Телетаев. Принципы и модель фон Неймана
 Скачать 110.5 Kb.
|
ОглавлениеВведение 3 1. Принципы и модель фон Неймана 4 2. Реализация принципов и модели фон Неймана в современных компьютерных системах 9 Заключение 13 Список использованных источников 14 ВведениеВ 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ1. В последствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальны и сегодня. Первые вычислительные машины имели заданные фиксированные программы. Некоторые очень простые компьютеры до сих пор используют эту конструкцию либо для простоты, либо в учебных целях. Например, настольный калькулятор также является ЭВМ с фиксированной программой. С предложением компьютера, хранящего программы в памяти, все изменилось. Хранимые в памяти, они являются конструкцией с набором инструкций. А значит, машина может сразу получить набор команд, чтобы произвести вычисления. По сути, Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципиально новое. 1. Принципы и модель фон НейманаВ основу построения большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом. 1. Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. Так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Структура отдельной команды имеет вид: <код операции> <операнды>, где <код операции> определяет, какая операция должна выполняться; <операнды> - список (возможно, одноэлементный) тех констант, адресов или имен переменных, над которыми выполняется данная операция. В зависимости от числа операндов различают одно-, двух- и трехадресные машинные команды. Каждая команда имеет определенный объем, измеряемый байтами2. 2. Принцип условного перехода. Если после выполнения команды следует перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов (ветвления), которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп». Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека. 3. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции - перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины. 4. Принцип размещения программы в памяти. Программа, требуемая для работы ЭВМ, предварительно размещается в памяти компьютера, а не вводится команда за командой. 5. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен3. 6. Принцип иерархии памяти. Память ЭВМ неоднородна. Для часто используемых данных выделяется память меньшего объема, но большего быстродействия; для редко используемых данных выделяется память большего объема, но меньшего быстродействия. 7. Принцип двоичной системы счисления. Для внутреннего представления данных и программ в памяти ЭВМ применяется двоичная система счисления, которую можно проще реализовать технически. Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Существуют и другие классы компьютеров, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Рис. 1. Архитектура ЭВМ, построенная на принципах Джон фон Неймана. Здесь, например, может не выполняться принцип программного управления, т.е. они могут работать без счетчика (регистра адреса) команд, указывающего на выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими4. Джон фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и АЛУ, обычно объединяемые в центральный процессор, в который также входит набор регистров общего назначения (РОН) – для промежуточного хранения информации в процессе ее обработки; память, внешняя память, устройства ввода и вывода (рис. 1). Следует отметить, что внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком.  Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные – управляющих сигналов. Машина фон Неймана состоит из запоминающего устройства (памяти) – ЗУ, арифметико-логического устройства – АЛУ, устройства управления – УУ, а также устройств ввода и вывода, что видно их схемы и о чем говорилось ранее. 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 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 него результаты выводятся в память или устройство вывода. Управляющее устройство (УУ) управляет всеми частями компьютера. От него на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии. Оно содержит специальный регистр (ячейку), который называется «счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы, а 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 команды5. АЛУ – обеспечивает арифметическую и логическую обработку двух переменных, в результате которых формируется выходная переменная. Функции АЛУ обычно сводятся к простым арифметическим и логическим операциям и операциям сдвига. Также формирует ряд признаков результата (флагов), характеризующих полученный результат и события, произошедшие в результате его получения (равенство нулю, знак, четность, переполнение). Флаги могут анализироваться УУ с целью принятия решения о дальнейшей последовательности выполнения команд. 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. 