Architecture de l'ordinateur et des principes de fond NEYMANAN
Le terme "architecture" est utilisé pour décrire le principe de fonctionnement, de configuration et de connexion mutuelle des nœuds logiques principaux de l'ordinateur. Architecture - Il s'agit d'une hiérarchie multi-niveaux de matériel matériel et logiciel à partir de laquelle l'ordinateur est construit.
Les fondements de l'architecture de l'ordinateur ont jeté un mathématicien américain exceptionnel John Von Neuman. Le premier ordinateur "Enica" a été créé aux États-Unis en 1946 dans le groupe de créateurs est venu contexte Neumanqui a suggéré principes de base pour la construction d'un ordinateur: Accédez au système numérique binaire pour soumettre des informations et le principe du programme stocké.
Le programme de calcul a été proposé de placer dans le périphérique de stockage de l'ordinateur, ce qui garantirait le mode automatique d'exécution des commandes et, par conséquent, une augmentation de la performance de l'ordinateur. (Rappelez-vous que plus tôt toutes les machines informatiques ont stocké les numéros traités sous forme décimale, et les programmes ont été définis en installant des cavaliers sur un panneau de commutation spécial.) Neumann a été deviné que le programme pourrait également être stocké en tant que jeu de zéros et d'unités, et dans la même mémoire qui et le numéro traitée par elle.
Principes de base pour la construction d'un ordinateur:
1. Toute ordinateur forme trois composants principaux: processeur, mémoire et volant. E / S (UVV).
2. Les informations avec lesquelles l'ordinateur fonctionnent est divisée en deux types:
- ensemble de commandes de traitement (programme); Données à traiter.
3. Et les équipes et les données sont introduites dans la mémoire (RAM) - principe du programme stocké .
4. Gère le processeur de processeur, le dispositif de commande (UU) dont sélectionne les commandes de la RAM et organise leur exécution, ainsi que le périphérique arithmétique et logique (ALU) effectue des opérations arithmétiques et logiques sur les données.
5. Les périphériques d'E / S (UVV) sont associés au processeur et à la RAM.
Contexte Neuman proposé non seulement les principes fondamentaux du dispositif logique de l'ordinateur, mais également suggéré une structure reproduite lors des deux premières générations de l'ordinateur.
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Figure. 1. Architecture de l'ordinateur fin de forme,
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von nymanana
- direction des flux d'informations; - Direction des signaux de contrôle du processeur au reste des nœuds d'ordinateur
La conception de la structure de nymine de l'architecture des dispositifs informatiques était si fondamentale que le nom "Contexte de l'architecture Nimanovsk" a été obtenu dans la littérature. La vaste majorité de la machine virtuelle aujourd'hui - machines Nymananovsky.
L'apparition de la troisième génération d'ordinateurs était due aux transistors transistors à des puces intégrées, ce qui a entraîné une augmentation de la performance du processeur. Maintenant, le processeur a été contraint de passer au ralenti, en attente d'informations d'appareils d'E / S plus lents, et il a réduit l'efficacité de l'ensemble de l'ordinateur dans son ensemble. Pour résoudre ce problème, des schémas de gestion de travail spéciaux ont été créés. appareils externes, ou simplement contrôleurs.
L'architecture des ordinateurs personnels modernes est basée sur principe modulaire mascinal. Relation d'information entre les appareils informatiques est effectuée via bus système (Autre nom est une autoroute système).
Le pneu est un câble constitué d'une variété de conducteurs. Sur un groupe de conducteurs - données sur les pneus Les informations traitées, de l'autre - adresses de pneus - Adresses de mémoire ou périphériques externes auxquels le processeur est dessiné. Troisième partie de l'autoroute - contrôle des pneusLes signaux de commande sont transmis (par exemple, un signal de préparation au dispositif au fonctionnement, un signal au début du dispositif, etc.).
Comment fonctionne le bus système? Nous avons déjà dit que les bits simples et zéro n'existent que dans les têtes de programmeurs. Pour le processeur, seules des tensions sur ses contacts sont réelles. Chaque contact correspond à un bit et le processeur doit distinguer uniquement deux graduations de tension: il n'y a pas de niveau élevé. Par conséquent, l'adresse du processeur est une séquence de tensions sur des contacts spéciaux, appelé bus d'adresse. Vous pouvez imaginer, après avoir contacté l'adresse du bus d'adresse, les tensions sont affichées, les tensions codant pour le nombre stocké sur les pneus de bus numérique apparaissent. Cette image est très grossière, car pour extraire des données de la mémoire dont vous avez besoin. Pour ne pas être confus, le travail du processeur est contrôlé par un générateur d'horloge spécial. Il produit des impulsions qui partagent le processeur pour travailler sur des balises séparées. L'unité de temps de processeur est un battement, c'est-à-dire l'espace entre les deux impulsions du générateur d'horloge.
Les tensions apparaissant sur le bus de l'adresse du processeur sont appelées Adresse physique. En mode réel, le processeur ne fonctionne qu'avec des adresses physiques. Au contraire, le mode processeur protégé est intéressant car le programme fonctionne avec des adresses logiques et le processeur les transforme de manière invisible en physique. Système Windows Utilise le mode de fonctionnement protégé du processeur. Les systèmes d'exploitation et de programmes modernes nécessitent beaucoup de mémoire que le mode de fonctionnement protégé du processeur est devenu beaucoup plus "réel" son régime réel.
Le pneu du système est caractérisé cloche fréquence et peu.Le nombre de bits transmis simultanément est appelé barre de pneus. Fréquence d'horloge caractérise le nombre d'opérations de transmission de données élémentaires en 1 seconde. Le bit de pneu est mesuré en bits, fréquence d'horloge - à Megahertz.
Toutes les informations transmises du processeur à d'autres dispositifs de bus de données sont accompagnées de adressetransmis au bus d'adresse. Cela peut être l'adresse de la cellule mémoire ou l'adresse périphérique. Il est nécessaire que les bits du bus permettent de transférer l'adresse de la cellule mémoire. Ainsi, les mots du pneu limitent le volume mémoire vive Eum, il ne peut pas être plus que d'où n est le pneu. Il est important que les performances de tous les périphériques connectées au bus soient cohérentes. Il est déraisonnable d'avoir un processeur rapide et une mémoire lente ou un processeur rapide et une mémoire, mais un disque dur lent.
