Принципы архитектуры ЭВМ фон Неймана

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ПОВОЛЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СОЦИАЛЬНО-ГУМАНИТАРНАЯ АКАДЕМИЯ»

Кафедра информатики, прикладной

математики и методики их преподавания

 

 

Реферат

По дисциплине «Архитектура компьютера»

На тему «Принципы архитектуры ЭВМ фон Неймана»

 

 

 

 

Выполнила студентка 4 курса

заочной формы обучения

Специальность «Информатика»

Долгих Н. Н._______________

Проверил Минин В.А.________

 

 

 

 

 

 

 

 

Самара

2012

 

Содержание

 

Введение………………………………………………………………….…..................….3

I. Биография Джона фон  Неймана………………………….…………….…..…..5

II. Создание первой ЭВМ  …..………………………………........................….9

III. Архитектура фон Неймана……………………………………….…..…...13

IV. Принципы фон Неймана…………..……………………………….….….14

V. Компьютеры, построенные  на принципах фон Неймана………………..19

VI. Недостатки и современные  перспективы архитектуры фон  Неймана…20

VII. Архитектура современных  суперЭВМ………………………………….22

VIII. Поколения ЭВМ…………………………………………………………25

Список литературы…………………………………………………………….38

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

С середины 60-х годов очень сильно изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместо разработки аппаратуры и средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из синтеза аппаратных (hardware) и программных (software) средств. При этом на главный план выдвинулась концепция взаимодействия. Так возниклоновое понятие — архитектура ЭВМ.

Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя. Архитектура ЭВМ охватывает значительный круг проблем, связанных с созданием комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих большое количество определяющих факторов. Среди этих факторов основными являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство в эксплуатации, а одним из основных компонентов архитектуры считаются аппаратные средства.

Архитектуру вычислительного средства необходимо отличать от структуры ВС. Структура вычислительного средства определяет его текущий состав на определенном уровне детализации и описывает связи внутри средства. Архитектура же определяет основные правила взаимодействия составных элементов вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой необходимо для формирования правил взаимодействия. Она устанавливает не все связи, а только наиболее необходимые, которые должны быть известны для более грамотного использования применяемого средства.

Так, пользователю ЭВМ не важно, на каких элементах выполнены электронные схемы, схемно или программно исполняются команды и тому подобное. Архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, которые относятся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их ПО. Архитектура ЭВМ включает в себя как структуру, отражающую состав ПК, так и программно – математическое обеспечение.

Структура компьютера

Структуракомпьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I. Биография Джона фон  Неймана.

Джон фон Нейман (von Neumann) (1903 — 1957) — американский математик. Внес большой вклад в создание первых ЭВМ и разработку методов их применения.

Родом из Венгрии, сын преуспевающего будапештского банкира, фон Нейман был продуктом той интеллектуальной среды, из которой вышли такие выдающиеся физики, как Эдвард Теллер, Лео Сциллард, Денис Габор и Юджин Вигнер. Джон выделялся среди них своими феноменальными способностями. В 6 лет он перебрасывался с отцом остротами на древнегреческом, а в 8 освоил основы высшей математики. В возрасте 20—30 лет, занимаясь преподавательской работой в Германии, он внес значительный вклад в развитие квантовой механики — краеугольного камня ядерной физики, и разработал теорию игр — метод анализа взаимоотношений между людьми, который нашел широкое применение в различных областях, от экономики до военной стратегии. На протяжении всей жизни он любил поражать друзей и учеников своей способностью производить в уме сложные вычисления. Он делал это быстрее всех, вооруженных бумагой, карандашом и справочниками. Когда же фон Нейману приходилось писать на доске, он заполнял ее формулами, а потом стирал их настолько быстро, что однажды кто-то из его коллег, понаблюдав за очередным объяснением, пошутил: "Понятно. Это доказательство методом стирания".

Ю. Вигнер, школьный товарищ фон Неймана, лауреат Нобелевской премии, говорил, что его ум — это"совершенный инструмент, шестеренки которого подогнаны друг к другу с точностью до тысячных долей сантиметра". Это интеллектуальное совершенство было сдобрено изрядной долей добродушной и весьма привлекательной эксцентричности. В поездках он порой так глубоко задумывался о математических проблемах, что забывал, куда и зачем должен ехать, и тогда приходилось звонить на работу за уточнениями.