2. Реализация принципов и модели фон Неймана в современных компьютерных системахБлагодаря фирме IBM идеи фон Неймана реализовались в виде широко распространенного в наше время принципа открытой архитектуры системных блоков компьютеров. Согласно этого принципа компьютер не является единым неразъемным устройством, а состоящим из независимо изготовленных частей, причем методы сопряжения устройств с компьютером не являются секретом фирмы-производителя, а доступны всем желающим. Таким образом, системные блоки можно собирать по принципу детского конструктора, то есть менять детали на другие, более мощные и современные, модернизируя свой компьютер. Новые детали полностью взаимозаменяемы со старыми. «Открыто архитектурными» персональные компьютеры делает также системная шина, это некая виртуальная общая дорога или жила, или канал, в который выходят все выводы ото всех узлов и деталей системного блока. Надо сказать, что большие компьютеры (не персональные) не обладают свойством открытости, в них нельзя просто так что-то заменить другим, более совершенным, например, в самых современных компьютерах могут отсутствовать даже соединительные провода между элементами компьютерной системы: мышью, клавиатурой ("keyboard"– "клавишная доска") и системным блоком. Современные ЭВМ в той или иной степени нарушают практически все принципы Фон Неймана. Исключение, пожалуй, составляют только принцип автоматической работы, он лежит в самой основе определения ЭВМ как устройства для автоматической обработки данных, и принцип хранимой программы. Например, существуют компьютеры, которые различают команды и данные. В них каждая ячейка основной памяти кроме собственно машинного слова хранит еще специальный признак, называемый тэгом (tag), который и определяет, чем является это машинное слово. Для экономии памяти современные компьютеры могут приписывать такой тэг не каждой ячейке в отдельности, а сразу целой последовательности ячеек, называемой сегментом. Таким образом, различают, например, сегменты команд и данных, при этом выполнение команды из сегмента данных может трактоваться как ошибка. Так нарушается принцип неразличимости команд и чисел. В такой архитектуре при попытке выполнить число как команду, либо складывать команды как числа, центральным процессором может быть зафиксирована аварийная ситуация. Очевидно, что это усложняет архитектуру ЭВМ, но позволяет повысить надежность программирования на языке машины, не допуская, как часто говорят, случайного "выхода программы на константы"6. Практически все современные ЭВМ нарушают принцип однородности и линейности памяти. Память может, например, состоять из двух частей со своей независимой нумерацией ячеек в каждой такой части (с такой архитектурой Вы вскоре познакомитесь); или быть двумерной, когда адрес ячейки задается не одним, а двумя числами; либо ячейки памяти могут вообще не иметь адресов, такая память называется ассоциативной и т.д. Почти все современные компьютеры нарушают и принцип последовательного выполнения команд: они могут одновременно выполнять несколько команд как из одной программы, так и из разных программ. Такие компьютеры имеют несколько центральных процессоров, это в частности, так называемые многоядерные компьютеры, а также быть так называемыми конвейерными ЭВМ. С конца 80–х годов XX века в истории развития ЭВМ наступила пора пятого поколения машин. Проект машин пятого поколения разработан ведущими японскими фирмами и научными организациями, согласно этому проекту ЭВМ и вычислительные системы коренным образом отличаются от машин предшествующих поколений. Прежде всего, их структура отличается от той, которую предложил Джон фон Нейман, и содержит: •блок общения, обеспечивающий интерфейс между пользователем и ЭВМ на языке, близком к естественному; •базу знаний, хранящую все необходимые для решения задач сведения о той предметной области, к которой эти задачи относятся; •решатель, который организует подготовку программы решения задачи на основании знаний из базы знаний и исходных данных, полученных из блока общения. ЭВМ пятого поколения должны самоорганизовываться в процессе решения задач, иметь собственную внутреннюю модель мира и активно взаимодействовать с внешней средой, распознавать образы, делать выводы из информации, уметь оперировать в нечетких ситуациях, пополнять имеющиеся знания (т.