Figure. 2. Schéma du dispositif de l'ordinateur construit sur le principe du tronc
Dans les ordinateurs modernes mis en œuvre le principe de l'architecture ouverte,permettez à l'utilisateur de remplir la configuration de l'ordinateur que vous souhaitez et de produire ses mises à niveau si nécessaire.
Configuration L'ordinateur s'appelle l'ensemble réel de composants d'ordinateur qui composent un ordinateur. Le principe de l'architecture ouverte vous permet de modifier la composition des périphériques informatiques. Des dispositifs périphériques supplémentaires peuvent être connectés à l'autoroute de l'information, certains modèles d'appareils peuvent être remplacés par d'autres.
La connexion matérielle du dispositif périphérique à l'autoroute au niveau physique est effectuée à travers un bloc spécial - manette (Les autres noms sont des adaptateurs, des frais, une carte). Pour installer des contrôleurs sur carte mère Il y a des connecteurs spéciaux - machines à sous.
La gestion logicielle du fonctionnement du périphérique est effectuée via le programme - conducteurqui est un composant système opérateur. Comme il existe un grand nombre de dispositifs divers pouvant être installés sur l'ordinateur, le pilote interagissant directement avec cet appareil est fourni à chaque périphérique.
La connexion informatique avec des périphériques externes est effectuée via ports- connecteurs spéciaux sur le panneau arrière de l'ordinateur. Distinguer en série et parallèle Ports. SERIAL (PORTS) Servir à connecter des manipulateurs, modem et transmettre de petites quantités d'informations sur de longues distances. Parallèle (ports LPT) servent à connecter des imprimantes, des scanners et transmettent des informations importantes sur petites distances. Récemment, des ports universels successifs (USB) ont été généralisés, qui peuvent être connectés à divers appareils.
Principes de base des exercices sur l'architecture des machines informatiques posé en circulation mathématicienne américaine John von Neuman. Il est connecté à la création du premier ordinateur de la lampe au monde en 1944, lorsque sa conception était déjà choisie. En train de travailler pendant de nombreuses discussions avec ses collègues Goldstayin et A. Berks Von Neumanov, a exprimé l'idée d'un ordinateur fondamentalement nouveau. En 1946, les scientifiques ont exposé leurs principes pour la construction de machines informatiques dans l'article classique "Pré-considération de la conception logique d'un dispositif informatique électronique". Depuis lors, un demi-siècle est passé, mais les dispositions avancées en informatique conservent la pertinence aujourd'hui.
L'article justifie de manière convaincante l'utilisation système binaire Pour la présentation des chiffres (il est remarquable de vous rappeler que toutes les machines informatiques précédentes ont stocké les numéros traités sous forme décimale). Les auteurs ont démontré de manière convaincante les avantages du système binaire de mise en œuvre technique, de la commodité et de la simplicité des opérations arithmétiques et logiques. À l'avenir, l'ordinateur a commencé à traiter et non-téléphones - textuels, graphiques, son et autres, mais le codage des données binaires est toujours base de l'information Tout ordinateur moderne.
Une autre idée véritablement révolutionnaire, dont la valeur est difficile à surestimer est le principe du "programme stocké" proposé par Neumann. Initialement, le programme a été défini par l'installation de cavaliers sur un panneau de commutation spécial. C'était une activité très fastidieuse: par exemple, de modifier le programme de la machine endiac, elle était nécessaire pendant plusieurs jours (bien que le calcul ne puisse réellement durer plus de quelques minutes - les lampes étaient hors de l'ordre). Neumann a été le premier à avoir deviné que le programme pourrait également être stocké sous la forme d'un ensemble de zéros et d'unités et dans la même mémoire que le numéro traité par celui-ci. L'absence d'une différence fondamentale entre le programme et les données a donné la possibilité de former un programme pour lui-même conformément aux résultats des calculs.
Contexte Neumann, non seulement proposez les principes fondamentaux du dispositif logique de l'ordinateur, mais également proposé sa structure reproduite lors des deux premières générations de l'ordinateur. Les blocs principaux sur le Neiman sont le dispositif de commande (UU) et un dispositif logique arithmétique (Alu) (généralement fusionné dans le processeur central), la mémoire, la mémoire externe, les périphériques d'entrée et de sortie. Il convient de noter que la mémoire externe diffère des périphériques d'entrée et de sortie par le fait que les données à elle sont entrées sous la forme de ordinateur pratiquemais inaccessible à la perception directe par l'homme. Donc, le dispositif de stockage sur les disques magnétiques est lié à mémoire externeEt le clavier est un périphérique d'entrée, un affichage et une impression de périphériques de sortie.
Dispositif de commande et appareil logique arithmétique dans ordinateurs modernes Combiné dans un bloc - un processeur qui est un transducteur d'informations provenant de la mémoire et des périphériques externes (comprend ici un échantillon de commandes de la mémoire, de codage et de décodage, exécutant divers, y compris arithmétique, opérations, coordination des nœuds informatiques). Plus de détails sur la fonction de processeur seront discutés ci-dessous.
La mémoire (mémoire) stocke des informations (données) et des programmes. Le périphérique de stockage dans les ordinateurs modernes "multi-niveaux" et comprend un dispositif de stockage opérationnel (RAM) qui stocke les informations avec lesquelles l'ordinateur fonctionne directement dans ce temps (Le programme exécutable, une partie des données nécessaires à celui-ci, certains programmes de contrôle) et des périphériques de stockage externes (WA) sont une capacité beaucoup plus grande que la RAM. Mais avec un accès nettement plus lent (et de manière significative moins de coûts pour 1 information stockée d'octets). La classification des dispositifs de mémoire ne finit pas sur la RAM et la surveillance des dispositifs de mémoire - des fonctions spécifiques à des dispositifs de mémoire sont effectuées et créant (périphérique de stockage superopératif) et la ROM (dispositif de stockage constant) et d'autres sous-espèces de la mémoire de l'ordinateur.
