Принципы архитектуры ЭВМ фон Неймана

Контроллер — устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

III. Архитектура фон Неймана (англ. von Neumann architecture) - широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана», однако, соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.

Наличие заданного набора исполняемых команд и программ было характерной чертой первых компьютерных систем. Сегодня подобный дизайн применяют с целью упрощения конструкции вычислительного устройства. Так, настольные калькуляторы, в принципе, являются устройствами с фиксированным набором выполняемых программ. Их можно использовать для математических расчётов, но невозможно применить для обработки текста и компьютерных игр, для просмотра графических изображений или видео. Изменение встроенной программы для такого рода устройств требует практически полной их переделки, и в большинстве случаев невозможно. Впрочем, перепрограммирование ранних компьютерных систем всё-такивыполнялось, однако требовало огромного объёма ручной работы по подготовке новой документации, перекоммутации и перестройки блоков и устройств и т. п.

Всё изменила идея хранения компьютерных программ в общей памяти. Ко времени её появления использование архитектур, основанных на наборах исполняемых инструкций, и представление вычислительного процесса как процесса выполнения инструкций, записанных в программе, чрезвычайно увеличило гибкость вычислительных систем в плане обработки данных. Один и тот же подход к рассмотрению данных и инструкций сделал лёгкой задачу изменения самих программ.

 

IV. Принципы фон Неймана

1. Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах. (Принцип двоичного кодирования)

Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.

2. Программное управление ЭВМ. (Принцип последовательного программного управления)

Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.

3. Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. (Принцип однородности памяти)

При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.

4. Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. (Принцип адресуемости памяти)

В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании. программы.

Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.

Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.

(Компьютеры, построенные  на этих принципах, относятся  к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, т.е. они могут работать без “счетчика команд”, указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими).

Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было хранимой в памяти программы) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) мог потребоваться далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться годы, однако они работают на миллионах компьютеров после несколько минутной установки на жесткий диск.

Современную архитектуру компьютера определяют следующие принципы:

Принцип программного управления. Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий компьютера. Эффективность программного управления будет выше при решении задачи этой же программой много раз (хотя и с разными начальными данными). .

Принцип программы, сохраняемой в памяти. Согласно этому

5. Возможность условного перехода в процессе выполненияпринципу, команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в оперативную память, что ускоряет процесс ее выполнения.

Принцип произвольного доступа к памяти. В соответствии с этим принципом, элементы программ и данных могут записываться в произвольное место оперативной памяти, что позволяет обратиться по любому заданному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих.

На основании этих принципов можно утверждать, что современный компьютер - техническое устройство, которое после ввода в память начальных данных в виде цифровых кодов и программы их обработки, выраженной тоже цифровыми кодами, способно автоматически осуществить вычислительный процесс, заданный программой, и выдать готовые результаты решения задачи в форме, пригодной для восприятия человеком.

Реальная структура компьютера значительно сложнее, чем рассмотренная выше (ее можно назвать логической структурой). В современных компьютерах, в частности персональных, все чаще происходит отход от традиционной архитектуры фон Неймана, обусловленный стремлением разработчиков и пользователей к повышению качества и производительности компьютеров. Качество ЭВМ характеризуется многими показателями. Это и набор команд, которые компьютер способный понимать, и скорость работы (быстродействие) центрального процессора, количество периферийных устройств ввода-вывода, присоединяемых к компьютеру одновременно и т.д. Главным показателем является быстродействие - количество операций, какую процессор способен выполнить за единицу времени. На практике пользователя больше интересует производительность компьютера - показатель его эффективного быстродействия, то есть способности не просто быстро функционировать, а быстро решать конкретные поставленные задачи.

Как результат, все эти и прочие факторы способствуют принципиальному иконструктивному усовершенствованию элементной базы компьютеров, то есть созданию новых, более быстрых, надежных и удобных в работе процессоров, запоминающих устройств, устройств ввода-вывода и т.д. Тем не менее, следует учитывать, что скорость работы элементов невозможно увеличивать беспредельно (существуют современные технологические ограничения и ограничения, обусловленные физическими законами). Поэтому разработчики компьютерной техники ищут решения этой проблемы усовершенствованием архитектуры ЭВМ.

Так, появились компьютеры с многопроцессорной архитектурой, в которой несколько процессоров работают одновременно, а это означает, что производительность такого компьютера равняется сумме производительностей процессоров. В мощных компьютерах, предназначенных для сложных инженерных расчетов и систем автоматизированного проектирования (САПР), часто устанавливают два или четыре процессора. В сверхмощных ЭВМ (такие машины могут, например, моделировать ядерные реакции в режиме реального времени, прогнозировать погоду в глобальном масштабе) количество процессоров достигает нескольких десятков. .

Скорость работы компьютера существенным образом зависит от быстродействия оперативной памяти. Поэтому, постоянно ведутся поиски элементов для оперативной памяти, затрачивающих меньше времени на операции чтения-записи. Но вместе с быстродействием возрастает стоимость элементов памяти, поэтому наращивание быстродействующей оперативной памяти нужной емкости не всегда приемлемо экономически.

