Вычислительная машина фон неймана основные включающие элементы с кратким описанием принцип работы
Принципы построения и работы ЭВМ Джона фон Неймана
Человек, сформулировавший знаменитые принципы фон Неймана, родился в 1903 г. в Будапеште. Выходец из еврейской семьи, Янош Лайош Нейман, с детства проявлял задатки будущего математика, физика, химика.
В 30-х годах преподавал в Германии под именем Иоганна фон Неймана. Расцветающий нацизм и приглашение от американцев подтолкнули молодого ученого к решению перебраться в США. Там он окончательно стал Джоном.
Работал в Принстоне, в университете и Институте перспективных исследований. Одно время там же работал по близкой тематике Алан Тьюринг. Один из создателей информатики в современном виде. Повлияли ли на Джона работы последнего, достоверно неизвестно.
Принципы Джона фон Неймана
Ученый был специалистом широкого профиля, но в историю вошел как создатель новационной архитектуры компьютера. Радикально нового с тех пор не придумали.
Понятие «архитектура» означает необходимую организацию «железа» и программ для оптимального решения задач. При этом учитываются финансовые затраты, область приложения, функционал, комфортность в работе.
Не стоит путать со «структурой». Последняя не столь глобально описывают внутренние связи. Уточняет взаимодействие деталей устройства.
Идея возникла, когда фон Нейман занялся анализом недостатков первой электронной машины ENIAC (1944 г.). Сделанные ранее в Германии образцы были электромеханическими, на реле.
Концепция создания усовершенствованной ЭВМ EDVAC была представлена в 1946 г. Новшество заключалось в следующем:
Утверждается двоичная система счисления как наиболее логичная и простая для реализации в компьютере. В дальнейшем нововведение дало возможность работать не только с цифрами, но и с текстами, графикой, видео / звуком.
Для проведения операций используется программа, включающая выполняемые одна за другой команды. Последняя в последовательности сигнализирует об окончании процесса. В нашем понимании – это программирование.
Программы и данные размещаются в памяти ЭВМ, преобразовываясь в двоичный код (см. п. 1). Производимые над ними операции схожи, соблюдается однородность. Машина самостоятельно корректировала программу сообразно запрошенным операциям.
Ячейкам памяти присваиваются конкретные адреса. Таким образом вводятся переменные.
Команды могут исполняться не только последовательно, но допускается переход с соблюдением условия. Так, например, может запускаться циклическая обработка данных.
Качественным улучшением по сравнению с ЭНИАКом стала легкость загрузки программ. Последние больше не являлись компонентом устройства и без труда менялись.
Принцип построения и работы ЭВМ фон Неймана
Заносимые в память команды (программа) содержат информацию о необходимом действии и адреса требуемых данных. Также вводятся идентификатор ячейки для введения память результата (если нужно).
АЛУ отвечает за исполнение команды. Итог операции отправляется в память или на вывод. ВЗУ сходно с устройством вывода тем, что используется для недолгого хранения параметров. Только содержит информацию в непонятном для оператора формате. Исключительно для машины.
Если кратко, основной функцией АЛУ является поддержка незатейливых действий: арифметических, логических, перемещением данных. Еще анализируется результат. Решения по анализу принимаются УУ.
УУ предназначено для отправки указаний непосредственно отдельным деталям и получения от них подтверждений. Следит за очередностью выполнения команд и за их исполнением вообще.
Заключение
Фон Нейман привнес неоценимые новшества в создание машин электронного класса. Благодаря придуманной им схеме, улучшенный калькулятор (каковым являлся ЭНИАК) превратился со временем в инструмент обработки любой информации. При этом их «железный» состав изменился слабо. Электронные лампы, например, заменили на полупроводники.
УУ и АЛУ скомпоновали в моноблочный центральный процессор. Значительные качественные изменения претерпело ОЗУ. Возрос объем. Гораздо удобней стали аппараты ввода и вывода. Но принципиальных подвижек пока нет.