Dans l'ordinateur construit selon le schéma décrit, la lecture séquentielle des commandes de la mémoire et leur exécution se produit. Nombre (adresse) d'une autre cellule de mémoire. À partir de laquelle la commande de programme suivante sera récupérée, indiquée par un périphérique spécial - une commande de commande à l'UU. Sa présence est également l'une des caractéristiques de l'architecture à l'étude.
La conception de la base néimienne de l'architecture des dispositifs informatiques était si fondamentale qu'elle ait reçu le nom de "l'architecture de fond Neumanovsk" dans la littérature. La majorité écrasante des machines informatiques d'aujourd'hui sont des voitures de fond-neumanovsky. Les exceptions ne sont que des types individuels de systèmes pour l'informatique parallèle, dans lesquels il n'y a pas de compteur de commande, le concept classique de la variable n'est pas mis en œuvre et il existe d'autres différences fondamentales essentielles du modèle classique (exemples de machines informatiques en streaming et de réduction).
Apparemment, une écart significative de l'architecture Nimanovsk se produira à la suite du développement de l'idée des machines de cinquième génération, qui reposent sur le traitement des informations dans lesquels ne sont pas des calculs, mais des conclusions logiques.
Principes von nimanana
Le principe d'uniformité de la mémoire - les commandes et les données sont stockés dans la même mémoire et à l'extérieur de la mémoire de manière indiscernable. Vous ne pouvez reconnaître que l'utilisation de la méthode d'utilisation; C'est-à-dire que la même valeur dans la cellule de la mémoire peut être utilisée à la fois en tant que données et en tant que commande, et comme adresse seulement sur la méthode de l'attrait. Cela permet les mêmes opérations sur les équipes que les chiffres et, en conséquence, ouvre un certain nombre de possibilités. Ainsi, modifiant cycliquement la partie d'adresse de la commande, vous pouvez accéder aux éléments séquentiels de la matrice de données. Cette réception s'appelle la modification de la commande et du point de vue de la programmation moderne n'est pas la bienvenue. Plus utile est une autre conséquence du principe d'homogénéité lorsque les commandes d'un programme peuvent être obtenues à la suite de l'exécution d'un autre programme. Cette fonctionnalité est basée sur la diffusion - traduire le texte du programme d'une langue de haut niveau en une machine informatique spécifique.
Le principe de ciblé est structurellement la mémoire principale consiste en des cellules numérotées, avec un processeur à un moment arbitraire, une cellule est disponible. Les codes de commande binaires et les données sont divisés en unités d'informations appelées mots, et stockés dans des cellules de mémoire, et les numéros des cellules correspondantes sont utilisées pour y accéder.
Principe gestion logicielle- Tous les calculs prévus par l'algorithme de résolution de problèmes doivent être présentés comme programme composé d'une séquence de mots de contrôle - commandes. Chaque commande prescrit une opération à partir d'un ensemble d'opérations mises en œuvre par la machine de calcul. Les commandes du programme sont stockées dans des cellules de mémoire consécutives de la machine de calcul et sont effectuées dans une séquence naturelle, c'est-à-dire dans l'ordre de leur position dans le programme. Si nécessaire, en utilisant des commandes spéciales, cette séquence peut être modifiée. La décision de modifier la procédure d'exécution des commandes du programme est faite soit sur la base de l'analyse des résultats de l'informatique précédente, de manière inconditionnelle.
Le principe du codage binaire est conforme à ce principe, toutes les informations telles que les données et les commandes sont codées par des numéros binaires 0 et 1. Chaque type d'informations est représenté par une séquence binaire et a son propre format. La séquence des bits dans un format qui a une certaine signification s'appelle un champ. Dans les informations numériques, le signe et le domaine des décharges significatives sont généralement mis en évidence. Dans le format de commande, vous pouvez sélectionner deux champs: le champ de code de fonctionnement et le champ Adresses.
En 1946, D. Von Neuman, Goldstin et A. Berse, dans son article commun décrivent de nouveaux principes pour la construction et le fonctionnement de l'ordinateur. Plus tard, sur la base de ces principes, les deux premières générations d'ordinateurs ont été faites. Dans les générations ultérieures, il y avait des changements, bien que les principes de Neumanna soient pertinents aujourd'hui.
En fait, NEYMANANA a réussi à résumer les développements scientifiques et à la découverte de nombreux autres scientifiques et de formuler des éléments fondamentalement nouveaux.
Principe de gestion du programme: Le programme consiste en un ensemble de commandes exécutant un processeur d'une séquence spécifique.
Le principe d'uniformité de la mémoire:les programmes et les données sont stockés dans la même mémoire.
Principe de ciblé:structurellement, la mémoire principale consiste en des cellules numérotées. Un processeur dans un moment de temps arbitraire est disponible n'importe quelle cellule.
Les ordinateurs construits sur les principes énumérés appartiennent au type de fond - Nimanovsky.
La conséquence la plus importante de ces principes peut être appelée que le programme n'a maintenant pas été une partie permanente de la machine (telle que la calculatrice). Le programme est devenu possible de changer facilement. Pour la comparaison, le programme informatique ENIAC (où il n'a pas été stocké dans la mémoire du programme) a été déterminé par des cavaliers spéciaux sur le panel. Pour reprogrammer la machine (réglez les cavaliers d'une manière différente), cela pourrait être nécessaire non un jour. Et bien que les programmes d'ordinateurs modernes puissent être écrits des années, mais ils travaillent sur des millions d'ordinateurs, l'installation de programmes ne nécessite pas de coûts de temps importants.
Outre les trois principes de la NAMAN, le principe du codage binaire a proposé le principe du codage binairepour afficher des données et des commandes, un système de numéros binaires est utilisé (les premières machines utilisées système décimal Nombre). Mais les développements ultérieurs ont montré, la possibilité d'utiliser des systèmes de surtaxe non traditionnels.
