Какъв е принципът на архитектурата на фон Нойман? Как работи машината на фон Нойман?

Днес е трудно да се повярва, но компютрите, без които мнозина вече не могат да си представят живота, се появиха само преди около 70 години. Един от онези, които са допринесли решително за създаването им, е американският учен Джон фон Нойман. Той предложи принципите, на които повечето компютри все още работят днес. Помислете как работи машината von Neumann.

Кратка биография

Янош Нейман е роден през 1930 г. в Будапеща, в много богато еврейско семейство, което по-късно успя да получи титлата благородник. От детството си той се отличава с изключителните си способности във всички области. На 23-годишна възраст Ниймън вече защитава докторската си дисертация в областта на експерименталната физика и химия. През 1930 г. млад учен е поканен да работи в Съединените щати, в Принстънския университет. Едновременно с това Нейман стана един от първите служители на Института за напреднали изследвания, където до края на живота си работи като професор. Неуманските научни интереси са доста големи. По-специално, той е един от създателите на математиката на квантовата механика и концепцията на клетъчните автомати.

Принос към информатиката

Преди да разберем кой принцип не съответства на архитектурата на фон Нойман, ще бъде интересно да научим как учен стигна до идеята за създаване на съвременен компютър.

Като експерт в областта на математика експлозии и шокови вълни в началото на 1940-те години, фон Нойман е научен консултант в една от лабораториите на боеприпаси служба на армията на Съединените щати. През есента на 1943 г., той пристига в Лос Аламос, за да вземат участие в разработването на проект Manhettenskogo по лична покана на своя лидер Робърт Опенхаймер. Пред него беше задачата да се изчисли силата на имплозионното компресиране на атомната бомбардировач към критичната маса. За да го решим, бяха необходими големи изчисления, които първоначално бяха извършени на калкулатори на ръка и по-късно на механични таблици на IBM, използващи перфокарти.

Фон Нойман Запознах се с информацията за напредъка в създаването на електронно-механични и напълно електронни компютри. Скоро той е привлечен към развитието на EDVAC и ENIAC компютри, в резултат на работата, която той започва да пише "Първият вариант на доклада за EDVAC», останал недовършен, в която той представи пред научната общност изцяло нова идея, какво трябва да бъде архитектурата на компютъра.

Принципите на фон Нойман

Информатиката като наука до 1945 г. дойде в задънена улица, тъй като всичко компютри съхранявани в паметта им обработени номера в 10-ия формуляр, а програми за извършване на операции бяха зададени чрез инсталиране на джъмперите на пач панела.

Това значително ограничава възможностите на компютрите. Истински пробив стана принципите на фон Нойман. Накратко, те могат да бъдат изразени в едно изречение: прехода към система за двоични числа и принципа на съхраняваната програма.

анализ на

Нека да разгледаме по какви принципи се основава класическата структура на машината von Neumann:

1. Преход към двоична система от десетичен

Този принцип на архитектурата на Neumann ни позволява да използваме доста прости логически устройства.

2. Софтуерно управление на електронен компютър

Работата на компютъра се контролира от набор от инструкции, изпълнени последователно един след друг. Разработването на първите машини с програма, съхранена в паметта, постави основите на съвременното програмиране.

3. Данните и програмите в паметта на компютъра се съхраняват заедно.

В този случай както данните, така и програмните команди имат един и същ начин на писане в двоичната система, така че в определени ситуации е възможно да се изпълнят същите действия както по-горе в данните.

разследване

Освен това архитектурата на машината Fonnemann има следните характеристики:

1. Клетките на паметта имат адреси, които са номерирани последователно

Благодарение на прилагането на този принцип стана възможно да се използват променливи в програмирането. По-конкретно по всяко време можете да се обърнете към определено място на паметта на неговия адрес.

2. Възможност за условно прехвърляне по време на изпълнението на програмата

Както вече беше споменато, командите в програмите трябва да се изпълняват последователно. Има обаче възможност да се направи преход към всяка част от кода.

Как фон Нойман работи

Такъв математически модел се състои от памет (памет), аритметична логическа единица (ALU), управляващо устройство, както и входно-изходни устройства. Всички програмни инструкции се записват в клетките на паметта, разположени в квартала, а данните за тяхната обработка се намират в произволни клетки.

Всеки отбор трябва да се състои от:

• Посочете коя операция трябва да се изпълни;
• адресите на клетките на паметта, в които се съхраняват оригиналните данни, засегнати от конкретната операция;
• адресите на клетките, за които трябва да се напише резултатът.

Тези команди на някои операции ALU входни данни екзекутирани, а резултатите са написани на клетките на паметта, т.е.. Д. съхраняват във форма, подходяща за последващо машина за обработка, или е предаден на изходното устройство (монитор, принтер и т.н.), и е на разположение на човека.

CU контролира всички части на компютъра. От него до другите устройства получават сигнали - нареждания "какво да правят", а от други устройства получават информация за състоянието, в което се намират.

Устройството за управление има специален регистър, наречен "команден брояч" на НС. След като заредите първоначалните данни и програмата в паметта, SC записва адреса на първата команда. UU чете съдържанието на клетката от паметта на компютъра, адреса й е в SC и го поставя в "Command Register". Устройството за управление определя операцията, съответстваща на конкретната команда, и "маркира" в паметта на компютъра данните, чиито адреси са посочени в нея. Освен това ALU или компютърен хардуер продължава към операцията, след което съдържанието на SC се променя на едно, т.е. показва следващата команда.

критика

Недостатъците и модерните перспективи на архитектурата на фон Нойман продължават да бъдат обект на дискусии. Фактът, че машините, създадени на принципите, развити от този изключителен учен, не са съвършени, беше забелязано много отдавна.

Ето защо в билетите за изпити по компютърни науки често може да се намери въпросът "какъв принцип архитектурата на фон Нойман не съответства и какъв недостатък има той".

Когато отговаряте на втората част, трябва да посочите:

• за наличието на семантична разлика между езиците за програмиране на високо ниво и командната система;
• за проблема за съвпадение на операционната система и честотната лента на процесора;
• относно възникването на софтуерна криза, причинена от факта, че разходите за нейното създаване са много по-ниски от разходите за хардуерно развитие и няма възможност за цялостно тестване на програмата;
• липсата на перспективи по отношение на скоростта, тъй като теоретичната граница вече е достигната.

Що се отнася до кой принцип не съответства на архитектурата на фон Нойман, тогава става дума за паралелна организация на голям брой потоци от данни и команди, присъщи на многопроцесорна архитектура.

заключение

Сега знаете какво не съответства на архитектурата на фон Нойман. Очевидно е, че науката и технологиите не стоят неподвижни и скоро може би съвсем скоро ще се появят компютри от съвсем нов тип във всяка къща, благодарение на които човечеството ще достигне ново ниво на своето развитие. Между другото, тренажорната програма "Von Neumann Architecture" ще ви помогне да се подготвите за изпита. Такива дигитални образователни ресурси улесняват изучаването на материала и осигуряват възможност за оценка на вашите знания.