С другой стороны, заслуги представляются несколько преувеличенными. Основы «принципов» рождались в результате дискуссий с коллегами. Но в опубликованных итогах оказалась одна фамилия. Но безусловна роль фон Неймана как систематизатора. А на титул первооткрывателя он и не претендовал.
Принципы фон Неймана (Архитектура фон Неймана)
В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В последствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальны и сегодня.
По сути, Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципиально новое.
Принципы фон Неймана
Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.
Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было хранимой в памяти программы) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) мог потребоваться далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться годы, однако они работают на миллионах компьютеров после несколько минутной установки на жесткий диск.
Как работает машина фон Неймана
Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние ячейки памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных ячейках. У любой программы последняя команда должна быть командой завершения работы.
Команда состоит из указания, какую операцию следует выполнить (из возможных операций на данном «железе») и адресов ячеек памяти, где хранятся данные, над которыми следует выполнить указанную операцию, а также адреса ячейки, куда следует записать результат (если его требуется сохранить в ЗУ).
Арифметико-логическое устройство выполняет указанные командами операции над указанными данными.
Из арифметико-логического устройства результаты выводятся в память или устройство вывода. Принципиальное различие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройства вывода (принтер, монитор и др.) поступают так, как удобно человеку.
УУ управляет всеми частями компьютера. От управляющего устройства на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии.
Управляющее устройство содержит специальный регистр (ячейку), который называется «счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. УУ считывает из памяти содержимое ячейки памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство — «Регистр команд». УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера.
В результате выполнения любой команды счетчик команд изменяется на единицу и, следовательно, указывает на следующую команду программы. Когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов, то специальная команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать управление.
Архитектура ЭВМ и принципы фон Неймана
Архитектура ЭВМ и принципы фон Неймана
Термин «архитектура» используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных логических узлов ЭВМ. Архитектура – это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из которых строится ЭВМ.
Основы учения об архитектуре ЭВМ заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Первая ЭВМ «Эниак» была создана в США в 1946 г. В группу создателей входил фон Нейман, который и предложил основные принципы построения ЭВМ: переход к двоичной системе счисления для представления информации и принцип хранимой программы.
Программу вычислений предлагалось помещать в запоминающем устройстве ЭВМ, что обеспечивало бы автоматический режим выполнения команд и, как следствие, увеличение быстродействия ЭВМ. (Напомним, что ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде, а программы задавались путём установки перемычек на специальной коммутационной панели.) Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причём в той же памяти, что и обрабатываемые ею числа.
Основные принципы построения ЭВМ:
1. Любую ЭВМ образуют три основных компонента: процессор, память и устр. ввода-вывода (УВВ).
2. Информация, с которой работает ЭВМ, делится на два типа:
- набор команд по обработке (программы); данные подлежащие обработке.
3. И команды, и данные вводятся в память (ОЗУ) – принцип хранимой программы.
4. Руководит обработкой процессор, устройство управления (УУ) которого выбирает команды из ОЗУ и организует их выполнение, а арифметико-логическое устройство (АЛУ) проводит арифметические и логические операции над данными.
5. С процессором и ОЗУ связаны устройства ввода-вывода (УВВ).
Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ.
Внешнее запоминающее устройство (ВЗУ)
 |
Рис. 1. Архитектура ЭВМ Конец формы,
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)
построенной на принципах
Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название «фон Неймановской архитектуры». Подавляющее большинство ВМ на сегодняшний день – фон-неймановские машины.
Появление третьего поколения ЭВМ было обусловлено переходом от транзисторов к интегральным микросхемам, что привело к росту быстродействия процессора. Теперь процессор был вынужден простаивать, ожидая информации от более медленных устройств ввода-вывода, и это снижало эффективность работы всей ЭВМ в целом. Для решения этой проблемы были созданы специальные схемы управления работой внешних устройств, или просто контроллеры.