Au début de 1956, à l'initiative de l'académicien S.L. Sobolev, responsable du département de calcul des mathématiques à la mécanique et de la faculté de mathématiques de l'Université de Moscou, la division électronique a été créée dans le centre informatique MSU et a commencé à travailler un séminaire pour créer un échantillon pratique d'une machine informatique numérique destinée à être utilisée dans des universités. , ainsi que dans les laboratoires et les bureaux de conception des entreprises industrielles. Il était nécessaire de développer un petit ordinateur, simple dans le développement et les applications, fiable, peu coûteux et en même temps efficace dans un large éventail de tâches. Une étude approfondie au cours de l'année des machines informatiques et capacités techniques Leur mise en œuvre a conduit à une solution non standard à utiliser dans la machine créée, non binaire, et à un code symétrique à trois voies, mise en œuvre d'un système de numéros équilibré, D. Knut Vingt ans plus tard, peut être le plus élégant et , comme il est devenu connu, les avantages ont été identifiés par K. Shannon en 1950 Contrairement aux ordinateurs modernes du code binaire avec des chiffres 0, 1, arithmétique défectueux due à l'impossibilité de représentation directe dans celle des nombres négatifs, le code de roche avec des nombres -1, 0, 1 assure la construction optimale de nombres arithmétiques avec un panneau. Le système de numéros tropiciens est basé sur le même principe de position de codage que le système binaire adopté dans des ordinateurs modernes, mais le poids jE."La position (décharge) elle n'est pas 2 i et 3 I. Dans le même temps, les décharges ne sont pas à deux chiffres (non de bits) et à trois chiffres (TRIMES) - en plus de 0 et 1, ils permettent une troisième importance à laquelle dans le système symétrique dessert -1, due auxquelles Il représente uniformément des nombres positifs et négatifs. La valeur du n -trite entier N est déterminée de la même manière à la valeur N -BIT:
où et i ∈ (1, 0, -1) est la valeur du nombre I-ème décharge.
En avril 1960, les tests de transmission ont été effectués des tests d'un échantillon expérimental d'une machine de calcul appelée "Setun". Par les résultats de ces tests "Setun" a été reconnu comme premier échantillon actif d'une machine informatique universelle sur des éléments sans fondement inhérents à haute performance, suffisamment de fiabilité, de petites dimensions et de simplicité de la maintenance. "Setun", en raison de la nature naturelle du code symétrique tridimensionnel, s'est avéré être vraiment universel, facile à programmable et un outil de calcul très efficace, prouvé de manière positive, en particulier , en tant que moyen technique d'étude des mathématiques informatiques dans plus de trente universités. Et dans l'académie d'ingénierie aéronautique. Zhukovsky dans le "Setun" a été mis en œuvre pour la première fois système automatisé Apprentissage informatique.
Conformément aux principes de l'arrière-plan de NIMANAN, l'ordinateur consiste en:
· dispositif arithmétique et logique - Allu (ALU anglais, unité arithmétique et logique) effectuant des opérations arithmétiques et logiques; dispositifs de contrôle -UU, conçu pour organiser l'exécution du programme;
· dispositifs de stockage (mémoire), incl. un dispositif de stockage opérationnel (RAM - mémoire principale) et un dispositif de stockage externe (cire); dans O. chien les données et les programmes sont stockés; Le module de mémoire consiste en une pluralité de cellules numérotées, un nombre binaire peut être écrit sur chaque cellule interprétée comme une commande ou comme des données;
· w. structons d'E / S, qui servent à transférer des données entre un ordinateur et un environnement externe composé de divers dispositifs périphériques, qui comprennent la mémoire secondaire, l'équipement de communication et les terminaux.
Fournit une interaction entre le processeur (Alla et UU), la mémoire principale et les périphériques d'entrée avec pneu ramifié .
L'architecture de fond-nimanovsk de l'ordinateur est considérée comme classique, la plupart des ordinateurs sont construits dessus. En général, lorsque l'architecture Nimanan Von parle de la séparation physique du module de processeur à partir de périphériques de logiciels et de stockage de données. Idée de stockage logiciels d'ordinateur Dans la mémoire globale autorisée à transformer les machines informatiques dans appareils universelsqui sont capables d'effectuer une large gamme de tâches. Les programmes et les données sont entrés dans la mémoire du périphérique d'entrée via un périphérique arithmétique et logique. Toutes les commandes de programme sont enregistrées dans des cellules de mémoire adjacentes et les données de traitement peuvent être contenues dans des cellules arbitraires. Tout programme a la dernière commande doit être une commande de remplir le travail.
La majorité écrasante des machines informatiques d'aujourd'hui sont des voitures de fond-neumanovsky. Les exceptions ne sont que des types individuels de systèmes pour l'informatique parallèle, dans lesquels il n'y a pas de compteur de commande, le concept classique de la variable n'est pas mis en œuvre et il existe d'autres différences fondamentales essentielles du modèle classique (exemples de machines informatiques en streaming et de réduction). Apparemment, une écart significative de l'architecture Nimanovsk se produira à la suite du développement de l'idée des machines de cinquième génération, qui reposent sur le traitement des informations dans lesquels ne sont pas des calculs, mais des conclusions logiques.
2.2 Commande, formats d'équipe
La commande est une description de l'opération élémentaire que l'ordinateur doit exécuter.
Structure de l'équipe.
Le nombre de décharges déchargés pour enregistrer la commande dépend des outils matériels du modèle informatique spécifique. À cet égard, la structure d'une équipe spécifique sera prise en compte pour un cas général.
En général, la commande contient les informations suivantes:
Ø code de fonctionnement;
Ø instructions pour définir les opérandes ou leurs adresses;
Ø Directives pour la mise en place du résultat résultant.
Pour toute machine particulière, le nombre de décharges binaires attribués dans la commande pour chacune de ses adresses doit être spécifié et pour le code de fonctionnement, ainsi que les codes d'opérations réels eux-mêmes. Le nombre de décharges binaires dans la commande en superposée lors de la conception d'une machine pour chacune de ses adresses, détermine la bordure supérieure du nombre de cellules de mémoire de la machine ayant des adresses distinctes: si l'adresse de l'équipe est affichée à l'aide de n décharges binaires, puis En mémoire avec un échantillon rapide ne peut pas contenir plus de 2 n cellules.
