Поява ЕОМ, принципи фону нейману. Архітектура комп'ютера

Сьогодні важко повірити, але комп'ютери, без яких багато хто вже не може уявити своє життя, з'явилися всього якихось 70 років тому. Одним із тих, хто зробив вирішальний внесок у їхнє створення, був американський вчений Джон фон Нейман. Він запропонував принципи, у яких і до сьогодні працює більшість ЕОМ. Розглянемо як працює машина фон Неймана.

Коротка біографічна довідка

Янош Нейман народився 1930 року в Будапешті, в дуже заможній єврейській сім'ї, якій згодом вдалося здобути дворянський титул. Він з дитинства відрізнявся визначними здібностями у всіх областях. У 23 роки Нейман вже захистив кандидатську дисертацію в галузі експериментальної фізики та хімії. У 1930-му молодого вченого запросили на роботу в США, одночасно Нейман став одним з перших співробітників Інституту перспективних досліджень, де пропрацював професором до кінця життя. Наукові інтереси Неймана були досить великі. Зокрема, він є одним із творців апарату квантової механікита концепції клітинних автоматів.

Внесок в інформатику

Перш ніж з'ясувати, якому принципу відповідає архітектура фон Неймана, буде цікаво дізнатися у тому, як учений дійшов ідеї створення обчислювальної машини сучасного типу.

Будучи експертом з математики вибухів і ударних хвиль, на початку 1940-х фон Нейман був науковим консультантом в одній з лабораторій Управління боєприпасів Армії Сполучених Штатів. Восени 1943 року він прибув до Лос-Аламоса для участі в розробці Манхеттенського проекту з особистого запрошенняйого керівника Перед ним було поставлено завдання розрахувати силу імплозійного стиснення заряду атомної бомби до критичної маси. Для її вирішення були потрібні великі обчислення, які спочатку здійснювалися на ручних калькуляторах, а пізніше на механічних табуляторах фірми IBM, з використанням перфокарт.

Ознайомився з інформацією про хід створення електронно-механічних та повністю електронних комп'ютерів. Незабаром його залучили до розробки комп'ютерів EDVAC і ENIAC, внаслідок чого він почав писати роботу «Перший проект звіту про EDVAC», що залишилася незакінченою, в якій представив науковому співтовариству абсолютно нову ідеюпро те, якою має бути комп'ютерна архітектура.

Принципи фон Неймана

Інформатика як наука до 1945 року зайшла в глухий кут, оскільки всі зберігали у своїй пам'яті оброблювані числа в 10-му вигляді, а програми для здійснення операцій задавалися за допомогою установки перемичок на комутаційній панелі.

Це значно обмежувало можливості комп'ютерів. Справжнім проривом стали засади фон Неймана. Стисло їх можна висловити однією пропозицією: перехід до двійковій системіобчислення та принцип програми, що зберігається.

Аналіз

Розглянемо, яких принципах заснована класична структура машини фон Неймана, докладніше:

1. Перехід до двійкової системи від десятирічної

Цей принцип неймановської архітектури дозволяє використовувати досить прості логічні устрою.

2. Програмне керування електронною обчислювальною машиною

Робота ЕОМ контролюється набором команд, що виконуються послідовно один за одним. Розробка перших машини з програмою, що зберігається в пам'яті, започаткувала сучасне програмування.

3. Дані та програми в пам'яті комп'ютера зберігаються спільно

При цьому і дані, і команди програми мають однаковий спосіб запису в двійковій системі числення, тому в певних ситуаціях над ними можливе виконання тих самих дій, що над даними.

Наслідки

Крім того, архітектура Фоннейманівської машини має такі особливості:

1. Осередки пам'яті мають адреси, які пронумеровані послідовно

Завдяки використанню цього принципу стало можливим використаннязмінних у програмуванні. Зокрема, у будь-який момент можна звернутися до того чи іншого осередку пам'яті на її адресу.

2. Можливість умовного переходу під час виконання програми

Як було зазначено, команди у програмах повинні виконуватися послідовно. Однак передбачена можливість зробити перехід до будь-якої ділянки коду.

Як працює машина фон Неймана

Така математична модель складається з пам'яті (ЗУ), керуючого, а також пристроїв введення та виведення. Усі команди програми записуються в осередках пам'яті, розташованих поруч, а дані їхньої обробки — у довільних осередках.

Будь-яка команда повинна складатися з:

• вказівки, яка операція має бути виконана;
• адрес осередків пам'яті, в яких зберігаються вихідні дані, що зачіпаються зазначеною операцією;
• адрес осередків, у які слід записати результат.

