Принципы построения ПК

Принципы фон Неймана

Принципов, изложенных фон Нейманом, было пять:

1. Использование двоичной системы счисления. Ее преимущество перед традиционной десятичной системой состоит в том, что над числами в двоичной записи намного легче проводить арифметические операции. Справедливости ради стоит заметить, что этот принцип не был изобретен лично фон Нейманом. Уже в немецких моделях вычислительных машин $Z1-Z4$, которые разрабатывались начиная с $1938$ года, использовалась двоичная система.
2. Принцип линейности и однородности памяти. Память в машине фон Неймана - это линейная последовательность элементов (ячеек). Ячейки памяти имеют адреса. Другие устройства компьютера могут записывать информацию в любую ячейку и считывать информацию из любой ячейки, обращаясь к ячейке по ее адресу. Этот принцип определил возможность работать с переменными.
3. Принцип программного управления. Работа вычислительной машиной управляется без участия человека программой, которая хранится в памяти. (Исключения составляют случаи, когда это участие предусмотрено самой программой. Например, человек вводит данные.) В качестве примера устройства, которое выполняет команды, но исключительно с участием человека, можно назвать калькулятор. Программа состоит из команд, которые выполняются друг за другом. При этом каждая команда либо сама указывает на следующую за ней команду, либо следующей будет выполняться команда из соседней ячейки памяти. Этот процесс длится, пока не выполнится команда конца программы.
4. Принцип совместного использования памяти. Память компьютера хранит одинаковым образом и данные, и команды. Компьютер не может определить, что хранится в данной ячейке памяти – данные или команда. Поэтому над командами можно выполнять те же действия, что и над данными. Следовательно, команды одной программы могут быть получены в качестве результата, возвращенного другой программой. Самым важным следствием этого принципа является принцип хранимости программы в памяти вместе с данными. Это предопределило возможность относительно легко менять программу. Для вычислительных машин, созданных до принципов фон Неймана (немецкие модели $Z1-Z4$, Эниак) перепрограммирование было либо вообще невозможно, либо требовало переключения специальных перемычек на панели, которое занимало несколько дней.
5. Условный переход. Несмотря на последовательность выполнения команд, можно реализовать переход к любому участку кода.

Архитектура фон Неймана

Архитектура вычислительной машины фон Неймана состоит из

• памяти;
• арифметико-логического блока;
• управляющего устройства;
• устройства ввода-вывода.

Рисунок 1.

Для каждого компьютера предполагался заранее определенный перечень возможных операций, которые могут на нем выполняться. Каждая команда программы должна иметь следующую структуру:

• указание операции;
• указание адресов ячеек памяти, где расположены данные, над которыми нужно выполнить эту операцию;
• указание адресов ячеек памяти, куда нужно записать результат.

В любой программе последней должна быть команда завершения работы. Арифметико-логический блок выполняет указанные в командах операции, а результаты выводятся в память или устройство вывода. Управляющее устройство передает сигналы между остальными устройствами и получает информацию об их состоянии. Оно также имеет свои регистры. В частности - специальный регистр команд. Регистр команд содержит номер той команды, которая в данный момент выполняется. После выполнения команды счетчик увеличивает значение на $1$.

Реализация принципов фон Неймана на практике

Первая ЭВМ построенная на принципах фон Неймана называлась Electronic Delay Storage Automatic calculator ( автоматический калькулятор с электронной памятью на линиях задержки ) - EDSAC. Она была построена в $1949$ году в Кембриджском университете в Великобритании. Все последующие ЭВМ первого и второго поколения также соответствовали описанной архитектуре. В СССР первой ЭВМ близкой к принципам фон Неймана была МЭСМ, построенная под руководством С.А.Лебедева в $1951$ году.

В современных компьютерах по-прежнему выполняются принцип использования двоичной системы счисления, принцип автоматической работы и принцип хранимости программы. Однако, остальные принципы выполняются далеко не во всех современных ЭВМ.

Существуют модели компьютеров, которые различают команды и данные, нарушая принцип совместного использования памяти. В этих моделях, кроме самой информации (команды или данных), каждая ячейка памяти хранит еще и специальную метку, которая указывает тип содержимого ячейки. В целях экономии памяти такая метка приписывается не каждой ячейке, а целой последовательности ячеек. И таким образом, различается сегмент команд и сегмент данных.

Многие современные модели ЭВМ нарушают принцип однородности и линейности памяти. Например, память либо может состоять из двух частей с независимой адресацией ячеек, либо ячейки вообще могут не иметь адресов (такая память называется ассоциативной).

Все современные ЭВМ, которые имеют больше одного процессора, не выполняют команды последовательно. Команды могут выполняться одновременно, при этом принадлежать как одной программе, так и разным программам.