Проблема решается построением многоуровневой памяти. Оперативная память состоит из двух-трех частей: основная часть большей емкости строится на относительно медленных (более дешевых) элементах, а дополнительная (так называемая кэш-память) состоит из быстродействующих элементов. Данные, к которым чаще всего обращается процессор находятся в кэш-памяти, а большийобъем оперативной информации хранится в основной памяти.

Раньше работой устройств ввода-вывода руководил центральный процессор, что занимало немало времени. Архитектура современных компьютеров предусматривает наличие каналов прямого доступа к оперативной памяти для обмена данными с устройствами ввода-вывода без участия центрального процессора, а также передачу большинства функций управления периферийными устройствами специализированным процессорам, разгружающим центральный процессор и повышающим его производительность.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V. Компьютеры, построенные  на принципах фон Неймана

В середине 1940-х проект компьютера, хранящего свои программы в общей памяти был разработан в Муровской школе электрических разработок (англ. The Moore School of Electrical Engineering) в Университете штата Пенсильвания (англ. The University of Pennsylvania). Подход, описанный в этом документе, стал известен как архитектура фон Неймана, по имени единственного из названных авторов проекта Джона фон Неймана, хотя на самом деле авторство проекта было коллективным. Архитектура фон Неймана решала проблемы, свойственные компьютеру «ЭНИАК», который создавался в то время, за счёт хранения программы компьютера в его собственной памяти. Информация о проекте стала доступна другим исследователям вскоре после того, как в 1946 году было объявлено о создании «Эниака». По плану предполагалось осуществить проект силами Муровской школы в машине EDVAC, однако до 1953 года EDVAC не был запущен из-за технических трудностей в создании надёжной компьютерной памяти. Другие научно-исследовательские институты, получившие копии проекта, сумели решить эти проблемы гораздо раньше группы разработчиков из Муровской школы и реализовали их в собственных компьютерных системах. Первыми 5 компьютерами, в которых были реализованы основные особенности архитектуры фон Неймана, были:

• « Манчестерский МаркI». Прототип («Манчестерское дитя») Университет Манчестера

(англ. The University of Manchester) Великобритания, 21 июня 1948 года;

• EDSAC. Кембриджский университет (англ. The Cambridge University).

Великобритания, 6 мая 1949 года;

• BINAC. США, апрель или август 1949 года;

• CSIR Mk 1. Австралия, ноябрь 1949 года;

• SEAC. США, 9 мая 1950 года.

VI. Недостатки и современные  перспективы архитектуры фон  Неймана

Архитектура фон Неймана неоднократно подвергалась критике (и, учитывая это, вызывает искреннее удивление ее живучесть, тогда как подавляющее большинство поздних альтернатив является теперь или музейными экспонатами, или прототипами, и вообще никак не могут соревноваться с ней в популярности).

Можно выделить два основных вектора такой критики:

• «Семантический разрыв»

Хотя это не касается непосредственно принципов фон-Неймана, но часто апеллируют именно к «классической архитектуры фон-Неймана» в критике ее достаточно примитивного и низкоуровневого набора команд, который, по мнению критиков, абсолютно не соответствует современному состоянию дел в индустрии разработки программного обеспечения, в частности в наличии языков высокого уровня, которые намного повышают производительность труда программиста за счет предложения ему более высокоуровневых абстракций, и нужно обычно до нескольких сот машинных команд вместо одной команды языка высокого уровня. Этот дисбаланс в принципе успешно решается на программном уровне с помощью компиляторов , но в 60-70 годы XX века было довольно много попыток реализовать машинные языки высокого уровня аппаратно (см. Архитектура с развитыми средствами интерпретации ). Среди отечественных разработок в этом направлении следует выделить ЭВМ серии «МИР», а среди серьезных критиков системы фон-Неймана, в том числе и за низкий семантический уровень команд, академика В. М. Глушкова. Определенной степени, попыткой «повыситьсемантический уровень» можно считать и CISC -архитектуры системы команд, хотя как доказало время, перспективным оказался прямо обратное направление максимальной «примитивизации» набора команд, реализованный в RISC - архитектурах.

• Разделение операционного устройства и памяти

Разделение их хранения и памяти в классической архитектуре фон-Неймана считается ее существенным недостатком. Любят говорить о так называемом «бутылочное голубка» фон-неймановской архитектуры (термин, предложенный Джоном Бэкуса (John Backus) в 1977. Это «голубка» создается между операционным устройством (микропроцессором) и памятью, ведь скорость обработки информации в процессоре обычно намного больше, чем скорость работы их хранения, который не успевает обеспечивать процессор новыми порциями информации, что приводит к простоям. Проблема решается за счет построения более сложной иерархии памяти, в частности введением кэш-памяти, более быстрой (но и более дорогой, чем основная), где хранятся данные, которые часто используются в вычислениях, чтобы не обращаться за ними к медленной основной памяти. Существуют также и радикальные предложения, которые в последнее время начали воплощаться в жизнь, и заключаются в создании так называемой «умной памяти», которая бы интегрировала запоминая ячейки со схемами обработки данных.

Другим примером частичного решения этой проблемы является гарвардская архитектура, в которой память команд и данных разделена, что позволяет интенсифицировать обмен между запоминающим устройством и центральным процессором.