Зазначені командами операції над конкретними вихідними даними виконуються АЛУ, а результати записуються в осередках пам'яті, тобто зберігаються у вигляді, зручному для подальшої машинної обробки, або передаються на пристрій виведення (монітор, принтер та ін.) і стають доступні людині.

УУ управляє усіма частинами ЕОМ. Від нього на інші пристрої надходять сигнали-накази «що робити», а від інших пристроїв воно отримує інформацію про те, в якому стані вони знаходяться.

У пристрою є спеціальний регістр, званий «лічильником команд» СК. Після завантаження вихідних даних і програми на згадку, СК записується адресу її 1-ї команди. УУ зчитує з пам'яті ЕОМ вміст осередку, адреса якої перебуває у СК, і поміщає їх у «Регістр команд». Керуючий пристрій визначає операцію, яка відповідає конкретній команді, і «відзначає» у пам'яті комп'ютера дані, адреси яких у ній вказані. Далі АЛУ чи ЕОМ приступають до виконання операції, після завершення якої вміст СК змінюється на одиницю, тобто вказує на наступну команду.

Критика

Недоліки та сучасні перспективи залишаються предметом дискусій. Те, що машини, створені на принципах, висунутих цим видатним ученим, не досконалі, було помічено дуже давно.

Тому в екзаменаційних квитках з інформатики нерідко можна зустріти питання "якому принципу не відповідає архітектура фон Неймана та які недоліки у неї є".

При відповіді на другу частину обов'язково слід вказати:

• на наявність семантичного розриву між мовами програмування високого рівня та системою команд;
• на проблему узгодження ВП та пропускної спроможностіпроцесора;
• на кризу, що намічається програмного забезпечення, Викликаний тим, що витрати на його створення є набагато нижче вартості розробки апаратних засобів, і немає можливості повного тестування програми;
• відсутність перспектив з погляду швидкодії, оскільки вже досягнуто його теоретичний ліміт.

Щодо того, якому принципу не відповідає архітектура фон Неймана, то мова йдепро паралельність організації великої кількості потоків даних і команд, властивої багатопроцесорної архітектури.

Висновок

Тепер вам відомо, якому принципу відповідає архітектура фон Неймана. Очевидно, що наука і технології не стоять на місці, і, можливо, дуже скоро в кожному будинку з'являться комп'ютери нового типу, завдяки яким людство вийде на новий рівень свого розвитку. До речі, підготуватись до іспиту допоможе програма-тренажер "Архітектура фон Неймана". Такі цифрові освітні ресурсиполегшують засвоєння матеріалу та дають можливість оцінити свої знання.

У 1946 році троє вчених - Артур Беркс (Arthur Burks), Герман Голдстайн і Джон фон Нейман - опублікували статтю «Попередній розгляд логічного конструювання електронного обчислювального пристрою». У статті обґрунтовувалося використання двійкової системи для представлення даних в ЕОМ (переважно для технічної реалізації, простота виконання арифметичних та логічних операцій - до цього машини зберігали дані в десятковому вигляді), висувалася ідея використання спільної пам'яті для програми та даних. Ім'я фон Неймана було досить відоме у науці на той час, що відсунула другого план його співавторів, і ці ідеї отримали назву «принципи фон Неймана».

Принцип двійкового кодування

Відповідно до цього принципу, вся інформація, що надходить до ЕОМ, кодується за допомогою двійкових сигналів (двійкових цифр, бітів) і поділяється на одиниці, які називаються словами.

Принцип однорідності пам'яті

Програми та дані зберігаються в одній і тій же пам'яті. Тому ЕОМ не розрізняє, що зберігається у цій осередку пам'яті - число, текст чи команда. Над командами можна виконувати такі самі дії, як і над даними.

Принцип адресації пам'яті

Структурно основна пам'ять складається з пронумерованих осередків; процесору в довільний момент часу доступна будь-яка комірка. Звідси випливає можливість давати імена областям пам'яті, так, щоб до значень, що зберігаються в них, можна було б згодом звертатися або змінювати їх у процесі виконання програми з використанням присвоєних імен.

Принцип послідовного програмного управління

Передбачає, що програма складається з набору команд, які виконуються процесором автоматично один за одним у певній послідовності.

Принцип жорсткості архітектури

Незмінність у процесі роботи топології, архітектури, списку команд.

Комп'ютери, побудовані цих принципах, відносять до типу фон-неймановских.

Комп'ютер повинен мати:

• арифметично-логічний пристрій, що виконує арифметичні та логічні операції. У наш час цей пристрій називається центральним процесором. центральний процесор(central processing unit) - мікропроцесор комп'ютера, що є мікросхемою, яка керує всіма процесами, що відбуваються в комп'ютері;
• пристрій керування, що організує процес виконання програм У сучасних комп'ютерах арифметично-логічний пристрій та пристрій керування об'єднані в центральний процесор;
• запам'ятовуючий пристрій(пам'ять) для зберігання програм та даних;
• зовнішні пристрої для введення-виведення інформації.

