Arvuti arhitektuur John von Neumann. Arvuti moodustamise põhimõtted. John von Neumanni põhimõtted. arvutipõlvkond 5.3 mida tähendab von Neumanni arhitektuuriprintsiip?

Von Neumanni põhimõtted (Von Neumanni arhitektuur)

Arvuti arhitektuur

1946. aastal tõid D. von Neumann, G. Goldstein ja A. Berks oma ühises artiklis välja uued arvutite ehituse ja tööpõhimõtted. Seejärel toodeti nende põhimõtete alusel kaks esimest arvutipõlvkonda. Hilisemates põlvkondades on toimunud mõningaid muutusi, kuigi Neumanni põhimõtted on aktuaalsed ka tänapäeval.

Tegelikult suutis Neumann võtta kokku paljude teiste teadlaste teadusarengud ja avastused ning sõnastada nende põhjal midagi põhimõtteliselt uut.

Von Neumanni põhimõtted

Kahendarvusüsteemi kasutamine arvutites. Eeliseks kümnendarvusüsteemi ees on see, et seadmeid saab teha üsna lihtsaks ning ka aritmeetilisi ja loogilisi tehteid kahendarvusüsteemis tehakse üsna lihtsalt.

Arvutitarkvara juhtimine. Arvuti tööd juhib programm, mis koosneb käskude komplektist. Käsud täidetakse järjestikku üksteise järel. Salvestatud programmiga masina loomine sai alguse sellest, mida me tänapäeval nimetame programmeerimiseks.

Arvutimälu kasutatakse mitte ainult andmete, vaid ka programmide salvestamiseks.. Sel juhul kodeeritakse nii programmikäsud kui ka andmed kahendarvusüsteemis, s.t. nende salvestusmeetod on sama. Seetõttu saate teatud olukordades teha käskudega samu toiminguid kui andmetega.

Arvuti mälurakkudel on aadressid, mis on järjestikku nummerdatud. Igal ajal pääsete juurde igale mäluelemendile selle aadressi järgi. See põhimõte avas võimaluse kasutada programmeerimisel muutujaid.

Tingimusliku hüppe võimalus programmi täitmisel. Hoolimata asjaolust, et käske täidetakse järjestikku, saavad programmid rakendada võimalust hüpata mis tahes koodiosale.

Nende põhimõtete kõige olulisem tagajärg on see, et nüüd ei olnud programm enam masina alaline osa (nagu näiteks kalkulaator). Programmi sai võimalikuks lihtsalt muuta. Kuid varustus jääb loomulikult muutumatuks ja väga lihtsaks.

Võrdluseks, ENIAC arvuti programm (millel ei olnud salvestatud programmi) määrati paneelil olevate spetsiaalsete hüppajate abil. Masina ümberprogrammeerimiseks võib kuluda rohkem kui üks päev (seadke džemprid erinevalt). Ja kuigi tänapäevaste arvutite jaoks mõeldud programmide kirjutamine võib võtta aastaid, töötavad need pärast mõneminutilist kõvakettale installimist miljonites arvutites.

Kuidas von Neumanni masin töötab?

Von Neumanni masin koosneb salvestusseadmest (mälust) - mälust, aritmeetika-loogilisest ühikust - ALU, juhtseadmest - CU, samuti sisend- ja väljundseadmetest.

Programmid ja andmed sisestatakse mällu sisendseadmest läbi aritmeetilise loogikaüksuse. Kõik programmikäsud kirjutatakse külgnevatesse mälurakkudesse ja töötlemiseks mõeldud andmed võivad olla suvalistes lahtrites. Iga programmi puhul peab viimane käsk olema väljalülituskäsk.

Käsk koosneb märguandest, millist toimingut teha (antud riistvara võimalikest operatsioonidest) ja mälurakkude aadressidest, kuhu salvestatakse andmed, millele määratud toiming teha, ning lahtri aadressist kuhu tuleks tulemus kirjutada (kui see on vaja mällu salvestada).

Aritmeetiline loogikaüksus sooritab määratud andmetega juhistega määratud toiminguid.

Aritmeetilisest loogikast väljastatakse tulemused mällu või väljundseadmesse. Põhiline erinevus mälu ja väljundseadme vahel seisneb selles, et mällu salvestatakse andmed arvutile töötlemiseks mugaval kujul ning need saadetakse väljundseadmetesse (printer, monitor jne) mugaval viisil. inimese jaoks.

Juhtplokk juhib kõiki arvuti osi. Juhtseadmelt saavad teised seadmed signaale “mida teha” ja teistelt seadmetelt saab juhtseade teavet nende oleku kohta.

Juhtseade sisaldab spetsiaalset registrit (lahtrit), mida nimetatakse programmiloenduriks. Pärast programmi ja andmete mällu laadimist kirjutatakse programmi loendurisse programmi esimese käsu aadress. Juhtseade loeb mälust mäluelemendi sisu, mille aadress on programmiloenduris, ja asetab selle spetsiaalsesse seadmesse - "Käsuregistrisse". Juhtplokk määrab käsu toimimise, “märgib” mällu andmed, mille aadressid on käsus määratud, ja juhib käsu täitmist. Toimingu teostab ALU või arvuti riistvara.

Mis tahes käsu täitmise tulemusena muutub programmiloendur ühe võrra ja osutab seega programmi järgmisele käsule. Kui on vaja täita käsk, mis ei ole praeguse käsu kõrval, vaid on antud käsust teatud arvu aadressidega eraldatud, siis sisaldab spetsiaalne hüppekäsk selle lahtri aadressi, kuhu tuleb juhtimine üle kanda. .