Как работает системная шина? Мы уже говорили, что единичные и нулевые биты существуют только в головах программистов. Для процессора реальны только напряжения на его контактах. Каждый контакт соответствует одному биту, и процессору нужно различать только две градации напряжения: есть-нет, высокое-низкое. Поэтому адрес для процессора – это последовательность напряжений на специальных контактах, называемых шиной адреса. Можно представить себе, то после того, как на контактах шины адреса выставляются напряжения, на контактах шины данных появляются напряжения, кодирующие хранящееся по указанному адресу число. Эта картина очень грубая, потому что для извлечения данных из памяти необходимо время. Чтобы не запутаться, работой процессора управляет специальный тактовый генератор. Он вырабатывает импульсы, которые делят работу процессора на отдельные шажки. Единицей времени процессора служит один такт, т. е. промежуток между двумя импульсами тактового генератора.
Напряжения, появляющиеся на шине адреса процессора, называются физическим адресом. В реальном режиме процессор работает только с физическими адресами. Наоборот, защищённый режим процессора интересен тем, что программа работает с логическими адресами, а процессор незримо преобразует их в физические. Система Windows использует защищённый режим работы процессора. Современные ОС и программы требуют столько памяти, что защищённый режим работы процессора стал гораздо «реальнее» его реального режима.
Системная шина характеризуется тактовой частотой и разрядностью. Количество одновременно передаваемых по шине бит называется разрядностью шины. Тактовая частота характеризует число элементарных операций по передаче данных в 1 секунду. Разрядность шины измеряется в битах, тактовая частота – в мегагерцах.
Всякая информация, передаваемая от процессора к другим устройствам по шине данных, сопровождается адресом, передаваемым по адресной шине. Это может быть адрес ячейки памяти или адрес периферийного устройства. Необходимо, чтобы разрядность шины позволила передать адрес ячейки памяти. Таким образом, словами разрядность шины ограничивает объем оперативной памяти ЭВМ, он не может быть больше чем 
, где n – разрядность шины. Важно, чтобы производительности всех подсоединённых к шине устройств были согласованы. Неразумно иметь быстрый процессор и медленную память или быстрый процессор и память, но медленный винчестер.
Рис. 2. Схема устройства компьютера, построенного по магистральному принципу
В современных ЭВМ реализован принцип открытой архитектуры, позволяющий пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости её модернизацию.
Конфигурацией компьютера называют фактический набор компонентов ЭВМ, которые составляют компьютер. Принцип открытой архитектуры позволяет менять состав устройств ЭВМ. К информационной магистрали могут подключаться дополнительные периферийные устройства, одни модели устройств могут заменяться другими.
История развития средств вычислительной техники (Принципы Джона фон Неймана)
Содержание:
Введение
Персональные компьютеры все прочнее с каждым днем входят в нашу жизнь, а также занимают в ней не последнее место.
Каких-то 20 лет тому назад их можно было увидеть лишь в солидных организациях, а сегодня ПК стоит чуть ли не в каждом магазине, кафе, офисе, библиотеке.
На сегодняшний день персональные компьютеры в человеческой жизнедеятельности применяются во многих сферах – для создания научных сложных моделей, ведения бухгалтерского учета, разработки дизайна или создания музыки, поиска и хранения информации в специальных базах данных, обучения, прослушивания музыки.
Каждому человеку нужно знать сам компьютер, уметь пользоваться им. Далеко не каждый, который работает на персональном компьютере, представляет себе точный его состав.
Профессионалы, работающие вне IT-сферы, считают обязательной составляющей своей компетентности хорошие знание аппаратной части для персонального компьютера, или хотя бы его главных технических характеристик.
Также особенно велик интерес к персональным компьютерам среди молодежи, которая широко применяет их для своих личных целей.