Пам'ять комп'ютераявляє собою деяку кількість пронумерованих осередків, в кожній з яких можуть бути або оброблювані дані, або інструкції програм. Усі комірки пам'яті повинні бути однаково доступні для інших пристроїв комп'ютера.

Принцип роботи:

• За допомогою зовнішнього пристрою в пам'ять комп'ютера вводиться програма.
• Пристрій управління зчитує вміст осередку пам'яті, де знаходиться перша інструкція (команда) програми та організує її виконання. Команда може ставити:
  • виконання логічних чи арифметичних операцій;
  • читання з пам'яті даних виконання арифметичних чи логічних операцій;
  • запис результатів на згадку;
  • введення даних із зовнішнього пристрою на згадку;
  • виведення даних із пам'яті на зовнішній пристрій.
• Пристрій управління починає виконання команди з комірки пам'яті, яка знаходиться безпосередньо за щойно виконаною командою. Однак, цей порядок може бути змінений за допомогою команд передачі управління (переходу). Ці команди вказують пристрою управління, що йому необхідно продовжити виконання програми, починаючи з команди, що міститься в іншій клітинці пам'яті.
• Результати виконання програми виводяться на зовнішній пристрій комп'ютера.
• Комп'ютер переходить у режим очікування від зовнішнього пристрою.

Один із принципів " Архітектури фон Нейманаговорить: у комп'ютері не доведеться змінювати підключення проводів, якщо всі інструкції зберігатимуться у його пам'яті. І як тільки цю ідею в рамках "архітектури фон Неймана" втілили на практиці, народився сучасний комп'ютер.

Як усяка техніка, комп'ютери розвивалися у бік збільшення функціональності, доцільності та краси. Є взагалі твердження, яке претендує на закон: досконалий прилад не може бути потворним на вигляд і навпаки, гарна техніка не буває поганою. Комп'ютер стає не тільки корисним, але і приладом, що прикрашає приміщення. Зовнішній виглядСучасний комп'ютер, звичайно, співвідноситься зі схемою фон Неймана, але в той же час і відрізняється з нею.

Завдяки фірмі IBM ідеї фон Неймана реалізувалися як широко поширеного нашого часу принципу відкритої архітектури системних блоків комп'ютерів. Відповідно до цього принципу комп'ютер не є єдиним нероз'ємним пристроєм, а складається з незалежно виготовлених частин, причому методи поєднання пристроїв з комп'ютером не є секретом фірми-виробника, а доступні всім бажаючим. Таким чином, системні блоки можна збирати за принципом дитячого конструктора, тобто змінювати деталі на інші, потужніші та сучасніші, модернізуючи свій комп'ютер (апгрейд, upgrade – "підвищувати рівень"). Нові деталі повністю взаємозамінні зі старими. «Відкрито архітектурними» персональні комп'ютери робить також системна шина, це якась віртуальна загальна дорога або жила, або канал, який виходять усі висновки від усіх вузлів і деталей системного блоку. Треба сказати, що великі комп'ютери(не персональні) не мають властивість відкритості, в них не можна просто так щось замінити іншим, більш досконалим, наприклад, у найсучасніших комп'ютерах можуть бути відсутні навіть з'єднувальні дроти між елементами комп'ютерної системи: мишею, клавіатурою ("keyboard" - "клавішна дошка") та системним блоком. Вони можуть спілкуватися між собою за допомогою інфрачервоного випромінювання, для цього системному блоціє спеціальне віконце прийому інфрачервоних сигналів (за типом пульта дистанційного керуваннятелевізора).

В даний час звичайний персональний комп'ютер є комплексом, що складається з:

• Основний електронної плати(системної, материнської), де розміщені ті блоки, які здійснюють обробку інформації обчислення;
• схем, що керують іншими пристроями комп'ютера, що вставляються у стандартні роз'єми на системній платі – слоти;
• дисків зберігання інформації;
• блоку живлення, від якого підводиться електроживлення до всіх електронних схем;
• корпусу (системний блок), у якому всі внутрішні пристрої комп'ютера встановлюються на спільній рамі;
• клавіатури;
• монітора;
• інших зовнішніх пристроїв.

