Работы Дж. фон Неймана по теории вычислительных машин. Работы Дж фон Неймана по теории вычислительных машин

• Название: Работы Дж фон Неймана по теории вычислительных машин
• Дата: 12.04.2022
• Размер: 0.58 Mb.
• Имя файла: Работы Дж. фон Неймана по теории вычислительных машин.doc
• Тип: Документы; #464560
• страница: 3 из 3

4. Основные принципы архитектуры Джона фон Неймана

Джон фон Нейман (1903 – 1957) – внес огромный вклад в создание первых ЭВМ и разработку методов их применения. Именно он заложил фундамент учения об архитектуре вычислительных машин присоединившись к созданию первой в мире ламповой ЭВМ ENIAC в 1944 году когда ее конструкция была уже выбрана. В процессе работы во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом Джон фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. В 1946 году ученые изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства». С тех пор прошло более полувека, но выдвинутые в ней положения сохраняют свою актуальность и сегодня.

В статье убедительно обосновывается использование двоичной системы для представления чисел ведь ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде. Авторы продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации – текстовую графическую звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.

Еще одной революционной идеей, значение которой трудно переоценить является предложенный Нейманом принцип «хранимой программы». Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например для изменения программы машины ENIAC требовалось несколько дней в то время как собственно расчет не мог продолжаться более нескольких минут – выходили из строя лампы которых было огромное количество. Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие видимой разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.

5. Структура ЭВМ

Джон фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ но и предложил ее структуру, воспроизводившуюся в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными разделами по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (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. Следует отметить, что внешняя память различна от устройств ввода и вывода тем что данные в нее заносятся в виде удобном компьютеру но недоступном для непосредственного восприятия человеком.



Рис.1. Архитектура ЭВМ построенная на принципах Джон фон Неймана.
Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации пунктирные – управляющих сигналов.

6. Работа машины Джона фон Неймана

Теперь более подробно можно рассмотреть как же работает машина построенная на данной архитектуре. 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 команды.

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.

вычислительный нейман кибернетика винер

Заключение

Ещё при жизни Джон фон Нейман стал легендой. Он был удостоен высших академических почестей. Был избран членом Академии точных наук (Лима, Перу), Академии деи Линчи (Рим, Италия), Американской Академии искусств и наук, Американского философского общества, Ломбардского института наук и литературы, Национальной Академии США, Нидерландской королевской академии наук и искусств, почётным доктором многих университетов в США и за рубежом.

При жизни фон Неймана часто сравнивали с безупречной логической машиной с тщательно подогнанными шестерёнками. Но мозг, его, подаривший миру столько блестящих идей, принадлежал человеку. И как все люди, фон Нейман был смертен. Он ушёл из жизни после тяжёлой болезни, измученный таявшими день ото дня надеждами на выздоровление, так и не примирившись с выводом, который задолго до кончины подсказал ему мозг. Человек, он до последней минуты надеялся. И до последней возможности, пока хватало сил, работал над рукописью книги «Вычислительная машина и мозг», которую ему так и не суждено было закончить.

К январю 1956 г. Джонни оказался прикованным к инвалидному креслу, но он продолжал принимать посетителей, требовал, чтобы его ежедневно привозили в служебный кабинет, и продолжал работать над рукописью. Силы его заметно таяли день ото дня. Все поездки и выступления мало-помалу пришлось отменить, все, кроме Силлименовских лекций. Оставалась надежда, что облучение спинного мозга позволит ему хотя бы на время собраться с силами и отправиться в Нью-Хейвен, чтобы выполнить столь много значившее для него обязательство. Но даже в расчёте на самый благоприятный исход лечения Джонни пришлось обратиться к Комитету по проведению Силлименовских чтений с просьбой сократить число лекций до одной-двух, ибо напряжение недельного цикла лекций было бы опасным в его ослабленном состоянии. К марту все ложные надежды пришлось оставить. Вопрос о том, чтобы Джонни мог куда-нибудь поехать, отпал сам собой. И снова Йельский университет с неизменной готовностью и пониманием не отменил его лекций, а предложил представить рукопись, с тем чтобы кто-нибудь мог прочитать её вместо Джонни. Несмотря на все усилия, Джонни не смог завершить работу над рукописью в намеченное время. Судьба сложилась так, что он вообще не смог закончить её.

В начале апреля Джонни положили в госпиталь Уолтера Рида, из которого он так и не вышел до самой смерти, последовавшей 8 февраля 1957 г. Незаконченная рукопись отправилась вместе с ним в госпиталь, где он предпринял ещё несколько попыток поработать над ней. Но к этому времени болезнь явно взяла верх, и даже исключительный разум Джонни оказался не в силах побороть телесную слабость.

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ.

Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название «фон-неймановской архитектуры». Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день – фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины).

По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.

Итак выделим ещё раз основные принципы предложенные фон Нейманом:

Принцип двоичного кодирования. Для представления данных и команд используется двоичная система счисления.

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. Команды из программы не всегда выполняются одна за другой. Возможно присутствие в программе команд условного перехода которые изменяют последовательность выполнения команд в зависимости от значений данных. (Сам принцип был сформулирован задолго до Джона фон Неймана Адой Лавлейс и Чарльзом Бэббиджем, однако он логически включен в фон-неймановский набор как дополняющий предыдущий принцип.)

Джон фон Нейман внес огромный вклад в развитие первых ЭВМ и разработку методов их применения. Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название «фон-неймановской архитектуры». Принципы этой архитектуры широко используются и сегодня. Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день – фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины).

Устройство управления и арифметико-логическое устройство в современных компьютерах объединены в один блок – процессор являющийся преобразователем информации поступающей из памяти и внешних устройств (сюда относятся выборка команд из памяти кодирование и декодирование выполнение различных, в том числе и арифметических операций согласование работы узлов компьютера).

У современных компьютеров запоминающее устройство хранящее информацию и программы «многоярусно». Оно включает в себя оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (исполняемая программа часть необходимых для нее данных некоторые управляющие программы) и внешние запоминающие устройства (ВЗУ) гораздо большей емкости чем ОЗУ но с существенно более медленным доступом. На ОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не заканчивается – определенные функции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоминающее устройство) и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) и другие подвиды компьютерной памяти.

По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет только в результате развития идеи машин пятого поколения в основе обработки информации, в которых лежат не вычисления а логические выводы.

Список литературы

1. 
   Х. Крейгон. Архитектура компьютера и её реализация.
   
2. 
   Э. Таненбауэм. Архитектура компьютера.
   
3. 
   Дж. фон Нейман. Общая и логическая теория автоматов. В кн.: А. Тьюринг. Может ли машина мыслить? — М.: Физматгиз, 1960, с. 59–102.
   
4. 
   И. (Дж.) фон Нейман. Математические основы квантовой механики. — М.: Наука, 1964.
   
5. 
   Дж. фон Нейман. Вероятностная логика и синтез надёжных организмов из ненадёжных компонент. — В сб.: Автоматы. — М.: ИЛ, 1956, с. 68–139.
   
6. 
   Дж. фон Нейман. Вычислительная машина и мозг. — В сб.: Кибернетический сб., 1960, № 1, с. 11–60.
   
7. 
   Дж. фон Нейман. Теория самовоспроизводящихся автоматов. — М.: Мир, 1971.
   
8. 
   Дж. фон Нейман, О. Моргенштерн. Теория игр и экономическое поведение. — М.: Наука, 1970.
   
9. 
   http://ega-math.narod.ru