Les commandes sont effectuées séquentiellement à partir de l'adresse initiale (point d'entrée) du programme exécutable, l'adresse de chaque commande suivante par unité est supérieure à l'adresse de la commande précédente, si elle n'a pas été une commande de transition.
Dans les machines modernes, la longueur de la variable de commande (en règle générale, de deux à quatre octets) et les moyens de spécifier les adresses des variables sont très divers.
Dans la partie d'adresse de la commande peut être spécifiée, par exemple:
Opérande;
Adresse de l'opérande;
L'adresse de l'adresse de l'opérande (numéro d'octet, à partir de laquelle l'adresse de l'opérande est située), etc.
Considérer la structure options possibles Plusieurs types d'équipe.
Équipes trois étoiles.
Équipes à double test.
Équipes d'unicast.
Équipes bezadrescent.
Considérez l'opération binaire de l'addition: c \u003d a + b.
Pour chaque variable en mémoire, nous définissons les adresses conditionnelles:
Soit 53 le code de l'opération d'addition.
Dans ce cas, la structure de l'équipe trois étoiles est la suivante:
· Équipe de Trechad.
Le processus d'exécution de la commande est divisé en étapes suivantes:
À partir de la cellule de mémoire, l'adresse est stockée dans le compteur de commande, la commande suivante est sélectionnée; Le contenu du compteur varie et contient désormais l'adresse suivante dans l'ordre de la commande;
La commande sélectionnée est transmise au système de contrôle au registre de la commande;
Le dispositif de contrôle décrypte le champ d'adresse de la commande;
Selon les STIS, les valeurs ODR sont lues de la mémoire et enregistrées en allu à des registres d'opérande spéciaux;
IU décrypte le code de fonctionnement et donne le signal à l'opération de données appropriée en Alu;
Le résultat de l'opération dans ce cas est envoyé à la mémoire (dans un syndicast et des ordinateurs à double critique restent dans le processeur);
Toutes les étapes précédentes sont effectuées jusqu'à ce que la commande STOP soit atteinte.
2.3 ordinateur comme automatique
"Les machines de contrôle des logiciels numériques électroniques représentent un exemple de l'un des types les plus courants de transducteurs d'informations distincts appelés machines discrètes ou numériques" (Synthèse de Glushkov V.M. de machines numériques)
Toute machine de calcul fonctionne automatiquement (qu'il s'agisse d'un ordinateur important ou d'un petit ordinateur, d'un ordinateur personnel ou d'un ordinateur Super-e). En ce sens, la machine de calcul en tant que automatique peut être décrite par le schéma structurel représenté sur la Fig. 2.1. 
Dans les paragraphes précédents, le schéma structurel de la machine de calcul a été envisagé. Basé régime structurel Schémas informatiques et de machines, nous pouvons comparer les blocs de la machine et les éléments du schéma structurel EMM.
Les éléments exécutifs de la machine comprennent:
· Dispositif logique arithmétique:
· Mémoire;
· Dispositifs d'E / S d'information.
L'élément de commande de la machine est le dispositif de commande qui fournit en réalité un fonctionnement automatique. Comme indiqué, dans des dispositifs informatiques modernes, le principal élément exécutif est le processeur ou le microprocesseur, qui contient l'allu, la mémoire, le dispositif de contrôle.
Les appareils auxiliaires de la machine peuvent être toutes sortes de fonds supplémentaires qui améliorent ou développent les possibilités de la machine.
Aujourd'hui, il est difficile de croire, mais des ordinateurs, sans lesquels beaucoup ne peuvent plus présenter leur vie ne sont apparu que de 70 ans. L'Américain scientifique John von Neuman est l'un de ceux qui ont apporté une contribution décisive à leur création. Il a proposé les principes sur lesquels la plupart des ordinateurs travaillent à ce jour. Considérez comment fonctionne la machine de fond Nymanan.
Bref certificat biographique
Yanos Neuman est né en 1930 à Budapest, dans une très riche famille juive, qui a plus tard réussi à obtenir un titre noble. De l'enfance, il a été distingué par des capacités exceptionnelles dans tous les domaines. À 23 ans, Neumann a déjà défendu sa thèse dans le domaine de la physique et de la chimie expérimentale. Dans la 1930e, un jeune scientifique a été invité à travailler aux États-Unis, dans le même temps, Neumann est devenu l'un des premiers employés de l'Institut de recherche d'apprentissage, où il a travaillé comme professeur à la fin de sa vie. Les intérêts scientifiques de Neuman étaient assez étendus. En particulier, c'est l'un des créateurs de la matapararat mécanique quantique et le concept de machines cellulaires.
Contribution à l'informatique
Avant de découvrir quel principe ne correspond pas à l'architecture de Nymanan, il sera intéressant d'apprendre comment le scientifique est venu à l'idée de créer une machine de calcul de type moderne.
En tant qu'expert dans le domaine des mathématiques des explosions et des ondes de choc, le début des années 1940, Von Neumann était un consultant scientifique dans l'un des laboratoires de l'Armée des États-Unis. À l'automne 1943, il est arrivé à Los Alamos pour participer au développement du projet de Manhattan à l'invitation personnelle de sa tête devant lui avant de calculer la force de la compression impliquante de la charge de la bombe atomique à la masse critique . Pour résoudre ce problème, des calculs importants étaient nécessaires, qui ont d'abord été effectués sur des calculatrices manuelles, puis sur les tabulants mécaniques de la société IBM, en utilisant Perfocar.
J'ai connu des informations sur la création d'ordinateurs électroniquement mécaniques et entièrement électroniques. Bientôt, il a été attiré par le développement d'Ordinateurs d'Edvac et d'Enciac, à la suite de laquelle il a commencé à écrire le travail «Premier projet de rapport sur EDVAC», le reste inachevé, dans lequel il a soumis une toute une nouvelle idée dans laquelle l'architecture informatique devrait être .
