Конспект установочных лекций по комплексному курсу Информатика, Теория информации
Принципы Фон Неймана
В своем историческом докладе 1945 года Джон фон Нейман описал, как должен быть устроен компьютер для того, чтобы он был универсальным и эффективным устройством для обработки информации.
УСТРОЙСТВА КОМПЬЮТЕРА.
Прежде всего, компьютер должен иметь:
·
-арифметическо-логическое устройство, выполняющие арифметические и логические операции (устройство должно уметь складывать, вычитать, умножать и делить).
· -устройство управления, которое организует процесс выполнения программ;
· -запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных;
· внешние устройство для ввода-вывода информации (с помощью этого устройства должна осуществляться связь между оператором и машиной).
Память компьютера должна состоять из некоторого количества пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково легко доступны для других устройств компьютера. Машина должна работать с двоичными числами, быть электронной, а не механической и выполнять операции последовательно, одну за другой.
ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ КОМПЬЮТЕРА. В общих чертах работу компьютера можно описать так. Вначале с помощью какого либо внешнего устройства в память компьютера вводиться программа. Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находиться первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических или логических операций, чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций или запись их результатов в память, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешние устройство.
Как правило, после выполнения одной команды устройство управления начинает выполнять команду из ячейки памяти, которая находиться непосредственно за только что выполненной командой.
Однако этот порядок может быть изменен с помощью передачи управления
(перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему следует продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в некоторой другой ячейке памяти. Такой «скачок », или переход, в программе может выполняться не всегда, а только при выполнении некоторых условий, например, если некоторые числа равны, если в результате предыдущей арифметической операции получился нуль и т.д. Это позволяет использовать одни и те же последовательности команд в программе много раз (т.е. организовывать циклы), выполнять различные последовательности команд в зависимости от выполнения определенных условий и т.д., т.е. создавать сложные программы. Таким образом, выполняющие устройство выполняет инструкции программы автоматически, т.е. без вмешательства человека. Оно может обмениваться информацией с оперативной памятью, и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства, как правило, работают значительно медленнее, чем остальные части компьютера, управляющие устройство может приостановить выполнение программы до завершения операции ввода-вывода с внешним устройством. Все результаты выполненной программы должны быть ею выведены на внешние устройства компьютера, после чего компьютер переходит к ожиданию каких-либо сигналов внешних устройств.
Особенности современных компьютеров. Архитектурные принципы построения ЭВМ, указанные Джоном фон Нейманом, долгое время оставались почти неизменными, и лишь в конце 1970-х годов в архитектуре суперЭВМ и матричных процессоров появились отклонения от этих принципов. В частности, арифметическо-логическое устройство управления современных компьютеров, особенно персональных, как правило, объединены в единое устройство - центральный процессор. Кроме того, процессор выполнения программ может прерываться для выполнения неотложных действий связанных с поступившими сигналами от внешних устройств компьютера - прерываний. Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах.Тем не менее, большинство современных компьютеров в основных чертах соответствуют принципам, изложенным фон Нейманом.