  Комп'ютери, побудовані за принципами фон Неймана

  У 1940-х проект комп'ютера, що зберігає свої програми у спільній пам'яті розробили у Школі електричних розробок Мура (англ. Moore School of Electrical Engineering ) в Університеті штату Пенсільванія . Підхід, описаний у цьому документі, став відомим як архітектура фон Неймана, на ім'я єдиного з названих авторів проекту Джона фон Неймана, хоча насправді авторство проекту було колективним. Архітектура фон Неймана вирішувала проблеми, властиві комп'ютеру ENIAC, який створювався на той час, за рахунок зберігання програми комп'ютера у його власної пам'яті. Інформація про проект стала доступна іншим дослідникам незабаром після того, як у

Право та ВЗГ

Урок 9. Магістрально модульний принцип побудови комп'ютера.

Завдання: використовуючи навчальний текст відповісти на такі запитання (записати у зошит).

1. Хто був основоположником магістрально-модульного принципу сучасної архітектури ПК.

2. Архітектура комп'ютера – це…

3. Перерахуйте основні принципи, покладені в основу магістрально-модульної побудови архітектури ПК.

4. Із яких частин складається магістраль?

5. Навіщо потрібен інтерфейс пристроїв?

6. Що використовується узгодження інтерфейсів? За якою схемою працює це узгодження (замалюйте схему)?

7. Як відбувається обробка даних на комп'ютері?

8. Зобразіть схематично магістрально-модульний принцип ПК.

9. Магістраль-це …

10. Навіщо служать шина управління, шина адреси, шина даних?

12. Що дозволяє модульний принцип користувача ПК? Перерахуйте основні переваги модульно-магістрального принципу.

Д/з. Відповісти на запитання, підготуватися до відповіді за навчальним текстом.

Навчальний текст

Магістрально-модульний принцип побудови комп'ютера

Згадаймо інформацію, отриману на попередніх заняттях:

Комп'ютер – це електронний пристрій, призначений для роботи з інформацією, а саме введення, обробку, зберігання, виведення та передачу інформації.Крім того, ПК є єдиним двома сутностями – апаратною та програмною частинами.

Архітектура комп'ютера - це опис його логічної організації, ресурсів та принципів функціонування його структурних елементів. Включає основні пристрої ЕОМ та структуру зв'язків між ними.

Зазвичай, описуючи архітектуру ЕОМ, особливу увагу приділяють тим принципам її організації, які притаманні більшості машин, які стосуються описуваному сімейству, і навіть впливають можливості програмування.

В основу архітектури сучасних комп'ютерівпокладено принципи Джона фон Неймана та магістрально-модульний принцип.

У 1946 році Д. фон Нейман, Г. Голдстайн і А. Беркс у своїй спільній статті виклали нові принципи побудови та функціонування ЕОМ. У результаті основі цих принципів вироблялися перші два покоління комп'ютерів. У пізніших поколіннях відбувалися деякі зміни, хоча принципи Неймана є актуальними й сьогодні.

По суті, Нейману вдалося узагальнити наукові розробки та відкриття багатьох інших вчених та сформулювати на їх основі принципово нове.

Принципи фон Неймана

1. Використання двійкової системи числення в обчислювальних машинах . Перевага перед десятковою системоюобчислення полягає в тому, що пристрої можна робити досить простими, арифметичні та логічні операції у двійковій системі числення також виконуються досить просто.

2. Програмне управління ЕОМ. Робота ЕОМ контролюється програмою, що з набору команд. Команди виконуються послідовно один за одним. Створенням машини з програмою, що зберігається в пам'яті, було започатковано те, що ми сьогодні називаємо програмуванням.

3. Пам'ять комп'ютера використовується не тільки для зберігання даних, але і програм. У цьому команди програми та дані кодуються в двійковій системі числення, тобто. їх спосіб запису однаковий. Тому в певних ситуаціях над командами можна виконувати ті самі дії, що над даними.

4. Осередки пам'яті ЕОМ мають адреси, які послідовно пронумеровані. У будь-який момент можна звернутися до будь-якої комірки пам'яті на її адресу. Цей принцип відкрив можливість використовувати змінні у програмуванні.

5. Можливість умовного переходу у процесі виконання програми. Незважаючи на те, що команди виконуються послідовно, у програмах можна реалізувати можливість переходу до будь-якої ділянки коду.

6. Наявність пристроїв введення та виведення інформації. Саме ці пристрої є базовими і достатніми для роботи комп'ютера на рівні користувача.

7. Принцип відкритої архітектури- правила побудови комп'ютера, відповідно до яких кожен новий блокповинен бути сумісним зі старим і легко встановлюватись у тому ж місці в комп'ютері. У комп'ютері так само легко можна замінити старі блоки на нові, де б вони не розташовувалися, внаслідок чого робота комп'ютера не тільки не порушується, але стає більш продуктивною. Цей принцип дозволяє не викидати, а модернізувати раніше куплений комп'ютер, легко замінюючи в ньому застарілі блоки більш досконалі та зручні, а також купувати та встановлювати нові блоки. Причому у всіх роз'ємах для їх підключення є стандартними і не вимагають жодних змін у самій конструкції комп'ютера.