Von Neumanni põhimõtted[redigeeri | redigeeri lähteteksti]

Mälu homogeensuse põhimõte

Käsud ja andmed salvestatakse samasse mällu ja need on mälus väliselt eristamatud. Neid saab ära tunda ainult kasutusviisi järgi; see tähendab, et sama väärtust mälulahtris saab kasutada andmetena, käsuna ja aadressina, olenevalt ainult juurdepääsu viisist. See võimaldab teil käskudega teha samu toiminguid kui numbritega ja avab vastavalt mitmeid võimalusi. Seega on käsu aadressiosa tsükliliselt muutes võimalik ligi pääseda andmemassiivi järjestikustele elementidele. Seda tehnikat nimetatakse käskude muutmiseks ja see pole tänapäevase programmeerimise seisukohast soovitatav. Kasulikum on homogeensuse põhimõtte teine tagajärg, kui ühest programmist saab käske saada teise programmi täitmise tulemusena. See võimalus on tõlkimise aluseks - programmi teksti tõlkimine kõrgetasemelisest keelest konkreetse arvuti keelde.

Sihtimispõhimõte

Struktuuriliselt koosneb põhimälu nummerdatud rakkudest ja mis tahes rakk on protsessorile igal ajal saadaval. Käskude ja andmete binaarsed koodid jagatakse infoühikuteks, mida nimetatakse sõnadeks ja salvestatakse mälurakkudesse ning neile ligi pääsemiseks kasutatakse vastavate lahtrite numbreid - aadresse.

Programmi juhtimise põhimõte

Kõik ülesande lahendamise algoritmis ette nähtud arvutused tuleb esitada programmi kujul, mis koosneb juhtsõnade - käskude jadast. Iga käsk määrab mõne toimingu arvutis rakendatud toimingute komplektist. Programmikäsud salvestatakse arvuti järjestikustesse mälurakkudesse ja neid täidetakse loomulikus järjestuses, st nende asukoha järjekorras. Vajadusel saab seda järjestust spetsiaalsete käskude abil muuta. Programmi käskude täitmise järjekorra muutmise otsus tehakse kas eelnevate arvutuste tulemuste analüüsi põhjal või tingimusteta.

Binaarse kodeerimise põhimõte

Selle põhimõtte kohaselt kodeeritakse kogu informatsioon, nii andmed kui ka käsud, kahendnumbritega 0 ja 1. Igat tüüpi infot esindab binaarjada ja sellel on oma formaat. Bitide jada vormingus, millel on kindel tähendus, nimetatakse väljaks. Numbrilises teabes on tavaliselt märgiväli ja oluliste numbrite väli. Käsuvormingus saab eristada kahte välja: operatsioonikoodi väli ja aadresside väli.

Teine tõeliselt revolutsiooniline idee, mille olulisust on raske üle hinnata, on Neumanni pakutud “salvestatud programmi” põhimõte. Algselt pandi programm paika, paigaldades spetsiaalsele plaastripaneelile džemprid. See oli väga töömahukas ülesanne: näiteks ENIAC-masina programmi muutmiseks kulus mitu päeva (samas arvutus ise ei saanud kesta kauem kui paar minutit - lambid ebaõnnestusid). Neumann mõistis esimesena, et programmi saab salvestada ka nullide ja ühtede jadana, samasse mällu, kus arvud, mida see töötles. Programmi ja andmete põhimõttelise erinevuse puudumine võimaldas arvutil vastavalt arvutuste tulemustele endale programmi koostada.

Von Neumann ei esitanud mitte ainult arvuti loogilise struktuuri aluspõhimõtteid, vaid pakkus välja ka selle struktuuri, mida reprodutseeriti arvutite kahe esimese põlvkonna jooksul. Põhiplokkideks on Neumanni järgi juhtplokk (CU) ja aritmeetika-loogiline üksus (ALU) (tavaliselt kombineeritud keskprotsessoriks), mälu, välismälu, sisend- ja väljundseadmed. Sellise arvuti konstruktsiooniskeem on näidatud joonisel fig. 1. Tuleb märkida, et välismälu erineb sisend- ja väljundseadmetest selle poolest, et sinna sisestatakse andmed arvutile mugaval, kuid inimesele otseseks tajumiseks kättesaamatud kujul. Seega viitab magnetkettaseade välismälule ja klaviatuur on sisendseade, kuvar ja printimine on väljundseadmed.

Riis. 1. Von Neumanni põhimõtetele üles ehitatud arvutiarhitektuur. Pidevad jooned nooltega näitavad infovoogude suunda, punktiirjooned näitavad juhtsignaale protsessorist teistesse arvutisõlmedesse

Juhtseade ja aritmeetika-loogiline üksus on kaasaegsetes arvutites ühendatud üheks üksuseks - protsessoriks, mis on mälust ja välisseadmetest tuleva teabe muundur (see hõlmab käskude otsimist mälust, kodeerimist ja dekodeerimist, mitmesuguste, sealhulgas aritmeetikate sooritamist , toimingud, arvutisõlmede töö koordineerimine). Protsessori funktsioone käsitletakse üksikasjalikumalt allpool.

Mälu (mälu) salvestab teavet (andmeid) ja programme. Kaasaegsete arvutite salvestusseade on “mitmekihiline” ja sisaldab muutmälu (RAM), mis salvestab informatsiooni, millega arvuti antud ajahetkel vahetult töötab (käivitatav programm, osa selleks vajalikest andmetest, osa juhtimisprogrammid) ja välised salvestusseadmed (ESD). ) palju suurem kui RAM. kuid oluliselt aeglasema juurdepääsuga (ja oluliselt madalama hinnaga salvestatud teabe 1 baidi kohta). Mäluseadmete klassifikatsioon ei lõpe RAM-i ja VRAM-iga – teatud funktsioone täidavad nii SRAM (super-random access memory), ROM (kirjutuskaitstud mälu) kui ka muud arvutimälu alamtüübid.