Principes von nimanana
Informatique Comme la science d'ici 1945 est entré dans une impasse, puisque tout le monde stocké dans leurs numéros traités de la mémoire dans la 10ème forme, et les programmes d'exécution des opérations ont été définis en définissant les cavaliers sur le panneau de commutation.
Cet ordinateur significativement limité. La réelle avancée était les principes de Neumanna. Vous pouvez les exprimer brièvement avec une phrase: la transition vers le système de numéros binaires et le principe du programme stocké.
Analyse
Considérez sur quels principes la structure classique de la machine Néiman von, plus en détail:
1. Aller à un système binaire d'une décennie
Ce principe de l'architecture de Neymanov vous permet d'utiliser suffisamment de périphériques logiques simples.
2. Gestion logicielle de la machine informatique électronique
Le fonctionnement de l'ordinateur est contrôlé par un ensemble de commandes effectuées de manière cohérente les unes après les autres. Développer les premières machines avec un programme stocké en mémoire a mis le début de la programmation moderne.
3. Les données et les programmes de la mémoire de l'ordinateur sont stockés ensemble
Dans ce cas, les données et les commandes du programme ont la même méthode d'enregistrement dans le système de numéros binaires, par conséquent, dans certaines situations, les mêmes actions sont effectuées sur eux comme au-dessus des données.
Corollaire
De plus, l'architecture de la machine FoundonOnber présente les caractéristiques suivantes:
1. Les cellules de mémoire ont des adresses numérotées de manière séquentielle
Grâce à l'utilisation de ce principe, il est devenu utilisation possible Variables de programmation. En particulier, à tout moment, vous pouvez vous référer à une cellule mémoire particulière à son adresse.
2. La possibilité d'une transition conditionnelle lors de l'exécution du programme
Comme déjà mentionné, les commandes des programmes doivent être exécutées de manière cohérente. Cependant, il est possible de faire une transition vers n'importe quel segment du code.
Comment fonctionne les machines de Neumanana?
Un tel modèle mathématique est constitué d'un stockage (mémoire), de gestion, ainsi que de périphériques d'entrée et de sortie. Toutes les commandes de programme sont enregistrées dans les cellules de mémoire situées dans le quartier et les données de leur traitement sont dans des cellules arbitraires.
Toute équipe doit comprendre:
- instructions, quelle opération doit être complétée;
- adresses de cellules de mémoire dans lesquelles les données source sont stockées affectées par l'opération spécifiée;
- adresses des cellules dans lesquelles le résultat devrait enregistrer.
Les opérations spécifiées par les opérations sur des données source spécifiques sont effectuées par ALU et les résultats sont enregistrés dans des cellules de mémoire, c'est-à-dire que les cellules de mémoire sont stockées comme pratiques pour le traitement ultérieur de la machine ou transmises au dispositif de sortie (moniteur, imprimante, etc.) et la personne devient disponible.
UU gère toutes les parties de l'ordinateur. À partir du reste des appareils, il y a des signaux-ordres "Que faire" et d'autres périphériques reçoivent des informations sur ce qu'ils sont dans.
Le dispositif de contrôle dispose d'un registre spécial appelé "Compteur Commande" SC. Après avoir téléchargé les données source et le programme en mémoire, l'adresse de sa 1ère commande est enregistrée. UU lit le contenu de la cellule à partir de la mémoire de l'ordinateur, dont l'adresse est dans le SC et la place dans le "registre de la commande". Le dispositif de contrôle détermine l'opération correspondant à une commande spécifique et "notes" dans les données de mémoire de l'ordinateur, dont les adresses sont spécifiées. En outre, ALU ou ordinateur se lancent dans l'opération, à la fin de laquelle le contenu du SC change à l'unité, c'est-à-dire indiquant la commande suivante.
Critique
Les inconvénients et les perspectives modernes continuent de rester un sujet de discussion. Le fait que les voitures créées sur les principes nommés par ces scientifiques exceptionnels ne soient pas parfaits, il a été remarqué depuis longtemps.
Par conséquent, dans les billets d'examen sur la science informatique, il est souvent possible de répondre à la question "Quel principe ne correspond pas à l'architecture de Neumanan et quels sont les inconvénients de celui-ci."
Lorsque vous répondez à sa deuxième partie, vous devez spécifier:
- pour la présence d'un espace sémantique entre les langages de programmation de haut niveau et le système de commande;
- sur le problème de la coordination du processeur OP et du débit;
- sur la crise décrite logicielcausée par le fait que le coût de sa création est bien inférieur au coût de l'élaboration du matériel et qu'il n'y a aucune possibilité de test complet du programme;
- manque de perspectives du point de vue de la vitesse, car sa limite théorique a déjà été atteinte.
Quant au principe ne correspond pas à l'architecture de Nimanan, alors nous parlons Sur le parallélisme de l'organisation d'un grand nombre de flux de données et d'équipes caractéristiques de l'architecture multiprocesseur.
Conclusion
Maintenant, vous savez quel principe ne correspond pas à l'architecture von Neuman. De toute évidence, la science et la technologie ne sont pas en place et, peut-être, très bientôt dans chaque maison, il y aura des ordinateurs d'un type totalement nouveau, grâce à laquelle l'humanité viendra à un nouveau niveau de développement. À propos, le simulateur de programme-Simulator "Architecture von Neumana" sera préparé pour l'examen. Ces ressources éducatives numériques facilitent l'assimilation du matériel et permettent d'évaluer leurs connaissances.
Ce type est souvent noté par le terme "machine nimanana", mais la correspondance de ces concepts n'est pas toujours sans ambiguïté. En général, lorsque l'architecture Nimanan Von parle, implique le principe du stockage de données et des instructions dans une mémoire.
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Les fondements de l'architecture de machines informatiques ont jeté la von Neuman en 1944, lorsqu'il était connecté à la création du premier ordinateur de lampe du monde. Dans le processus de travail sur Eniak, à l'Université de Pennsylvanie lors de nombreuses discussions avec ses collègues John William Mokley, John Eckel, Allemand Goldstayne et Arthur Burx, il y avait une idée d'une voiture plus parfaite appelée Edvac. Les travaux de recherche sur EDVAC se sont poursuivis en parallèle avec la conception d'Eniaka.
