне зменных у праграмаванні. У прыватнасці, у любы момант можна звярнуцца да той ці іншай вочку памяці па яе адрасе.

2. Магчымасць ўмоўнага пераходу ў ходзе выканання праграмы

Як ужо было сказана, каманды ў праграмах павінны выконвацца паслядоўна. Аднак прадугледжана магчымасць здзейсніць пераход да любога ўчастку кода.

Як працуе машына фон Нэймана

Такая матэматычная мадэль складаецца з запамінальнай (ЗП), арыфметыка-лагічнай прылады (АЛУ), кіраўніка, а таксама прыладаў ўводу і вываду. Усе каманды праграмы запісваюцца ў вочках памяці, размешчаных па суседстве, а дадзеныя для іх апрацоўкі - у адвольных вочках.

Любая каманда павінна складацца з:

• ўказанні, якая аперацыя павінна быць выканана;
• адрасоў вочак памяці, у якіх захоўваюцца зыходныя дадзеныя, якія закранаюцца названай аперацыяй;
• адрасоў вочак, у якія варта запісаць вынік.

Названыя камандамі аперацыі над канкрэтнымі зыходнымі дадзенымі выконваюцца АЛУ, а вынікі запісваюцца ў вочках памяці, т. Е. Захоўваюцца ў выглядзе, зручным для наступнай машыннай апрацоўкі, альбо перадаюцца на прыладу высновы (манітор, прынтэр і інш.) І становяцца даступныя чалавеку.

Уу кіруе ўсімі часткамі ЭВМ. Ад яго на астатнія прылады паступаюць сігналы-загады «што рабіць», а ад іншых прылад яно атрымлівае інфармацыю аб тое, у якім стане яны знаходзяцца.

У кіраўніка прылады ёсць спецыяльны рэгістр, званы «лічыльнікам каманд» СК. Пасля загрузкі зыходных дадзеных і праграмы ў памяць, СК запісваецца адрас яе 1-й каманды. Уу счытвае з памяці ЭВМ змесціва вочка, адрас якой знаходзіцца ў СК, і змяшчае яго ў «Рэгістр каманд». Кіравальнае прылада вызначае аперацыю, якая адпавядае канкрэтнай камандзе, і «адзначае» у памяці кампутара дадзеныя, адрасы якіх у ёй пазначаны. Далей АЛУ або апаратныя сродкі ЭВМ прыступаюць да выканання аперацыі, па завяршэнні якой змесціва СК змяняецца на адзінку, т. Е. Паказвае на наступную каманду.

крытыка

Недахопы і сучасныя перспектывы архітэктуры фон Нэймана працягваюць заставацца прадметам дыскусій. Тое, што машыны, створаныя на прынцыпах, вылучаных гэтым выбітным навукоўцам, не дасканалыя, было заўважана яшчэ вельмі даўно.

Таму ў экзаменацыйных білетах па інфарматыцы нярэдка можна сустрэць пытанне "якім прынцыпе не адпавядае архітэктура фон Нэймана і якія недахопы ў яе ёсць".

Пры адказе на яго другую частку абавязкова варта пазначыць:

• на наяўнасць семантычнага разрыву паміж мовамі праграмавання высокага ўзроўню і сістэмай каманд;
• на праблему ўзгаднення ОП і прапускной здольнасці працэсара;
• на Намячаецца крызіс праграмнага забеспячэння, выкліканы тым, што выдаткі на яго стварэнне з'яўляюцца нашмат ніжэй кошту распрацоўкі апаратных сродкаў, і няма магчымасці поўнага тэставання праграмы;
• адсутнасць перспектыў з пункту гледжання хуткадзейнасці, так як ужо дасягнуты яго тэарэтычны мяжа.

Што тычыцца таго, якім прынцыпе не адпавядае архітэктура фон Нэймана, то гаворка ідзе пра паралельнасці арганізацыі вялікага ліку патокаў дадзеных і каманд, уласцівай шматпрацэсарнай архітэктуры.

заключэнне

Зараз вам вядома, якім прынцыпе не адпавядае архітэктура фон Нэймана. Відавочна, што навука і тэхналогіі не стаяць на месцы, і, магчыма, вельмі хутка ў кожным доме з'явяцца кампутары цалкам новага тыпу, дзякуючы якім чалавецтва выйдзе на новы ўзровень свайго развіцця. Дарэчы, падрыхтавацца да іспыту дапаможа праграма-трэнажор "Архітэктура фон Нэймана". Такія лічбавыя адукацыйныя рэсурсы палягчаюць засваенне матэрыялу і даюць магчымасць ацаніць свае веды.