Найголовнішим наслідком цих принципів можна назвати те, що тепер програма вже не була постійною частиною машини (наприклад, у калькулятора). Програму можна було легко змінити. А ось апаратура, звичайно ж, залишається незмінною, і дуже простою.

Комп'ютер не є неподільним, цілісним об'єктом. Він складається з деякої кількості пристроїв. модулів.(Комплектувати свій комп'ютер із цих модулів користувач може за власним бажанням). Для кожного пристрою в комп'ютері є електронна схема, яка ним керує. Ця схема називається контролером, або адаптером. деякі контролери можуть керувати відразу кількома пристроями. Всі контролери та адаптери взаємодіють із процесором та оперативною пам'яттю через системну магістраль (набір електронних ліній. Шина - це кабель, що складається з безлічі проводів.

Магістраль забезпечує обмін даними між пристроями комп'ютера.

Магістраль складається із трьох частин:

1. Шина адреси,на якій встановлюється адреса необхідної комірки пам'яті або пристрою, з яким відбуватиметься обмін інформацією.

2. Шина даних, за якою передаватиметься необхідна інформація.

3. Шина керування, Що регулює цей процес. (По шині управління передаються сигнали, що визначають характер обміну інформацією по магістралі. Ці сигнали показують - яку операцію слід робити).

Для того, щоб комп'ютер функціонував правильно, необхідно, щоб усі його пристрої працювали дружно, розуміли один одного і не конфліктували. Це забезпечується завдяки однаковому інтерфейсу, який мають усі пристрої комп'ютера.
Інтерфейс – це засіб поєднання двох пристроїв, у якому всі фізичні та логічні параметри узгоджуються між собою.

Так як обмін даними між пристроями відбувається через магістраль, то для узгодження інтерфейсів всі зовнішні пристрої підключаються в шині безпосередньо, а через свої контролери (адаптери) і порти.

Порти бувають послідовні та паралельні. До послідовним портамприєднують повільно діючі або віддалені пристрої (миша, модем), а до паралельних швидше (сканер, принтер). Клавіатура та монітор приєднується до спеціалізованих портів.

Для того, щоб помилково або незнати не підключити пристрій до чужого порту, кожен пристрій має індивідуальну форму штекера, що не підходить до «чужого» роз'єму.

Інформація, представлена ​​у цифровій формі та оброблена на комп'ютері, називається даними.

Послідовність команд, яку виконує комп'ютер у процесі обробки даних, називається програмою.

Обробка даних на комп'ютері:

1. Користувач запускає програму, що зберігається в довгостроковій пам'яті, вона завантажується в оперативну та починає виконуватися.

2. Виконання: процесор зчитує команди та виконує їх. Необхідні дані завантажуються в оперативну пам'ять із довготривалої пам'яті або вводяться за допомогою пристроїв уведення.

3. Вихідні (отримані) дані записуються процесором в оперативну чи довготривалу пам'ять, і навіть надаються користувачеві з допомогою пристроїв виведення інформації.

Для забезпечення інформаційного обміну між різними пристроями має бути передбачено якусь магістраль для переміщення потоків інформації.

Магістраль (системна шина)включає три багаторозрядні шини: шину даних, шину адреси і шину управління, які являють собою багатопровідні лінії. До магістралі підключаються процесор та оперативна пам'ять, а також периферійні пристрої введення, виведення та зберігання інформації, які обмінюються інформацією машинною мовою (послідовностями нулів та одиниць у формі електричних імпульсів).

Шина даних.По цій шині дані передаються між різними пристроями. Наприклад, лічені з оперативної пам'ятідані можуть бути передані процесору для обробки, а потім отримані дані можуть бути відправлені назад до оперативної пам'яті для зберігання. Таким чином, дані по шині даних можуть передаватися від пристрою до пристрою в будь-якому напрямку, тобто шина є двонаправленою. До основних режимів роботи процесора з використанням шини даних можна віднести: запис/читання даних з оперативної пам'яті, запис/читання даних з зовнішньої пам'яті, читання даних із пристрою введення, пересилання даних на пристрій виведення.

Розрядність шини даних визначається розрядністю процесора, тобто кількістю двійкових розрядів, які можуть бути оброблені або передаватися процесором одночасно. Розрядність процесорів постійно збільшується з розвитком комп'ютерної техніки.

Шина адреси.Вибір пристрою або осередку пам'яті, куди пересилаються або звідки зчитуються дані по шині даних, робить процесор. Кожен пристрій або комірка оперативної пам'яті має свою адресу. Адреса передається по адресній шині, причому сигнали по ній передаються в одному напрямку - від процесора до оперативної пам'яті та пристроїв (односпрямована шина).