En mars 1945, les principes de l'architecture logique ont été décorés dans le document, appelé "premier projet de rapport de l'EDVAC" - un rapport sur le laboratoire balistique américain de l'armée américaine, sur l'argent de qui a été construit par Eniak et le développement de edvac. Le rapport, puisqu'il n'était qu'un croquis, n'était pas destiné à la publication, mais uniquement pour la distribution à l'intérieur du groupe, mais Goldstine allemande - un conservateur du projet par l'armée américaine - a rectifié cette travail scientifique Et elle l'a envoyé un large éventail de scientifiques de se familiariser. Depuis sur la première page du document, il n'y avait que le nom de Von Neuman, qui a lu le document avait une fausse impression que l'auteur de toutes les idées énoncées dans le travail était celui qui. Le document a donné suffisamment d'informations pour qu'ils lisent qu'il puisse construire leurs ordinateurs comme Edvacu sur les mêmes principes et avec la même architecture, ce qui a commencé à être appelé "l'architecture de Nimanan".
Après l'achèvement de la Seconde Guerre mondiale et la fin des travaux sur Eniak en février 1946, l'équipe d'ingénieurs et de scientifiques a rompu, John Mokley, John Eckert a décidé de consulter une entreprise et de créer des ordinateurs sur une base commerciale. Background Neuman, Goldstin et Burx sont passés à l'endroit où ils ont décidé de créer leur propre «IAS-CAR», similaire à EDVAC et l'utiliser pour des travaux de recherche. En juin 1946, ils ont décrit leurs principes pour la construction de machines informatiques dans l'article classique "Pré-considération de la conception logique d'un dispositif informatique électronique". Depuis lors, plus d'un demi-siècle est passé, mais les dispositions avancées en conserve leur pertinence aujourd'hui. L'article justifie de manière convaincante l'utilisation d'un système binaire pour représenter des nombres, et plus tôt, toutes les machines informatiques ont stocké les numéros traités sous forme décimale. Les auteurs ont démontré les avantages du système binaire de mise en œuvre technique, de la commodité et de la simplicité des opérations arithmétiques et logiques. À l'avenir, l'ordinateur a commencé à traiter et à des types d'informations non tranchés - textuels, graphiques, son et autres, mais le codage des données binaires est toujours la base d'informations de tout ordinateur moderne.
En plus des voitures qui ont travaillé avec du code binaire, il y avait aussi des voitures à trois voies. Les ordinateurs tropiques ont plusieurs avantages et inconvénients avant Binary. Parmi les avantages peut être mis en évidence (les opérations d'addition sont effectuées environ une fois et demi plus vite), la présence de logique binaire et ternaire, une représentation symétrique des entiers avec un signe (dans une logique binaire, il y aura deux zéro (positif et négatif ), ou il y aura un nombre quelconque il n'y a pas de paire avec le signe opposé). Les inconvénients sont une implémentation plus complexe par rapport aux machines binaires.
Une autre idée révolutionnaire, dont la valeur est difficile à surestimer, est le principe du "programme stocké". Initialement, le programme a été défini par l'installation de cavaliers sur un panneau de commutation spécial. C'était une occupation très fastidieuse: par exemple, de modifier le programme de la machine Eniac, il était nécessaire pendant plusieurs jours, tandis que le calcul ne pouvait en réalité durer plus de quelques minutes - les lampes étaient hors de l'ordre, ce qui était une quantité énorme. Cependant, le programme peut également être stocké sous la forme d'un ensemble de zéros et d'unités et dans la même mémoire que le nombre en cours de traitement. L'absence d'une différence fondamentale entre le programme et les données a donné la possibilité de former un programme pour lui-même conformément aux résultats des calculs.
La présence d'un ensemble donné de commandes exécutables et de programmes était une caractéristique du premier systèmes informatiques. Aujourd'hui, une telle conception est utilisée pour simplifier la conception du dispositif informatique. Donc, les calculatrices de bureau, en principe, sont des appareils disposant d'un ensemble fixe de programmes réalisés. Ils peuvent être utilisés pour des calculs mathématiques, mais il est presque impossible de demander le traitement de texte et de jeux informatiques, d'afficher des images graphiques ou des vidéos. La modification du programme intégré pour de tels dispositifs nécessite des modifications presque complètes et, dans la plupart des cas, il est impossible. Cependant, la reprogrammation des systèmes informatiques précoce était toujours remplie, mais nécessitait une énorme quantité de travaux manuels sur la préparation de nouvelles documentaires, de recruter et de restructurer des blocs et des dispositifs, etc.
Tout a changé l'idée de stocker des programmes informatiques dans la mémoire partagée. Au moment de son apparition, l'utilisation d'architectures basées sur des ensembles d'instructions exécutables et la présentation du processus informatique que le processus d'exécution des instructions enregistrées dans le programme a une flexibilité extrêmement accrue. systèmes informatiques En termes de traitement de données. La même approche de l'examen des données et des instructions a fait une tâche facile de changer les programmes eux-mêmes.