Kirjeldatud skeemi järgi ehitatud arvutis loetakse käsud järjestikku mälust ja täidetakse. Järgmise mälulahtri number (aadress). millest järgmine programmikäsk ekstraheeritakse, näitab spetsiaalne seade - juhtploki käsuloendur. Selle olemasolu on ka kõnealuse arhitektuuri üks iseloomulikke tunnuseid.

Von Neumanni välja töötatud arvutusseadmete arhitektuuri põhialused osutusid nii põhjapanevaks, et said kirjanduses nimetuse “von Neumann arhitektuur”. Valdav enamus tänapäeval kasutatavatest arvutitest on Neumanni masinad. Ainsad erandid on teatud tüüpi paralleelarvutussüsteemid, milles puudub programmiloendur, klassikaline muutuja kontseptsioon ei ole rakendatud ja on muid olulisi põhimõttelisi erinevusi klassikalisest mudelist (näiteks voogedastus- ja redutseerimisarvutid).

Ilmselt ilmneb märkimisväärne kõrvalekalle von Neumanni arhitektuurist viienda põlvkonna masinate idee väljatöötamise tulemusena, milles teabetöötlus ei põhine mitte arvutustel, vaid loogilistel järeldustel.

Tänapäeval on seda raske uskuda, kuid arvutid, ilma milleta paljud enam oma elu ette ei kujuta, ilmusid alles umbes 70 aastat tagasi. Üks neist, kes andis nende loomisele otsustava panuse, oli Ameerika teadlane John von Neumann. Ta pakkus välja põhimõtted, mille alusel enamik arvuteid töötab tänapäevani. Vaatame, kuidas von Neumanni masin töötab.

Lühike elulooline teave

Janos Neumann sündis 1930. aastal Budapestis väga jõukas juudi perekonnas, millel õnnestus hiljem omandada aadlitiitel. Alates lapsepõlvest eristasid teda silmapaistvad võimed kõigil aladel. 23-aastaselt oli Neumann juba kaitsnud doktoritöö eksperimentaalfüüsika ja keemia alal. 1930. aastal kutsuti noor teadlane tööle USA-sse ja samal ajal sai Neumannist üks esimesi Instituudi, kus ta töötas kuni elu lõpuni professorina, töötajaid. Neumanni teaduslikud huvid olid üsna ulatuslikud. Eelkõige on ta üks kvantmehaanika aparaadi ja rakuautomaatide kontseptsiooni loojatest.

Kaastööd arvutiteadusesse

Enne kui uurime välja, millisele põhimõttele von Neumanni arhitektuur ei vasta, on huvitav teada, kuidas tuli teadlasel idee luua kaasaegset tüüpi arvutusmasin.

Plahvatuste ja lööklainete matemaatika ekspert von Neumann töötas 1940. aastate alguses teadusliku konsultandina ühes Ameerika Ühendriikide armee lahingumoona uurimise laboris. 1943. aasta sügisel saabus ta selle juhi isiklikul kutsel Los Alamosesse, et osaleda Manhattani projekti väljatöötamises, ta sai ülesandeks arvutada aatomipommilaengu kokkusurumise jõud kriitilise massini. Selle lahendamiseks oli vaja suuri arvutusi, mis algul tehti käsikalkulaatoritega ja hiljem IBMi mehaaniliste tabulaatoritega, kasutades perfokaarte.

Tutvusin infoga elektroonika-mehaaniliste ja täiselektrooniliste arvutite loomise edenemise kohta. Peagi osales ta arvutite EDVAC ja ENIAC väljatöötamises, mille tulemusena kirjutas ta lõpetamata esimese aruande mustandi EDVAC kohta, milles ta tutvustas teadusringkondadele täiesti uut ideed sellest, milline peaks olema arvutiarhitektuur.

Von Neumanni põhimõtted

Arvutiteadus kui teadus oli jõudnud 1945. aastaks ummikusse, kuna töödeldud numbrid salvestasid kõik oma mällu 10. vormis ning toimingute sooritamise programme täpsustati lülituskilbile hüppajate paigaldamisega.

See piiras oluliselt arvutite võimalusi. Tõeline läbimurre oli von Neumanni põhimõtted. Neid saab lühidalt väljendada ühe lausega: üleminek kahendarvusüsteemile ja salvestatud programmi põhimõte.

Analüüs

Mõelgem üksikasjalikumalt, millistel põhimõtetel põhineb von Neumanni masina klassikaline struktuur:

1. Üleminek kümnendsüsteemilt kahendsüsteemile

See Neumanni arhitektuuri põhimõte võimaldab kasutada üsna lihtsaid loogikaseadmeid.

2. Elektroonilise arvuti tarkvara juhtimine

Arvuti tööd juhib käskude komplekt, mida täidetakse järjestikku üksteise järel. Esimeste mällu salvestatud programmiga masinate väljatöötamine tähistas kaasaegse programmeerimise algust.

3. Andmed ja programmid salvestatakse koos arvuti mällu

Samas on nii andmete kui ka programmikäskude kirjutamise viis kahendarvusüsteemis sama, mistõttu on teatud olukordades võimalik teha nendega samu toiminguid, mis andmetega.

Tagajärjed

Lisaks on Fonneymani masina arhitektuuril järgmised omadused:

1. Mälu lahtritel on aadressid, mis on järjestikku nummerdatud

Tänu selle põhimõtte rakendamisele sai võimalikuks muutujate kasutamine programmeerimisel. Eelkõige pääsete igal ajal konkreetsele mäluelemendile juurde selle aadressi järgi.

2. Tingimusliku hüppe võimalus programmi täitmisel

Nagu juba mainitud, tuleb programmide käsud täita järjestikku. Siiski on võimalik hüpata koodi mis tahes jaotisesse.