Розрядність шини адреси визначає обсяг пам'яті, що адресується (адресний простір), тобто кількість однобайтових осередків оперативної пам'яті, які можуть мати унікальні адреси.

Кількість адресованих осередків пам'яті можна розрахувати за такою формулою:

N = 2 I, де I - розрядність шини адреси.

Кожній шині відповідає свій адресний простір, тобто максимальний обсяг пам'яті, що адресується:

2 16 = 64 Кб

2 20 = 1 Мб

2 24 = 16 Мб

2 32 = 4 Гб

Шина керування. По шині управління передаються сигнали, що визначають характер обміну інформацією магістралі. Сигнали керування показують, яку операцію - зчитування або запис інформації з пам'яті потрібно виробляти, синхронізують обмін інформацією між пристроями і так далі.

Модульний принципдозволяє споживачеві самому комплектувати необхідну йому конфігурацію комп'ютера і робити за необхідності модернізацію. Кожна окрема функція комп'ютера реалізується одним або декількома модулями – конструктивно та функціонально закінчених електронних блоків у стандартному виконанні. Організація структури комп'ютера на модульній основі аналогічна до будівництва блочного будинку.

Магістрально-модульний принцип має низку переваг:

1. для роботи з зовнішніми пристроямивикористовуються самі команди процесора, що й роботи з пам'яттю.

2. підключення до магістралі додаткових пристроївне потребує змін у вже існуючих пристроях, процесорі, пам'яті.

3. змінюючи склад модулів можна змінювати потужність і призначення комп'ютера у його експлуатації.

В основу побудови переважної більшості комп'ютерів покладено наступні загальні принципи, сформульовані 1945 р. американським ученим Джоном фон Нейманом (Малюнок 8.5). Вперше ці принципи були опубліковані у його пропозиціях щодо машини EDVAC. Ця ЕОМ була однією з перших машин зі збереженою програмою, тобто. з програмою, запам'ятованою в пам'яті машини, а не зчитуваною з перфокарти або іншого пристрою.

Малюнок 9.5 - Джон фон Нейман, 1945

1. Принцип програмного управління . З нього випливає, що програма складається з набору команд, які виконуються процесором автоматично один за одним у певній послідовності.

Вибір програми з пам'яті здійснюється за допомогою лічильника команд. Цей регістр процесора послідовно збільшує адресу чергової команди, що зберігається в ньому, на довжину команди.

Оскільки команди програми розташовані в пам'яті один за одним, то цим організується вибірка ланцюжка команд з послідовно розташованих осередків пам'яті.

Якщо ж потрібно після виконання команди перейти не до наступної, а до якоїсь іншої комірки пам'яті, використовуються команди умовного або безумовного переходів, які заносять до лічильника команди номер комірки пам'яті, що містить наступну команду. Вибірка команд із пам'яті припиняється після досягнення та виконання команди “стоп”.

Таким чином процесор виконує програму автоматично, без втручання людини.

На думку Джона фон Неймана, комп'ютер повинен складатися з центрального арифметико-логічного устрою, центрального пристроюуправління, що запам'ятовує пристрої та пристрої введення-виведення інформації. Комп'ютер, на його думку, повинен працювати з двійковими числамибути електронним (а не електричним); виконувати операції послідовно.

Усі обчислення, запропоновані алгоритмом розв'язання задачі, мають бути представлені у вигляді програми, що складається з послідовності керуючих слів-команд. Кожна команда містить вказівки на конкретну операцію, місце знаходження (адреси) операндів і ряд службових ознак. Операнди – змінні, значення яких беруть участь в операціях перетворення даних. Список (масив) всіх змінних (вхідних даних, проміжних значень та результатів обчислень) є ще одним невід'ємним елементом будь-якої програми.

Для доступу до програм, команд та операндів використовуються їх адреси. Як адреси виступають номери осередків пам'яті ЕОМ, призначених для зберігання об'єктів. Інформація (командна та дані: числова, текстова, графічна тощо) кодується двійковими цифрами 0 та 1.

Тому різні типиінформації, розміщені в пам'яті ЕОМ, практично невиразні, ідентифікація їх можлива лише за виконання програми, згідно з її логікою, за контекстом.

2. Принцип однорідності пам'яті . Програми та дані зберігаються в одній і тій же пам'яті. Тому комп'ютер не розрізняє, що зберігається в цій клітинці пам'яті - число, текст чи команда. Над командами можна виконувати такі самі дії, як і над даними. Це відкриває цілу низку можливостей. Наприклад, програма в процесі свого виконання також може перероблятися, що дозволяє задавати в самій програмі правила отримання деяких її частин (так у програмі організується виконання циклів і підпрограм). Більше того, команди однієї програми можуть бути отримані як результати виконання іншої програми. На цьому принципі засновані методи трансляції - переклад тексту програми з мови програмування високого рівня на мову конкретної машини.