Актуальность выбранной темы повязана с тем, что нынешний рынок компьютерной техники очень разнообразен и довольно не просто определять конфигурацию компьютера с требуемыми характеристиками. Поэтому без специальных знаний об истории развития вычислительной техники пользователям не обойтись.
Объектом исследования является аппаратная часть современных ПК.
Предмет исследования – устройство компьютера.
Целью реферата является изучение истории развития главных устройств современного персонального компьютера.
В соответствии с рассмотренной целью поставлены следующие задачи:
– рассмотреть историю создания компьютера;
– изучить предназначение главных этапов развития современного ПК;
– описать методы работы микропроцессора;
– рассмотреть вычислительные компоненты периферийных устройств ввода информации;
– дать характеристику вычислительным компонентам периферийных устройств вывода информации.
В разное время проблему аппаратной части ПК исследовали Н.Виннер, В.С. Королюк, Р.В. Малькович. Стоит отметить, что в нынешнее время составные части ПК постоянно усовершенствуются и ученые постоянно ищут новые подходы к оптимизации функционирования компонентов.
1.Основы теории архитектуры ПК
1.1. Эволюция средств вычислительной техники
История вычислительной техники началась тогда, когда и сформировались понятия чисел. Почти во всех современных языках слово «цифра» начало использоваться от слова «палец». [1]
Именно пальцы стали первой «вычислительной машиной». На них складывали, вычитали, умножали довольно большие числа. Знаменитый ученный Л. Фибоначчи в 1275 г. рекомендовал всем неграмотным учить счет на пальцах. [7]
Одним из первых творений был абак (рис.1).
Задача считалась решенной в случае, если указано, какие именно необходимые вычисления можно выполнять на абаке.
Алгоритмы решения на абаке разрабатывался подробно французским ученым П.Гербертом, который был избран впоследствии папой римским Сильвестром I.
В начале XVII столетия появились первые созданные механические устройства и счетные машины:
– 20-е годы: известный математик В. Оутред создал логарифмическую линейку (рис.2);
– 1632 г.: ученый В. Шиккард спроектировал первый счетный механизм;
Современным компьютерам предшествовали электромеханические и механические устройства. Еще в 1642 году французский философ и математик Блез Паскаль в 18 лет сконструировал первую суммирующую машину. Машина Б. Паскаля состояла из 8 движущихся дисков с несколькими прорезями и могла выполнять суммирование числа до 8 знаков.
Для своей машины ученый применял десятичную систему исчисления. Если первый диск смещался, например, на десять прорезей – это составляло его полный оборот, он следующий диск перемещал на одну позицию, то есть увеличивал на один количество десятков.
Когда диск, что представлял десятки, делал новый полный оборот, он сместил уже следующий диск, увеличивая при этом количество сотен, и т. п.
Известны также более ранние попытки проектирования механических суммирующих машин.
Полное описание суммирующей машины, которая по характеристикам напоминала машину Паскаля, в 1964 году было обнаружено в мемуарах, принадлежащих Л. да Винчи.
Подобное устройство было описано и в 1624 году В. Шикардом. До нашего времени дошли лишь чертежи Шикарда, которые обнаружены в 1956 г.
В 1684 г. немецкий математик, философ Вильгельм Готфрид Лейбниц, используя рисунки и чертежи Паскаля, улучшил Паскалину, добавив возможность умножать числа.
Вместо шестеренок Лейбниц использовал специальный пошаговый барабан.
Но широкое распространение вычислительные устройства получили лишь в 1821 году, когда француз Ч. Калмар создал машину, которая могла выполнять четыре арифметических действия. Машину Ч.Калмара назвали арифмометр.
Арифмометры, благодаря своей универсальности, применялись довольно длительное время.
Разные изобретатели и ученые совершенствовали эти устройства.
Вильгодт Однер в 1881 году создал арифмометр, где использовалось переменное количество зубцов. Позднее на базе арифмометра Однера создан арифмометр «Феликс», который производился в СССР до 70-х годов (рис. 3).