Kuidas von Neumanni masin töötab?

Selline matemaatiline mudel koosneb salvestusruumist (mälust), juhtseadmest ning sisend- ja väljundseadmetest. Kõik programmikäsud kirjutatakse lähedal asuvatesse mälurakkudesse ja nende töötlemiseks vajalikud andmed on suvalistes lahtrites.

Iga meeskond peab koosnema:

viited selle kohta, millist operatsiooni tuleb teha;
mälurakkude aadressid, kuhu salvestatakse määratud toiminguga mõjutatud lähteandmed;
lahtrite aadressid, kuhu tulemus tuleks kirjutada.

Konkreetsete lähteandmetega käskudega määratud toimingud teostab ALU ja tulemused salvestatakse mälurakkudesse, st salvestatakse hilisemaks masintöötluseks sobival kujul või edastatakse väljundseadmesse (monitor, printer, jne) ja muutuvad inimestele kättesaadavaks.

Juhtplokk juhib kõiki arvuti osi. Sellelt saavad teised seadmed signaale-korraldusi “mida teha” ja teistelt seadmetelt infot selle kohta, mis olekus need on.

Juhtseadmel on spetsiaalne register, mida nimetatakse programmiloenduriks SK. Pärast lähteandmete ja programmi mällu laadimist kirjutatakse CS-i selle 1. käsu aadress. Juhtplokk loeb arvuti mälust selle lahtri sisu, mille aadress on IC-s ja paigutab selle “käskude registrisse”. Juhtseade määrab konkreetsele käsule vastava toimingu ja “märgib” arvuti mällu andmed, mille aadressid on selles märgitud. Järgmisena hakkab ALU või arvuti täitma toimingut, mille lõpetamisel muutub CS sisu ühe võrra, st osutab järgmisele käsule.

Kriitika

Puudujääkide ja praeguste väljavaadete üle vaieldakse jätkuvalt. Asjaolu, et selle silmapaistva teadlase põhimõtetel loodud masinad ei ole täiuslikud, märgati väga kaua aega tagasi.

Seetõttu võib arvutiteaduse eksamitöödes sageli leida küsimuse „millisele põhimõttele von Neumanni arhitektuur ei vasta ja millised puudused sellel on?

Teisele osale vastates märkige kindlasti:

semantilise lõhe olemasolu kõrgetasemeliste programmeerimiskeelte ja käsusüsteemide vahel;
OP ja protsessori läbilaskevõime sobitamise probleemi kohta;
tekkivale tarkvarakriisile, mille põhjuseks on asjaolu, et selle loomise kulud on palju väiksemad kui riistvara arendamise kulud ja programmi täielikuks testimiseks puudub võimalus;
väljavaadete puudumine tulemuslikkuse osas, kuna selle teoreetiline piir on juba saavutatud.

Mis põhimõttele von Neumanni arhitektuur ei vasta, räägime mitmeprotsessorilisele arhitektuurile iseloomulikust suure hulga andmevoogude ja käskude paralleelsest korraldamisest.

Järeldus

Nüüd teate, millisele põhimõttele von Neumanni arhitektuur ei vasta. On ilmselge, et teadus ja tehnika ei seisa paigal ning võib-olla ilmub õige pea igasse koju täiesti uut tüüpi arvuti, tänu millele jõuab inimkond uuele arengutasemele. Muide, koolitusprogramm “Von Neumann Architecture” aitab teil eksamiks valmistuda. Sellised digitaalsed õpperessursid muudavad materjali õppimise lihtsamaks ja annavad võimaluse oma teadmisi hinnata.

Arvuti arhitektuur ja von Neumanni põhimõtted

Mõistet "arhitektuur" kasutatakse arvuti peamiste loogiliste sõlmede tööpõhimõtte, konfiguratsiooni ja omavaheliste ühenduste kirjeldamiseks. Arhitektuur on mitmetasandiline riist- ja tarkvara hierarhia, millest arvuti on ehitatud.

Arvutiarhitektuuri doktriini aluse pani väljapaistev Ameerika matemaatik John von Neumann. Esimene Eniaki arvuti loodi USA-s 1946. Loojate gruppi kuulusid von Neumann, kes soovitas arvuti ehitamise põhiprintsiibid: üleminek kahendarvusüsteemile teabe esitamiseks ja salvestatud programmi põhimõte.

Tehti ettepanek paigutada arvutusprogramm arvuti salvestusseadmesse, mis tagaks käskude automaatse täitmise ja sellest tulenevalt suurendaks arvuti kiirust. (Meenutagem, et varem salvestasid kõik arvutid töödeldud numbreid kümnendvormingus ning programme täpsustati spetsiaalsele patch-paneelile hüppajate paigaldamisega.) Neumann arvas esimesena, et programmi saab salvestada ka nullide ja ühtede komplektina ning sama mälu kui ja arvud, mida see töötleb.

Arvuti ehitamise põhiprintsiibid:

1. Iga arvuti koosneb kolmest põhikomponendist: protsessorist, mälust ja seadmest. sisend-väljund (I/O).

2. Teave, millega arvuti töötab, jaguneb kahte tüüpi:

töötlemiskäskude (programmide) komplekt; töödeldavad andmed.

3. Nii käsud kui ka andmed sisestatakse mällu (RAM) – salvestatud programmi põhimõte .

4. Töötlemist juhib protsessor, mille juhtplokk (CU) valib RAM-ist käsud ja korraldab nende täitmise ning aritmeetika-loogiline üksus (ALU) teeb andmetega aritmeetilisi ja loogilisi toiminguid.

5. Sisend/väljundseadmed (I/O) on ühendatud protsessori ja RAM-iga.

Von Neumann ei esitanud mitte ainult arvutite loogilise struktuuri aluspõhimõtteid, vaid pakkus välja ka struktuuri, mida reprodutseeriti arvutite kahe esimese põlvkonna jooksul.