Principes von nimanana
Le principe de l'uniformité de la mémoire La différence fondamentale entre l'architecture "Nimanana" (Princeton) de Harvard. Les commandes et les données sont stockées dans la même mémoire et à l'extérieur de la mémoire de manière indiscernable. Vous ne pouvez reconnaître que l'utilisation de la méthode d'utilisation; C'est-à-dire que la même valeur dans la cellule de la mémoire peut être utilisée à la fois en tant que données et en tant que commande, et comme adresse seulement sur la méthode de l'attrait. Cela permet les mêmes opérations sur les équipes que les chiffres et, en conséquence, ouvre un certain nombre de possibilités. Ainsi, modifiant cycliquement la partie d'adresse de la commande, vous pouvez accéder aux éléments séquentiels de la matrice de données. Cette réception s'appelle la modification de la commande et du point de vue de la programmation moderne n'est pas la bienvenue. Plus utile est une autre conséquence du principe d'homogénéité lorsque les commandes d'un programme peuvent être obtenues à la suite de l'exécution d'un autre programme. Cette fonctionnalité est basée sur la diffusion - traduire le texte du programme d'une langue de haut niveau en une machine informatique spécifique. Le principe de ciblage de la mémoire principale structurellement est constitué de cellules numérotées et d'un processeur à un moment arbitraire Toute cellule est disponible. Les codes de commande binaires et les données sont divisés en unités d'informations appelées mots, et stockés dans des cellules de mémoire, et les numéros des cellules correspondantes sont utilisées pour y accéder. Principe de gestion du programme Tous les calculs prévus par l'algorithme de résolution de problèmes doivent être représentés en tant que programme composé d'une séquence de mots de contrôle - commandes. Chaque commande prescrit une opération à partir d'un ensemble d'opérations mises en œuvre par la machine de calcul. Les commandes du programme sont stockées dans des cellules de mémoire consécutives de la machine de calcul et sont effectuées dans une séquence naturelle, c'est-à-dire dans l'ordre de leur position dans le programme. Si nécessaire, en utilisant des commandes spéciales, cette séquence peut être modifiée. La décision de modifier la procédure d'exécution des commandes du programme est faite soit sur la base de l'analyse des résultats de l'informatique précédente, de manière inconditionnelle. Le principe du codage binaire selon ce principe, toutes les informations, les données et les commandes sont codées par des numéros binaires 0 et 1. Chaque type d'informations est représenté par une séquence binaire et a son propre format. La séquence des bits dans un format qui a une certaine signification s'appelle un champ. Dans les informations numériques, le signe et le domaine des décharges significatives sont généralement mis en évidence. Dans le format de la commande dans le cas le plus simple, deux champs peuvent être distingués: le champ d'opération et le champ Adresses.
Ordinateurs construits sur les principes de Nymanan
Selon le plan, le premier ordinateur construit par l'architecture von Neumanna, devait devenir EDVAC (ordinateur automatique discrète électronique) - l'une des premières machines informatiques électroniques. Contrairement à son prédécesseur Eniaka, c'était un ordinateur sur une base binaire et non décimale. Comme Eniak, Edvac a été développé à l'Institut de Moore Pennsylvania University pour le laboratoire d'études balistiques (anglais) de l'armée américaine par l'équipe d'ingénieurs et de scientifiques dirigés par John par Square Ekert (anglais) et John William Mokley dans une assistance active Mathématiques ] Cependant, jusqu'en 1951 EDVAC n'était pas lancé en raison de difficultés techniques pour créer une mémoire et des désaccords informatiques fiables dans le groupe de développeurs. D'autres instituts de recherche, se sont familiarisés avec un projet Eniak et EDVAC, ont réussi à résoudre ces problèmes beaucoup plus tôt. Les premiers ordinateurs dans lesquels les principales caractéristiques de l'architecture de Nimanan étaient les suivantes:
- prototype - Manchester Petite machine expérimentale - Université de Manchester, Royaume-Uni, 21 juin 1948;
- EDSAC - Université de Cambridge, Royaume-Uni, 6 mai 1949;
- Manchester Mark I - Université de Manchester, Royaume-Uni, 1949;
- Binac - USA, avril ou août 1949;
- CSIR MK 1.
- EDVAC - USA, août 1949 - En fait lancé en 1952;
- CSIRAC - Australie, novembre 1949;
- Seac - USA, 9 mai 1950;
- Ordvac - USA, novembre 1951;
- IAS CAR - USA, 10 juin 1952;
- Maniac I - USA, mars 1952;
- Avidac - USA, 28 janvier 1953;
- Oracle - USA, fin de 1953;
- Weizac - Israël, 1955;
- Sillique - Australie, 4 juillet 1956.
En URSS, la première machine d'informatique entièrement électronique, proche des principes de Nimanan, était MESM, construite par Lebebev (sur la base de l'Institut de l'ingénierie électrique de Kiev de l'Académie des sciences de la SSR ukrainien), qui a passé l'État Tests d'acceptation en décembre 1951.
Architecture de lieu étroite Von Neuman
Partage Les pneus pour la mémoire des programmes et la mémoire de données mènent à un endroit étroit de fond de l'architecture NEYMANAN, à savoir la limite de bande passante entre le processeur et la mémoire par rapport à la quantité de mémoire. En raison du fait que la mémoire de la mémoire de programmes et de données ne peut pas être disponible en même temps bande passante Le canal "la mémoire de processeur" et la vitesse de la mémoire limitent considérablement la vitesse du processeur - beaucoup plus forte que si les programmes et les données étaient stockés à différents endroits. Puisque la vitesse du processeur et la quantité de mémoire augmentent beaucoup plus vite que la bande passante entre eux, le goulot d'étranglement était gros problème, dont la gravité qui augmente avec chaque nouvelle génération de processeurs [ ] ; ce problème Résolu en améliorant les systèmes de mise en cache, et cela génère de nombreux nouveaux problèmes [ quelle?] .
Le terme "lieu étroit d'architecture von Neumanan" a introduit John Bacus en 1977 dans sa conférence "est-il possible de programmer gratuitement le style de Nimanana?" Lis-il quand il lui attribuait l'attribution du Turing
Les scientifiques des États-Unis et de l'Italie en 2015 ont déclaré la création d'un prototype du processeur de MEM (MemProcesseur anglais) avec une architecture de fond-Neymanov et la possibilité de son utilisation pour la résolution des tâches bénéfiques.
voir également
Littérature
- Herman H. Goldstine. L'ordinateur de Pascal à Von Neumann. - Princeton University Press, 1980. - 365 p. - ISBN 9780691023670. (eng.)
- William Aspray. John von Neumann et les origines de l'informatique moderne. - MIT Press, 1990. - 394 p. - ISBN 0262011212. (eng.)
- Scott McCartney. ENIAC: Les triomphes et les trènes du premier ordinateur mondial. - Berkley Books, 2001. - 262 p. -