Начало в том виде эры компьютеров, в котором они и существуют сейчас, повязано с именем английского ученого Ч. Бэббиджа, который в 30-х годах выдвинул идею создания вычислительных машин, осуществленную лишь в середине XX в. [5]
Бэббидж обратил внимание тот факт, что машина может выполнять без ошибок вычисление больших математических формул посредством простого итерационного повторения шагов.
Работая с этой проблемой, он в 1823 г. предложил проект машины по решению дифференциальных уравнений больших порядков. Для повторения операций должна была использоваться в машине Бэббиджа энергия пара. Процесс вычислений действительно получилось автоматизировать. В дальнейшем Бэббидж создал модель универсальной вычислительной машины, которая способна выполнять широкий круг других задач.
В 1889 г. немец Герман Холлерит сконструировал первое перфокарточное устройство для вычисления статистических задач и, при этом, основал фирму по выпуску вычислительных машин, которая в 1915 г. стала называться IBM.
Кроме механических вычислительных машин появились и аналоговые вычислительные машины, для которых обработка информации выполнялась с помощью специального физического процесса, моделирующего некоторую вычисляемую закономерность. [10]
Простейшей аналоговой машиной являются часы.
А первыми аналоговыми машинами созданы устройства, в которых основными элементами были дифференцирующие и интегрирующие устройства, позволяющие вычислять мгновенно интеграл и производную для заданной функции.
Полезным свойством аналоговой машины является мгновенное получение решения сразу после задания нужных параметров задачи установления физического процесса.
Но круг задач, которые решаются аналоговой машиной, ограничен теми процессами, которые она может моделировать (рис. 5).
Далее в первой половине 20 века англичанин Ч. Бэббидж разработал свою собственную конструкцию машины, которую также можно было назвать одним из первых компьютеров. Но он не был построен, ведь машина должна быть только механической, а нужная точность при изготовлении деталей для нее в то время была недостижимой.
Устройство персонального компьютера по чертежам Бэббиджа было описано Августой Адой Лавлейс. При этом она разработала теорию программирования, написала несколько первых программ для не существующей пока вычислительной машины. [11]
Основные части первого ПК были такими же, что и для современной ЭВМ:
– устройство для ввода-вывода;
– запоминающее устройство; [8]
– арифметико-логическое устройство, что выполняет арифметические и логические операции;
– устройство управления, что руководит перемещениями данных и работой центрального процессора и обеспечивающее разные нужные действия программы.
В 1936 году математик Алан Тьюринг написал работу «О вычислимых числах», при этом заложив теоретические основы для теории алгоритмов. Концепция А. Тьюринга возникла при проведенном им анализе действий человека, который выполняет в соответствии с разработанным заранее планом разные вычисления, то есть какие-то последовательные преобразования комплексов.
Анализ этот был осуществлен с целью решения проблем поиска точного эквивалента для общего представления об алгоритме. [4]
Сама работа Тьюринга стимулировала появление абстрактной теории автоматов, а также во многом определила особенности.
1.2. Принципы Джона фон Неймана
Рассмотрим принципы американского ученного Джона фон Неймана, которые определили актуальные направления для развития компьютерной техники (рис. 6).