Фон Нейман настолько легко и непринужденно чувствовал себя в любой обстановке, как на работе, так и в обществе, без всяких усилий переключаясь от математических теорий к компонентам вычислительной техники, что некоторые коллеги считали его "ученым среди ученых", своего рода "новым человеком", что, собственно, и означала его фамилия в переводе с немецкого. Теллер как-то в шутку сказал, что он "один из немногих математиков, способных снизойти до уровня физика". Сам же фон Нейман не без юмора объяснял свою мобильность тем, что он родом из Будапешта: "Только человек, родившийся в Будапеште, может, войдя во вращающиеся двери после вас, выйти из них первым".

Интерес фон Неймана к компьютерам в какой-то степени связан с его участием в сверхсекретном Манхэттенском проекте по созданию атомной бомбы, который разрабатывался в Лос-Аламосе, шт. Нью-Мексико. Там фон Нейман математически доказал осуществимость взрывного способа детонации атомной бомбы. Теперь он размышлял о значительно более мощном оружии — водородной бомбе, создание которой требовало очень сложных расчетов.

Однако фон Нейман понимал, что компьютер — это не больше, чем простой калькулятор, что — по крайней мере, потенциально — он представляет собой универсальный инструмент для научных исследований. В июле 1954 г., меньше чем через год после того, как он присоединился к группе Моучли и Эккерта, фон Нейман подготовил отчет на 101 странице, в котором обобщил планы работы над машиной EDVAC. Этототчет, озаглавленный "Предварительный доклад о машине EDVAC" представлял собой прекрасное описание не только самой машины, но и ее логических свойств. Присутствовавший на докладе военный представитель Голдстейн размножил доклад и разослал ученым как США, так и Великобритании.

Благодаря этому "Предварительный доклад" фон Неймана стал первой работой по цифровым электронным компьютерам, с которым познакомились широкие круги научной общественности. Доклад передавали из рук в руки, из лаборатории в лабораторию, из университета в университет, из одной страны в другую. Эта работа обратила на себя особое внимание, поскольку фон Нейман пользовался широкой известностью в ученом мире. С того момента компьютер был признан объектом, представлявшим научный интерес. В самом деле, и по сей день ученые иногда называют компьютер "машиной фон Неймана".

Читатели "Предварительного доклада" были склонны полагать, что все содержащиеся в нем идеи, в частности, принципиально важное решение хранить программы в памяти компьютера, исходили от самого фон Неймана. Мало кто знал, что Моучли и Эккерт говорили о программах, записанных в памяти, по крайней мере за полгода до появления фон Неймана в их рабочей группе; большинству неведомо было и то, что Алан Тьюринг, описывая свою гипотетическую универсальную машину, еще в 1936 г. наделил ее внутренней памятью. В действительности, фон Нейман читал классическую работу Тьюринга незадолго до войны.

Увидев, сколько шума наделал фон Нейман и его "Предварительный доклад", Моучли и Эккерт были глубоко возмущены. В свое время по соображениям секретости они не смогли опубликовать никаких сообщений о своем изобретении. И вдруг Голдстейн, нарушив секретность, предоставил трибуну человеку, который только-только присоединился к проекту. Споры о том, кому должны принадлежать авторские права на EDVAC и ENIAC привели вконце концов к распаду рабочей группы.

В дальнейшем фон Нейман работал в Принстонском институте перспективных исследований, принимал участие в разработке нескольких компьютеров новейшей конструкции. Среди них была, в частности, машина, которая использовалась для решения задач, связанных с созданием водородной бомбы. Фон Нейман остроумно окрестил ее "Маньяк" (MANIAC, аббревиатура от Mathematical Analyzer, Numerator, Integrator and Computer — математический анализатор, счетчик, интегратор и компьютер). Фон Нейман был также членом Комисcии по атомной энергии и председателем консультативного комитета ВВС США по баллистическим ракетам.

Умер фон Нейман в возрасте 54 лет от саркомы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II. Создание первой ЭВМ.

Джон фон Нейман подключился к созданию первой в мире ламповой ЭВМ ENIAC в 1944 г., когда ее конструкция была уже выбрана. В процессе работы во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье "Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства” изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В последствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальны и сегодня.

По сути, Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципиально новое.

Наиболее распространены следующие архитектурные решения.

• Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа. Это однопроцессорный компьютер. К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной (рис.1). Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.

Рис.1

 

• Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структура такой машины, имеющей общую оперативную память и несколько процессоров, представлена на рис. 3.

 

 

Рис. 2. Архитектура многопроцессорного компьютера

• Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.

Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.

• Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе — то есть по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных. Структура таких компьютеров представлена на рис. 3.

 

 

Рис. 3. Архитектура с параллельным процессором

В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений. Существуют и такие архитектурныерешения, которые радикально отличаются от рассмотренных выше.

 

 

Рис. 4. Общая структура персонального компьютера с подсоединенными периферийными

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.

Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры (адаптеры) — устройства управления периферийными устройствами.