Väline salvestusseade (ESD)

Riis. 1. Arvuti arhitektuur Vormi lõpp,

Muutmälu (RAM)

põhimõtetele üles ehitatud

von Neumann

- infovoogude suund; - juhtsignaalide suund protsessorist teistesse arvutisõlmedesse

Von Neumanni välja töötatud arvutusseadmete arhitektuuri põhialused osutusid nii põhjapanevaks, et said kirjanduses nimetuse “von Neumann arhitektuur”. Valdav enamus VM-idest on tänapäeval sellised von Neumanni masinad.

Kolmanda põlvkonna arvutite ilmumine oli tingitud üleminekust transistoridelt integraallülitustele, mis tõi kaasa protsessori kiiruse tõusu. Nüüd oli protsessor sunnitud aeglasematelt sisend/väljundseadmetelt infot oodates tühikäigul seisma ja see vähendas kogu arvuti efektiivsust tervikuna. Selle probleemi lahendamiseks loodi spetsiaalsed ahelad välisseadmete töö juhtimiseks või lihtsalt kontrollerid.

Kaasaegsete personaalarvutite arhitektuur põhineb selgroog-modulaarne põhimõte. Infosuhtlus arvutiseadmete vahel toimub läbi süsteemisiin(teine nimi on süsteemi kiirtee).

Siin on kaabel, mis koosneb paljudest juhtidest. Üks rühm dirigente - andmesiin töödeldud teave edastatakse, teisalt - aadressibuss- mälu või välisseadmete aadressid, millele protsessor ligi pääseb. Kiirtee kolmas osa - juhtbuss, selle kaudu edastatakse juhtsignaale (näiteks signaal, et seade on töövalmis, signaal seadme töö alustamiseks jne).

Kuidas süsteemisiin töötab? Oleme juba öelnud, et üks ja null bitti eksisteerivad ainult programmeerijate peades. Protsessori jaoks on reaalsed ainult pinged selle kontaktidel. Iga viik vastab ühele bitile ja protsessor peab eristama ainult kahte pingetaset: jah/ei, kõrge/madal. Seetõttu on protsessori aadress pingete jada spetsiaalsetel kontaktidel, mida nimetatakse aadressi siiniks. Võite ette kujutada, et pärast aadressisiini kontaktidele pingete seadistamist ilmuvad andmesiini kontaktidele pinged, mis kodeerivad määratud aadressile salvestatud numbri. See pilt on väga konarlik, sest andmete mälust toomine võtab aega. Segaduste vältimiseks juhib protsessori tööd spetsiaalne kellageneraator. See toodab impulsse, mis jagavad protsessori töö eraldi sammudeks. Protsessori aja ühik on üks takttsükkel, see tähendab intervall kella generaatori kahe impulsi vahel.

Protsessori aadressi siinile ilmuvaid pingeid nimetatakse füüsiliseks aadressiks. Reaalrežiimis töötab protsessor ainult füüsiliste aadressidega. Vastupidi, protsessori kaitstud režiim on huvitav, kuna programm töötab loogiliste aadressidega ja protsessor muudab need nähtamatult füüsilisteks. Windowsi süsteem kasutab protsessori jaoks kaitstud režiimi. Kaasaegsed operatsioonisüsteemid ja programmid nõuavad nii palju mälu, et protsessori kaitstud režiim on muutunud palju "reaalsemaks" kui selle tegelik režiim.

Süsteemsiini iseloomustatakse kella sagedus ja biti sügavus. Nimetatakse siinil samaaegselt edastatud bittide arvu bussi laius. Kella sagedus iseloomustab elementaarsete andmeedastusoperatsioonide arvu 1 sekundi jooksul. Siini laiust mõõdetakse bittides, taktsagedust megahertsides.

Protsessorilt teistele seadmetele andmesiini kaudu edastatava teabega on kaasas aadress edastatakse aadressi siini kaudu. See võib olla mäluelemendi aadress või välisseadme aadress. On vajalik, et siini laius võimaldaks mäluelemendi aadressi edastamist. Seega piirab siini laius sõnades arvuti RAM-i hulka, see ei saa olla suurem kui , kus n on siini laius. On oluline, et kõigi siiniga ühendatud seadmete jõudlus oleks ühtlane. Ei ole mõistlik omada kiiret protsessorit ja aeglast mälu või kiiret protsessorit ja mälu, vaid aeglast kõvaketast.

Riis. 2. Selgroo põhimõttel ehitatud arvuti skeem

Kaasaegsetes arvutites on see rakendatud avatud arhitektuuri põhimõte, võimaldades kasutajal vajaliku arvutikonfiguratsiooni kokku panna ja vajadusel uuendada.

Seadistamine Arvuti viitab tegelikule arvutikomponentide kogumile, millest arvuti koosneb. Avatud arhitektuuri põhimõte võimaldab muuta arvutiseadmete koostist. Infokiirteega saab ühendada täiendavaid välisseadmeid ning osa seadmemudeleid saab asendada teistega.

Välisseadme riistvaraühendus selgrooga füüsilisel tasandil toimub spetsiaalse ploki kaudu - kontroller(muud nimetused - adapter, tahvel, kaart). Kontrollerite paigaldamiseks emaplaadile on spetsiaalsed pistikud - teenindusajad.

Välisseadme töö tarkvara juhtimine toimub programmi kaudu - autojuht, mis on operatsioonisüsteemi komponent. Kuna arvutisse saab installida tohutult erinevaid seadmeid, on igal seadmel tavaliselt kaasas draiver, mis suhtleb selle seadmega otse.