е. иметь способность обучаться), вести диалог с человеком на естественном речевом или графическом языках, иметь способность понимать содержимое базы знаний и использовать эти знания при решении задач. Таким образом, в этих машинах широко используются модели и средства, разработанные в искусственном интеллекте. В них, в частности, широко используются языки, характерные для представления знаний, модели знаний в виде семантических сетей, фреймов и продукций. Вообще говоря, следует отметить, что в архитектуре машины Фон Неймана зафиксированы и другие принципы, которые из работы самого Фон Неймана явно не вытекали, так как, безусловно, считались на то время самоочевидными. Так, например, предполагается, что во время выполнения программы не меняется число узлов компьютера и взаимосвязи между ними, не меняется число ячеек в оперативной памяти. Далее, считалось, что машинный язык при выполнении программы не изменяется (например, "вдруг" не появляются новые машинные команды) и т.д. В то же время сейчас существуют ЭВМ, которые нарушают и этот принцип. Во время работы одни устройства могут, как говорят, отбраковываться (например, отключаться для ремонта), другие – автоматически подключаться. Кроме того, во время работы программы могут, как изменяться, так и появляются новые связи между элементами ЭВМ (например, в так называемых транспьютерах). Существуют и компьютеры, которые могут менять набор своих команд, (правда, не вовремя, а только перед началом счета программы) они называются ЭВМ с микропрограммным управлением. ЗаключениеВ современных компьютерах по-прежнему выполняются принцип использования двоичной системы счисления, принцип автоматической работы и принцип хранимости программы. Однако, остальные принципы выполняются далеко не во всех современных ЭВМ. Существуют модели компьютеров, которые различают команды и данные, нарушая принцип совместного использования памяти. В этих моделях, кроме самой информации (команды или данных), каждая ячейка памяти хранит еще и специальную метку, которая указывает тип содержимого ячейки. В целях экономии памяти такая метка приписывается не каждой ячейке, а целой последовательности ячеек. И таким образом, различается сегмент команд и сегмент данных. Многие современные модели ЭВМ нарушают принцип однородности и линейности памяти. Например, память либо может состоять из двух частей с независимой адресацией ячеек, либо ячейки вообще могут не иметь адресов (такая память называется ассоциативной). Все современные ЭВМ, которые имеют больше одного процессора, не выполняют команды последовательно. Команды могут выполняться одновременно, при этом принадлежать как одной программе, так и разным программам. Лишь в 2015 году впервые было сделано заявление о создании нового типа процессора (мем-процессора) с архитектурой принципиально отличной от фон-неймановской. Мем-процессор по утверждению разработчиков использует для вычислений и хранения полученных данных одно и тоже место, и потому не тратит энергию на обмен данными между процессором и памятью. Созданное устройство способно решить за десять миллионов итераций задачу, на которую обычный процессор тратит десять миллиардов итераций. Список использованных источников1. Алешин, Л.И. Информационные технологии: Учебное пособие / Л.И. Алешин. - М.: Маркет ДС, 2015. 2. Венделева, М.А. Информационные технологии в управлении: Учебное пособие для бакалавров / М.А. Венделева, Ю.В. Вертакова. - М.: Юрайт, 2013. 3. Гаврилов, М.В. Информатика и информационные технологии: Учебник для бакалавров / М.В. Гаврилов, В.А. Климов; Рецензент Л.В. Кальянов, Н.М. Рыскин. - М.: Юрайт, 2013. 4. Гвоздева, В.А. Информатика, автоматизированные информационные технологии и системы: Учебник / В.А. Гвоздева. - М.: ИД ФОРУМ, НИЦ ИНФРА-М, 2017. 5. Голицына, О.Л. Информационные технологии: Учебник / О.Л. Голицына, Н.В. Максимов, Т.Л. Партыка, И.И. Попов. - М.: Форум, ИНФРА-М, 2013. 6. Литвинов, В.А. Информационные технологии в юридической деятельности: Учебное пособие. Стандарт третьего поколения / В.А. Литвинов. - СПб.: Питер, 2014. 7. Максимов, Н.В. Современные информационные технологии: Учебное пособие / Н.В. Максимов, Т.Л. Партыка, И.И. Попов. - М.: Форум, 2015. 8. Румянцева, Е.Л. Информационные технологии: Учебное пособие / Е.Л. Румянцева, В.В. Слюсарь; Под ред. Л.Г. Гагарина. - М.: ИД ФОРУМ, НИЦ ИНФРА-М, 2015. 9. Хлебников, А.А. Информационные технологии: Учебник / А.А. Хлебников. - М.: КноРус, 2014. Задание1
1 ЭВМ - электронная вычислительная машина 2 Румянцева, Е.Л. Информационные технологии: Учебное пособие / Е.Л. Румянцева, В.В. Слюсарь; Под ред. Л.Г. Гагарина. - М.: ИД ФОРУМ, НИЦ ИНФРА-М, 2015. С. 68. 3 Литвинов, В.А. Информационные технологии в юридической деятельности: Учебное пособие. Стандарт третьего поколения / В.А. Литвинов. - СПб.: Питер, 2014. С. 122. 4 Гвоздева, В.А. Информатика, автоматизированные информационные технологии и системы: Учебник / В.А. Гвоздева. - М.: ИД ФОРУМ, НИЦ ИНФРА-М, 2017. С. 156. 5 Хлебников, А.А. Информационные технологии: Учебник / А.А. Хлебников. - М.: КноРус, 2014. С. 50. 6 Венделева, М.А. Информационные технологии в управлении: Учебное пособие для бакалавров / М.А. Венделева, Ю.В. Вертакова. - М.: Юрайт, 2013. С. 43. |