3. Принцип адресності . Структурно основна пам'ять складається з перенумерованих осередків; процесору в довільний момент часу доступна будь-яка комірка. Звідси можна давати імена областям пам'яті, щоб до запам'ятованим у яких значенням можна було згодом звертатися чи змінювати в процесі виконання програм з допомогою присвоєних імен.

Принципи фон-Неймана практично можна реалізувати безліччю різних способів. Тут наведемо два з них: ЕОМ з шиною та канальною організацією. Перед тим, як описати принципи функціонування ЕОМ, запровадимо кілька визначень.

Архітектурою комп'ютера називається його опис на деякому загальному рівні, що включає опис можливостей користувача програмування, системи команд, системи адресації, організації пам'яті і т.д. Архітектура визначає принципи дії, інформаційні зв'язки та взаємне з'єднання основних логічних вузлів комп'ютера: процесора, оперативного ЗУ, зовнішніх ЗУ та периферійних пристроїв. Спільність архітектури різних комп'ютерівзабезпечує їхню сумісність з погляду користувача.

Структура комп'ютера - це сукупність його функціональних елементів та зв'язків між ними. Елементами можуть бути різні пристрої - від основних логічних вузлів комп'ютера до найпростіших схем. Структура комп'ютера графічно представляється як структурних схем, за допомогою яких можна дати опис комп'ютера на будь-якому рівні деталізації.

Дуже часто вживається термін конфігурація ЕОМ , Під яким розуміється компонування обчислювального пристрою з чітким визначенням характеру, кількості, взаємозв'язків та основних характеристик його функціональних елементів. Термін « організація ЕОМ» визначає, як реалізовані можливості ЕОМ,

Команда – сукупність відомостей, необхідних процесорудля виконання певної дії під час виконання програми.

Команда складається з коду операції, містить вказівку на операцію, яку необхідно виконати, та кілька адресних полів, що містять вказівку на місці розташування операндів команди.

Спосіб обчислення адреси за інформацією, що міститься в адресному полі команди, називається режимом адресації. Безліч команд, реалізованих у цій ЕОМ, утворює її систему команд.

На побутовому рівні термін «архітектура» у більшості людей міцно асоціюється з різними будинками та іншими інженерними спорудами. Так, можна говорити про архітектуру готичного собору, Ейфелевої вежі чи оперного театру. В інших областях цей термін застосовується досить рідко, проте для комп'ютерів поняття «архітектура ЕОМ» (електронно-обчислювальна машина) вже міцно встоялося і широко використовується, починаючи з 70-х років минулого століття. Для того щоб розібратися в тому, як відбувається виконання програм, сценаріїв на комп'ютері, необхідно в першу чергу знати, як влаштована робота кожної з його складових. Основи вчення про архітектуру обчислювальних машин, що розглядаються на уроці, були закладені Джоном фон Нейманом. Більш детально про логічні вузли, а також про магістрально-модульний принцип архітектури сучасних персональних комп'ютерівможна буде дізнатися на цьому уроці.

Принципи, що лежать в основі архітектури ЕОМ, були сформульовані в 1945 Джоном фон Нейманом, який розвинув ідеї Чарльза Беббіджа, що представляв роботу комп'ютера як роботу сукупності пристроїв: обробки, управління, пам'яті, введення-виведення.

Принципи Неймана фону.

1. Принцип однорідності пам'яті. Над командами можна виконувати такі самі дії, як і над даними.

2. Принцип адресації пам'яті. Основна пам'ять структурно складається з пронумерованих осередків; процесору в довільний момент часу доступна будь-яка комірка. Звідси слід можливість давати імена областям пам'яті, так щоб до значень, що зберігаються в них, можна було б згодом звертатися або змінювати їх у процесі виконання програми з використанням присвоєних імен.

3. Принцип послідовного програмного управління. Передбачає, що програма складається з набору команд, які виконуються процесором автоматично один за одним у певній послідовності.

4. Принцип жорсткості архітектури. Незмінність у процесі роботи топології, архітектури, списку команд.

Комп'ютери, побудовані за принципами фон Неймана, мають класичну архітектуру, але, крім неї, існують інші типи архітектури. Наприклад, Гарвардська. Її відмітними ознаками є:

• сховище інструкцій та сховище даних є різними фізичними пристроями;
• канал інструкцій та канал даних також фізично розділені.