Arvuti suhtleb välisseadmetega läbi sadamad– spetsiaalsed konnektorid arvuti tagapaneelil. Eristama järjestikused Ja paralleelselt sadamad. Jadaporte (COM-porte) kasutatakse manipulaatorite, modemi ühendamiseks ja väikese teabe edastamiseks pikkade vahemaade taha. Paralleelseid (LPT - porte) kasutatakse printerite, skannerite ühendamiseks ja suurte teabekoguste edastamiseks lühikestel vahemaadel. Viimasel ajal on laialt levinud universaalsed jadapordid (USB), millega saab ühendada erinevaid seadmeid.

Riiklik õppeasutus

Tjumeni piirkonna kõrgharidus

TÜUMENI RIIKLIK AKADEEMIA

MAAILMA MAJANDUS, JUHTIMINE JA ÕIGUS

matemaatika ja informaatika osakond

distsipliini järgi

"ARVUTUSÜSTEEMID, VÕRGUD JA TELEKOMMUNIKATSIOON"

"VON NEUMANNI PÕHIMÕTTED"

1. Sissejuhatus………………………………………………………………..2

2. John von Neumanni arhitektuuri põhiprintsiibid……………….3

3. Arvuti struktuur…………………………………………………………3

4. John von Neumanni masin töötab…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

5. Järeldus…………………………………………………………………6

Viited……………………………………………………………8

Sissejuhatus

Alates 60ndate keskpaigast on lähenemine arvutite loomisele suuresti muutunud. Riist- ja tarkvara arendamise asemel hakati projekteerima süsteemi, mis koosneb riist- ja tarkvara sünteesist. Samal ajal kerkis esile interaktsiooni mõiste. Nii tekkis uus kontseptsioon – arvutiarhitektuur.

Arvutiarhitektuuri mõistetakse tavaliselt riist- ja tarkvara ning nende põhiomaduste organiseerimise üldpõhimõtete kogumina, mis määrab arvuti funktsionaalsuse asjakohast tüüpi probleemide lahendamisel.

Arvutiarhitektuur hõlmab suurt hulka probleeme, mis on seotud riist- ja tarkvarakompleksi loomisega ning võttes arvesse paljusid määravaid tegureid. Nende tegurite hulgas on peamised järgmised: maksumus, rakendusala, funktsionaalsus, kasutusmugavus ja riistvara peetakse arhitektuuri üheks peamiseks komponendiks.

Arvutustööriista arhitektuuri tuleb eristada struktuurist, kuna arvutustööriista struktuur määrab teatud detailsusastmel selle praeguse koostise ja kirjeldab tööriistasiseseid seoseid. Arhitektuur määrab arvutustööriista komponentide koostoime põhireeglid, mille kirjeldus viiakse läbi interaktsioonireeglite moodustamiseks vajalikus ulatuses. See ei loo kõiki ühendusi, vaid ainult kõige vajalikumaid, mida kasutatava tööriista pädevamaks kasutamiseks peab teadma.

Seega ei huvita arvutikasutaja, millistest elementidest elektroonikalülitused on tehtud, kas käske täidetakse vooluringi või programmiga jms. Arvutiarhitektuur peegeldab tõeliselt mitmeid probleeme, mis on seotud arvutite ja nende tarkvara üldise projekteerimise ja ehitamisega.

Arvuti arhitektuur sisaldab nii arvuti ja tarkvara koostist kajastavat struktuuri kui ka matemaatilist tuge. Arvuti struktuur on elementide ja nendevaheliste ühenduste kogum. Kõigi kaasaegsete arvutite ehitamise põhiprintsiip on programmijuhtimine.

Arvutiarhitektuuri doktriini aluse pani John von Neumann. Nende põhimõtete kombinatsioonist sündis klassikaline (von Neumann) arvutiarhitektuur.

John von Neumanni arhitektuuri põhiprintsiibid

John von Neumann (1903 - 1957) oli Ameerika matemaatik, kes andis suure panuse esimeste arvutite loomisesse ja nende kasutamise meetodite väljatöötamisse. Just tema pani aluse arvutiarhitektuuri doktriinile, ühinedes maailma esimese torupõhise arvuti ENIAC loomisega 1944. aastal, kui selle disain oli juba valitud. Töö käigus, arvukate arutelude käigus oma kolleegide G. Goldsteini ja A. Berksiga, väljendas John von Neumann ideed põhimõtteliselt uuest arvutist. 1946. aastal kirjeldasid teadlased oma arvutite ehitamise põhimõtteid nüüdseks klassikalises artiklis "Elektroonilise andmetöötlusseadme loogilise disaini esialgne kaalutlus". Sellest ajast on möödunud rohkem kui pool sajandit, kuid selles esitatud sätted on endiselt aktuaalsed.

Artikkel põhjendab veenvalt kahendsüsteemi kasutamist arvude esitamiseks, kuna varem salvestasid kõik arvutid töödeldud numbreid kümnendvormingus. Autorid demonstreerisid binaarsüsteemi eeliseid tehniliseks teostuseks, selles aritmeetiliste ja loogiliste toimingute sooritamise mugavust ja lihtsust. Hiljem hakkasid arvutid töötlema mittenumbrilist tüüpi teavet – teksti, graafikat, heli ja muud, kuid binaarandmete kodeerimine moodustab endiselt iga kaasaegse arvuti teabebaasi.

Teine revolutsiooniline idee, mille olulisust on raske üle hinnata, on Neumanni pakutud “salvestatud programmi” põhimõte. Algselt pandi programm paika, paigaldades spetsiaalsele plaastripaneelile džemprid. See oli väga töömahukas ülesanne: näiteks ENIAC-masina programmi muutmiseks kulus mitu päeva, samas kui arvutus ise ei saanud kesta kauem kui paar minutit - lambid, mida oli tohutult palju, ebaõnnestusid. . Neumann mõistis esimesena, et programmi saab salvestada ka nullide ja ühtede jadana, samasse mällu, kus arvud, mida see töötles. Programmi ja andmete põhimõttelise erinevuse puudumine võimaldas arvutil vastavalt arvutuste tulemustele endale programmi koostada.

