Архитектура фон Неймана

2. Архитектура фон Неймана

Архитектура фон Неймана (англ. Von Neumann architecture) - широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «Машина фон Неймана», однако, соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.

Рис. 1. – Схематичное изображение машины фон Неймана.

Наличие заданного набора исполняемых команд и программ было характерной чертой первых компьютерных систем. Сегодня подобный дизайн применяют с целью упрощения конструкции вычислительного устройства. Так, настольные калькуляторы, в принципе, являются устройствами с фиксированным набором выполняемых программ. Их можно использовать для математических расчётов, но невозможно применить для обработки текста и компьютерных игр, для просмотра графических изображений или видео. Изменение встроенной программы для такого рода устройств требует практически полной их переделки, и в большинстве случаев невозможно.

Всё изменила идея хранения компьютерных программ в общей памяти. Ко времени её появления использование архитектур, основанных на наборах исполняемых инструкций, и представление вычислительного процесса как процесса выполнения инструкций, записанных в программе, чрезвычайно увеличило гибкость вычислительных систем в плане обработки данных. Один и тот же подход к рассмотрению данных и инструкций сделал лёгкой задачу изменения самих программ.

В 1946 году группа учёных во главе с Джоном фон Нейманом (Герман Голдстайн, Артур Беркс) опубликовали статью «Предварительное рассмотрение логической конструкции Электронно-вычислительного устройства». В статье обосновывалось использование двоичной системы для представления данных в ЭВМ (преимущественно для технической реализации, простота выполнения арифметических и логических операций. До этого машины хранили данные в десятеричном виде), выдвигалась идея использования программами общей памяти. Имя фон Неймана было достаточно широко известно в науке того времени, что отодвинуло на второй план его соавторов, и данные идеи получили название «Принципы фон Неймана».

Принцип использования двоичной системы счисления для представления данных и команд;

Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности;

Принцип однородности памяти. Как программы (команды), так и данные хранятся в одной и той же памяти (и кодируются в одной и той же системе счисления - чаще всего двоичной). Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными;

Принцип адресуемости памяти. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка;

Принцип последовательного программного управления. Все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения другой;

Принцип условного перехода. Сам принцип был сформулирован задолго до фон Неймана Адой Лавлейз и Чарльзом Бэббиджем, однако он добавлен в общую архитектуру.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относят к типу фоннеймановских.

В середине 1940-х проект компьютера, хранящего свои программы в общей памяти был разработан в Муровской школе электрических разработок в Университете штата Пенсильвания. Подход, описанный в этом документе, стал известен как архитектура фон Неймана, по имени единственного из названных авторов проекта Джона фон Неймана, хотя на самом деле авторство проекта было коллективным. Архитектура фон Неймана решала проблемы, свойственные компьютеру «ЭНИАК», который создавался в то время, за счёт хранения программы компьютера в его собственной памяти. Первыми 5 компьютерами, в которых были реализованы основные особенности архитектуры фон Неймана, были:

«Манчестерский Марк I». Университет Манчестера Великобритания, 21 июня 1948 года;

EDSAC. Кембриджский университет. Великобритания, 6 мая 1949 года;

BINAC. США, апрель или август 1949 года;

CSIR Mk 1. Австралия, ноябрь 1949 года;

SEAC. США, 9 мая 1950 года.

3. Назначение основных блоков компьютера (процессор, память, системная магистраль, внешнее устройство)

Компьютер - это универсальная техническая система, способная четко выполнять последовательность операций определенной программы. Конфигурацию ПК можно изменять по мере необходимости. Но, существует понятие базовой конфигурации, которую можно считать типичной: системный блок, монитор, клавиатура, мышка.

Рисунок 2. Типовая структурная схема персонального компьютера

Основные узлы системного блока:

электрические платы, руководящие работой компьютера (микропроцессор, оперативная память, контроллеры устройств и т.п.);

накопитель на жестком диске (винчестер), предназначенный для чтения или записи информации;

накопители (дисководы) для гибких магнитных дисков (дискет).

Основной платой ПК является материнская плата (MotherBoard). На ней расположенны:

процессор - основная микросхема, выполняющая математические и логические операции;

чипсет (микропроцессорный комплект) - набор микросхем, которые руководят работой внутренних устройств ПК и определяют основные функциональные возможности материнской платы;

шины - набор проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;

оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) - набор микросхем, предназначенных для временного сохранения данных, пока включен компьютер;

постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) - микросхема, предназначенная для долговременного хранения данных, даже при отключенном компьютере;

разъемы для подсоединения дополнительных устройств (слоты).