В історії розвитку обчислювальної технікиякісний стрибок відбувався кожні 10 років. Такий стрибок пов'язує з появою нового покоління ЕОМ. Ідея ділити машини з'явилася через те, що за час короткої історії свого розвитку комп'ютерна техніка зробила велику еволюцію як у сенсі елементної бази(Лампи, транзистори, мікросхеми та ін.), так і в сенсі зміни її структури, появи нових можливостей, розширення областей застосування та характеру використання. Докладніше все етапи розвитку ЕОМ показано на Мал. 2. Щоб зрозуміти, як і чому одне покоління змінювалося іншим, необхідно знати сенс таких понять, як пам'ять, швидкодія, ступінь інтеграції тощо.

Мал. 2. Покоління ЕОМ ()

Серед комп'ютерів не класичної, не фон Нейманівської архітектури, можна виділити так звані нейрокомп'ютери. Вони моделюється робота клітин мозку, нейронів, і навіть деяких відділів нервової системи, здатних до обміну сигналами.

Кожен логічний вузол комп'ютера виконує функції. Функції процесора(Мал. 3):

- обробка даних (виконання з них арифметичних і логічних операцій);

- керування іншими пристроями комп'ютера.

Мал. 3. Центральний процесор комп'ютера ()

Програма складається із окремих команд. Команда включає код операції, адреси операндів (величин, які беруть участь в операції) і адресу результату.

Виконання команди поділяється на такі етапи:

· вибірку команди;

• формування адреси наступної команди;
• декодування команди;
• обчислення адрес операндів;
• вибірку операндів;
• виконання операції;
• формування ознаки результату;
• запис результату.

Не всі з етапів присутні під час виконання будь-якої команди (залежить від типу команди), проте етапи вибірки, декодування, формування адреси наступної команди та виконання операції мають місце завжди. У певних ситуаціях можливі ще два етапи:

• непряма адресація;
• реакція на переривання.

Оперативна пам'ять(Мал. 4) влаштована наступним чином:

• прийом інформації з інших пристроїв;
• запам'ятовування інформації;
• передача інформації на запит до інших пристроїв комп'ютера.

Мал. 4. ОЗУ (Оперативний пристрій) комп'ютера ()

В основі архітектури сучасних ЕОМлежить магістрально-модульний принцип(Мал. 5). Модульний принцип дозволяє комплектувати потрібну конфігурацію та проводити необхідну модернізацію. Він спирається на принцип шини обміну інформацією між модулями. Системна шина або магістраль комп'ютера включає кілька шин різного призначення. Магістраль включає три багаторозрядні шини:

• шину даних;
• шину адреси;
• шину керування.

Мал. 5. Магістрально-модульний принцип побудови ПК

Шина даних використовується передачі різних даних між пристроями комп'ютера; шина адреси застосовується для адресації даних, що пересилаються, тобто для визначення їх розташування в пам'яті або в пристроях вводу/виводу; шина управління включає керуючі сигнали, які служать для тимчасового узгодження роботи різних пристроївкомп'ютера, визначення напрями передачі, визначення форматів переданих даних тощо.

Такий принцип справедливий для різних комп'ютерів, які можна умовно поділити на три групи:

• стаціонарні;
• компактні (ноутбуки, нетбуки тощо);
• кишенькові (смартфони та ін.).

У системному блоці стаціонарного комп'ютера або в компактному корпусі знаходяться основні логічні вузли - це материнська платаз процесором, блок живлення, накопичувачі зовнішньої пам'яті і т.д.

Список літератури

1. Босова Л.Л. Інформатика та ІКТ: Підручник для 8 класу. - М: БІНОМ. Лабораторія знань, 2012

2. Босова Л.Л. Інформатика: Робочий зошит для 8 класу. - М: БІНОМ. Лабораторія знань, 2010

3. Астаф'єва Н.Є., Ракітіна Є.А., Інформатика у схемах. - М: БІНОМ. Лабораторія знань, 2010

4. Танненбаум Еге. Архітектура комп'ютера. - 5-те вид. – СПб.: Пітер, 2007. – 844 с.

1. Інтернет портал «Всі поради» ()

2. Інтернет портал "Електронна енциклопедія "Комп'ютер"" ()

3. Інтернет портал «apparatnoe.narod.ru» ()

Домашнє завдання

1. Глава 2, §2.1, 2.2. Босова Л.Л. Інформатика та ІКТ: Підручник для 8 класу. - М: БІНОМ. Лабораторія знань, 2012

2. Як розшифровується абревіатура ЕОМ?

3. Що означає термін «Архітектура комп'ютера»?

4. Ким було сформульовано основні засади, що у основі архітектури ЕОМ?

5. На чому ґрунтується архітектура сучасних ЕОМ?

6. Назвіть основні функції центрального процесората оперативної пам'яті ПК.