Arvuti struktuur

John von Neumann ei esitanud mitte ainult arvuti loogilise struktuuri aluspõhimõtteid, vaid pakkus välja ka selle struktuuri, mida reprodutseeriti arvutite kahe esimese põlvkonna jooksul. Peamised plokid Neumanni järgi on juhtseade (CU) ja aritmeetika-loogiline üksus (ALU), mis on tavaliselt ühendatud keskprotsessoriks, mis sisaldab ka üldotstarbeliste registrite (GPR) komplekti - teabe vahepealseks salvestamiseks selle ajal. töötlemine; mälu, välismälu, sisend- ja väljundseadmed. Tuleb märkida, et välismälu erineb sisend- ja väljundseadmetest selle poolest, et andmed sisestatakse sellesse arvutile mugaval, kuid inimesele otseseks tajumiseks kättesaamatud kujul.

John von Neumanni põhimõtetel üles ehitatud arvutiarhitektuur.

Pidevad jooned nooltega näitavad infovoogude suunda, punktiirjooned juhtsignaale.

Kuidas John von Neumanni masin töötab?

Nüüd räägime üksikasjalikumalt, kuidas sellel arhitektuuril ehitatud masin töötab. Von Neumanni masin koosneb salvestusseadmest (mälust) - mälust, aritmeetika-loogilisest ühikust - ALU, juhtseadmest - CU, samuti sisend- ja väljundseadmetest, mida saab näha nende vooluahelates ja nagu varem käsitletud.

Käsk koosneb märguandest, millist toimingut tuleks teha ja nende mälurakkude aadressidest, kuhu salvestatakse andmed, millele määratud toiming teha, samuti lahtri aadressidest, kuhu tulemus vajaduse korral kirjutada mällu salvestada.

Aritmeetiline loogikaüksus sooritab määratud andmetega juhistega määratud toiminguid. Sellest väljastatakse tulemused mällu või väljundseadmesse.

Juhtseade (CU) juhib kõiki arvuti osi. Sellest saavad teised seadmed signaale "mida teha" ja teistelt seadmetelt saab juhtseade teavet nende oleku kohta. See sisaldab spetsiaalset registrit (lahtrit), mida nimetatakse programmiloenduriks. Pärast programmi ja andmete mällu laadimist kirjutatakse programmiloendurisse programmi esimese käsu aadress ning juhtplokk loeb mälust selle mäluelemendi sisu, mille aadress on programmiloenduris ning asetab selle spetsiaalsesse seadmesse - käsuregistrisse. Juhtplokk määrab käsu toimimise, “märgib” mällu andmed, mille aadressid on käsus määratud, ja juhib käsu täitmist.

ALU – tagab kahe muutuja aritmeetilise ja loogilise töötlemise, mille tulemusena moodustub väljundmuutuja. ALU funktsioonid taandatakse tavaliselt lihtsateks aritmeetilisteks, loogilisteks ja nihketoiminguteks. Samuti genereerib see hulga tulemuse atribuute (lippe), mis iseloomustavad saadud tulemust ja selle vastuvõtmise tulemusena toimunud sündmusi (võrdsus nulliga, märk, paarsus, ülevool). Juhtplokk saab lippe analüüsida, et otsustada käsu täitmise edasise järjestuse üle.

Järeldus

Niisiis, tõstkem veel kord esile von Neumanni pakutud aluspõhimõtted:

· Binaarse kodeerimise põhimõte. Kahendarvusüsteemi kasutatakse andmete ja käskude esitamiseks.

· Mälu homogeensuse põhimõte. Nii programmid (juhised) kui ka andmed salvestatakse samasse mällu (ja kodeeritakse samas numbrisüsteemis – enamasti binaarses). Käskude puhul saate teha samu toiminguid kui andmetega.

· Mälu adresseeritavuse põhimõte. Struktuuriliselt koosneb põhimälu nummerdatud rakkudest; Protsessorile on igal ajal saadaval mis tahes rakk.

· Programmi järjestikuse juhtimise põhimõte. Kõik käsud asuvad mälus ja täidetakse järjestikku, üksteise järel.

· Tingimusliku ülemineku põhimõte. Programmi käske ei täideta alati üksteise järel. Programmis võivad olla tingimuslikud hüppekäsud, mis muudavad käsu täitmise järjekorda sõltuvalt andmeväärtustest. (Põhimõte ise sõnastasid ammu enne John von Neumanni Ada Lovelace'i ja Charles Babbage'i poolt, kuid see on loogiliselt kaasatud von Neumanni komplekti eelneva põhimõtte täiendusena.)

John von Neumann andis tohutu panuse esimeste arvutite väljatöötamisse ja nende kasutamise meetodite väljatöötamisse. Von Neumanni välja töötatud arvutusseadmete arhitektuuri põhialused osutusid nii põhjapanevaks, et said kirjanduses nimetuse “von Neumann arhitektuur”. Selle arhitektuuri põhimõtteid kasutatakse laialdaselt ka tänapäeval. Valdav enamus tänapäeval kasutatavatest arvutitest on Neumanni masinad. Ainsad erandid on teatud tüüpi paralleelarvutussüsteemid, milles puudub programmiloendur, klassikaline muutuja kontseptsioon ei ole rakendatud ja on muid olulisi põhimõttelisi erinevusi klassikalisest mudelist (näiteks voogedastus- ja redutseerimisarvutid).