В начале 40-х годов прошлого века американец Дж. фон Нейман включился в разработку по проектированию ЭВМ, которая предназначалась для управления специальной секретной береговой ПВО. В этой разработке создавалась машина «ЭНИАК», которая расшифровывалась как электронный численный интегратор для автоматических вычислений (рисунок 7). Однако, проектируемая машина имела слишком большой недостаток: она не имела устройств для хранения команд. [5]
В середине 1944 г. Дж. фон Нейман выступил с докладом на конференции в США, в котором он определил основные принципы работы новейшего вычислительного устройства. Эти принципы получили название «принципы архитектуры фон Неймана» (рис. 8). [10]
Рис. 8. Архитектура ЭВМ по Дж. фон Нейману
В состав ЭВМ, по мнению ученого, должны были входить составные части: [9]
– арифметико-логическое устройство для выполнения разных логических и арифметических действий с данными;
– оперативная память – устройство, которое предназначено для хранения кода выполняемых программ;
– внешние устройства (периферийные вспомогательные средства). Обычно они делятся на такие классы: [5]
1) внешняя память (накопители на жестких и магнитных дисках, магнитооптические диски);
2) устройства для выполнения ввода и вывода данных (клавиатура, сканер, микрофон, мышь, дисплей, колонки и т.д.);
– управляющее устройство, что выполняет организацию работы персонального компьютера:
4) постоянно синхронизирует функционирование всех устройств, имеющих различную скорость для выполнения операций, с помощью приостановки некоторых программ.
Рассмотрим принципы фон Неймана: [1]
Это самое принципиальное отличие принстонской от гарвардской архитектуры. Все имеющиеся команды и данные хранятся в одной памяти, и они в памяти внешне не различаются.
Распознавать можно их по способу применения; а именно одно и то же значение может применятся в памяти и в виде данных, и как команды, и как адреса.
Полезным является следующее практическое следствие для принципов однородности, когда все имеющиеся команды одной программы выполняются как результат работы иной программы.
Основная память состоит из множества специальным способом пронумерованных ячеек, причём процессору в обычный момент времени доступна практически любая ячейка. Двоичные коды имеющихся команд и данных можно разделить на единицы информации, что называются словами. Они хранятся с помощью имеющихся ячеек памяти, для их доступа можно применить номера соответствующих ячеек – адресов.
Любые вычисления, которые предусмотрены алгоритмом для решения разных задач, должны представляться как программа, что состоит из некоторой последовательности специальных слов – команд. Каждая команда предписывает некоторую операцию, реализуемую конкретной вычислительной машиной. [11]
Все команды каждой программы хранятся в нескольких соседних ячейках рассматриваемой вычислительной машины, а также реализуются в естественную последовательность, именно в порядке расположения их в программе.
Отметим, что согласно такому принципу, все имеющиеся данные и команды, могут кодироваться специальными двоичными цифрами «1» и «0». Каждый тип данных может представляться двоичной последовательностью, и также иметь свой формат.
Все последовательности битов в форматах, которые имеют определенный программный смысл, называется полем. [10]
Для числовых данных выделяют обычно знаковое поле с полем значащих разрядов.
В типах команд в самом простейшем случае выделяют 2 такие поля:
Н. Винер, работая с фон Нейманом вместе, обратил внимание на то, что происходящие процессы, которые управляются сложной системой, аналогичны некоторым процессам с нейрофизиологии, которая изучает деятельность живых существ.
Соблюдение работоспособности таких систем часто может достигаться за счет специальной обратной связи, которая позволяет отследить и скорректировать уже начатое действие.
Таким образом, появилась новая наука – кибернетика. В 1948 г. вышла книга Винера «Кибернетика или Управление связью в живом мире с помощью машин». Сам термин «кибернетика» с греческого обозначает искусство по управлению кораблем.
После этого начали развиваться ЭВМ, которыми пользовались даже до конца XX века. Подробнее они будут рассмотрены в разделе 2 данного реферата.
2. Поколения ЭВМ, их характеристики
2.1. Первое поколение ЭВМ
Развитие вычислительной техники на современном периоде принято различать с точки зрения изменения поколений компьютеров. Каждое из поколений компьютеров в начальный свой момент развития характеризуется скачком в росте главных характеристик компьютера, которые вызваны обычно переходом на принципиально новую элементную базу, относительной стабильностью логических и архитектурных решений. [8]
Разбиение поколений персональных компьютеров по годам очень условно. В это время, как началось активное применение компьютеров одного поколения, были созданы посылки для появления следующего.