Kaasaegsetes arvutites on teavet ja programme salvestav salvestusseade "mitmetasandiline". See sisaldab muutmälu (RAM), mis salvestab teavet, millega arvuti teatud ajahetkel töötab (käivitatav programm, osa selle jaoks vajalikest andmetest, mõned juhtimisprogrammid) ja välised salvestusseadmed (VRAM) palju suurem maht kui RAM, kuid oluliselt aeglasema juurdepääsuga. Mäluseadmete klassifikatsioon ei lõpe RAM-i ja VRAM-iga – teatud funktsioone täidavad nii SRAM (super-random access memory), ROM (kirjutuskaitstud mälu) kui ka muud arvutimälu alamtüübid.

Ilmselt ilmneb märkimisväärne kõrvalekalle von Neumanni arhitektuurist ainult viienda põlvkonna masinate idee väljatöötamise tulemusena, milles teabetöötlus ei põhine mitte arvutustel, vaid loogilistel järeldustel.

Bibliograafia

1. H. Craigon. Arvuti arhitektuur ja selle rakendamine. Õpetus. – Peterburi, Mir, 2004.

2. E. Tanenbauem. Arvuti arhitektuur. Teaduslik kirjandus. – Peterburi, Peeter, 2003.

Vaatamata sellele, et palju aega on möödas, töötavad kõik kaasaegsed arvutid Ameerika matemaatiku John von Neumanni (1903–1957) välja pakutud põhimõtetel. Samuti andis ta olulise panuse arvutite arendamisse ja rakendusse. Ta oli esimene, kes kehtestas arvuti tööpõhimõtted:

1. Binaarse kodeerimise põhimõte: kogu arvutis olev teave esitatakse binaarsel kujul, kombinatsioonis 0 ja 1.

2. Mälu homogeensuse printsiip: nii programmid kui ka andmed salvestatakse samasse mällu Seetõttu ei tunne arvuti ära seda, mis antud mälulahtrisse on salvestatud, vaid seal võivad paikneda numbrid, tekst, käsud jne. käskudega saab teha samu toiminguid nagu superandmete puhul.

3. Mälu adresseeritavuse põhimõte: skemaatiliselt koosneb OP (põhimälu) nummerdatud rakkudest, CPU (keskseade) mis tahes mäluelement on igal ajal juurdepääsetav. Seetõttu on OP ja CPU vahelise mugavamaks suhtlemiseks võimalik mäluplokkidele nimesid määrata.

4. Programmi järjestikuse juhtimise põhimõte: programm koosneb käskude komplektist, mida CPU järjestikku üksteise järel täidab.

5. Tingimusliku haru põhimõte: alati ei ole nii, et käske täidetakse ükshaaval, seega on võimalik kasutada tingimuslikke harukäske, mis muudavad käskude järjestikust täitmist sõltuvalt salvestatud andmete väärtusest

. Kaasaegsete arvutite klassifikatsioon.

Kaasaegne arvuti jagunevad sisseehitatud mikroprotsessorid, mikroarvuti(personaalarvutid), suurarvutid Ja superarvuti- mitme protsessoriga arvutikompleks.

Mikroprotsessid- vormis rakendatud protsessorid lahutamatu elektrooniline mikroskeemid. Mikroprotsessoreid saab sisse ehitada telefonidesse, televiisoritesse ja muudesse seadmetesse, masinatesse ja seadmetesse.

Integraallülitustel Rakendatud on kõigi kaasaegsete mikroarvutite protsessorid ja RAM, samuti kõik suurte arvutite ja superarvutite plokid, samuti kõik programmeeritavad seadmed.

Mikroprotsessori jõudlus ulatub mitmeni miljoneid operatsioonid sekundis ja kaasaegsete RAM-i plokkide maht on mitu miljonit baiti.

Mikroarvuti - need on täisväärtuslikud andmetöötlus autod, millel on mitte ainult andmetöötluseks protsessor ja RAM, vaid ka sisend-väljund ja teabesalvestusseadmed.

Personaalarvutid - See mikroarvuti, millel on elektroonilistel ekraanidel kuvamisseadmed, samuti andmesisestus-/väljundseadmed klaviatuuri kujul ja võimalusel arvutivõrkudega ühenduse loomiseks mõeldud seadmed.

Mikroarvuti arhitektuur põhineb süsteemi magistraalsüsteemi kasutamisel – liideseseade, millega on ühendatud protsessorid ja RAM-i üksused, aga ka kõik sisend-väljundseadmed.

Pagasiruumi kasutamine võimaldab muuta ühend Ja struktuur mikroarvuti- lisada täiendavaid sisend/väljundseadmeid ja suurendada arvutite funktsionaalsust.

Pikaajaline ladustamine Teabe edastamine tänapäevastes arvutites toimub elektrooniliste, magnetiliste ja optiliste andmekandjate abil - magnetkettad, optilised kettad ja välkmäluplokid.

Kaasaegsete arvutite arhitektuur nõuab pikaajalise mälu olemasolu, kus asuvad failid, tarkvarapaketid, andmebaasid ja juhtimisoperatsioonisüsteemid.

suurarvutid - arvutid kõrge tootlikkus suure hulga välismäluga. Suurarvuteid kasutatakse arvutivõrkude ja suurte andmesalvestusseadmete serveritena.

Suurarvutid kasutatakse organiseerimise aluseks ettevõtte teavet süsteemid tööstusettevõtete ja valitsusasutuste teenindamine.

Superarvuti- See multiprotsessor arvuti keeruka arhitektuuriga, kõrgeima jõudlusega ja mida kasutatakse ülikeeruliste andmetöötlusprobleemide lahendamiseks.

Superarvuti jõudlus ulatub kümned Ja sadu tuhat miljardeid andmetöötlus operatsioonid sekundis. Samal ajal suureneb superarvutite protsessorite arv ja arvuti arhitektuur muutub keerukamaks.