Von Neumannovi principi za konstruisanje elektronskog računara. Von Neumannova arhitektura: istorija pojma Principi von Neumanna

Koja su dostignuća u kompjuterskoj nauci Džon fon Nojman postigao u dvadesetom veku, saznaćete iz ovog članka.

Prije nego što govorimo o njegovim dostignućima u informatici, vrijedi govoriti o prvim naučnim koracima na putu nauke. Njegovo prvo delo „Ka uvođenju transfinitnih rednih brojeva” objavljeno je 1923. na Univerzitetu u Segedinu, gde je studirao. U svojoj doktorskoj disertaciji on razvio sistem aksioma. Godine 1925. Nojman je odbranio disertaciju na temu „Aksiomatska konstrukcija teorije skupova“ na Univerzitetu u Budimpešti i dobio diplomu hemijskog inženjerstva na Univerzitetu u Cirihu. Godine 1927. postao je privatni docent na Univerzitetu u Berlinu, a dvije godine kasnije na Univerzitetu u Hamburgu. Godine 1931. dobio je zvanje profesora na Univerzitetu Princeton.

John von Neumann dostignuća u informatici

1943. - 1946. godine izgrađen je prvi računar (elektro-računar) koji je dobio ime ENIAC. John von Neumann je predložio svojim programerima kako da pojednostave programiranje mašine tako što će je modificirati. A u stvaranju druge EDVAC mašine - već je aktivno učestvovao u razvoju elektronskog automatskog računara sa diskretnim varijablama. Bio je odgovoran za razvoj detaljnog logičkog dijagrama mašine, u kojoj su idealizovani računski elementi bili strukturne jedinice. Ovi idealizirani elementi postali su korak naprijed u kompjuterskoj nauci, jer su omogućili odvajanje logičkog kola od njegove tehničke implementacije.

John von Neumann je predložio korištenje elektrostatičkog memorijskog sistema umjesto linije kašnjenja kao memorijskih elemenata. Novostvorena mašina nazvana je JONIAC, u čast Neumanna.

Naučni radovi autora su „O osnovama kvantne mehanike“, „Matematičko opravdanje kvantne mehanike“, „Teorijska i probabilistička konstrukcija kvantne mehanike“, „Termodinamika kvantnih mehaničkih sistema“, „Ka Hilbertovoj teoriji dokaza“, „Kontrola kvantne mehanike“. Ka teoriji strateških igara”, “O definiciji putem transfinitne indukcije i srodnim pitanjima opće teorije skupova”, “O jednom problemu konzistentnosti aksiomatske teorije skupova”.

Osim činjenice da je on učestvovao u stvaranju kompjutera, naučnik je prvi formulisao principe rada računara. Principi koje je formulisao John von Neumann:

  • Princip binarnog sistema za izračunavanje komandi i podataka.
  • Princip programske kontrole. Program je skup naredbi koje procesor izvršava u određenom nizu.
  • Princip homogenosti memorije. Svi podaci su pohranjeni i kodirani u jednoj memoriji.
  • Princip adresabilnosti memorije. Memorija se sastoji od numerisanih ćelija, a procesor ima nasumičan pristup bilo kojoj od njih.
  • Princip sekvencijalnog programskog upravljanja. Naredbe pohranjene u memoriji se izvršavaju jedna po jedna nakon što je prethodna naredba završena.
  • Princip uslovne tranzicije. Formulisano je

· upotreba binarni sistem da predstavljaju brojeve. Von Neumannov rad je pokazao prednosti binarnog sistema za tehničku implementaciju, pogodnost izvođenja aritmetičkih i logičkih operacija. Kasnije su počeli da obrađuju nenumeričke vrste informacija: tekstualne, grafičke, zvučne itd. Binarno kodiranje je osnova modernog računara.

· principi uskladištenog programa. Program napisan upotrebom binarnih kodova mora biti pohranjen u istoj memoriji kao i podaci koji se obrađuju.

· princip ciljanja. Komande i podaci se premeštaju na memorijske lokacije kojima se pristupa putem adrese. Adresa ćelije je njen broj; lokacija informacija u RAM-u je takođe kodirana u obliku binarnih sistema.

U računaru, prema von Neumannovom principu, instrukcije se sekvencijalno čitaju iz memorije i izvršavaju. Broj (adresa) sljedeće memorijske ćelije iz koje se izdvaja programska komanda se generira i pohranjuje u poseban uređaj za brojač programa.

U skladu sa von Neumannovim principima, računar mora sadržavati sljedeće uređaje:

· Aritmetičko-logička jedinica (ALU) je dizajnirana za obradu kodiranih informacija i može izvoditi aritmetičke i logičke operacije:;

· Upravljački uređaj (CU) organizuje izvršavanje programa;

· Memorija ili uređaj za skladištenje (memorija) - skladištenje programa i podataka. Računarska memorija se sastoji od niza numerisanih ćelija. Svaki od njih može sadržavati obrađene podatke ili programske instrukcije;

· Eksterni uređaji za unos i izlaz informacija, daju direktne i povratne informacije.

Razmotrimo sastav i svrhu glavnih PC blokova (slika 2).

Rice. 2. Blok dijagram personalnog računara

Mikroprocesor (MP). Ovo je centralna jedinica PC-a, dizajnirana za kontrolu rada svih blokova mašine i za obavljanje aritmetičkih i logičkih operacija nad informacijama.

Mikroprocesor uključuje:

§ kontrolni uređaj(CU) – generiše i isporučuje svim blokovima mašine u pravo vreme određene upravljačke signale (kontrolne impulse), određene specifičnostima operacije koja se izvodi i rezultatima prethodnih operacija; generira adrese memorijskih ćelija koje se koriste za operaciju koja se izvodi i prenosi te adrese odgovarajućim računalnim blokovima; kontrolni uređaj prima referentnu sekvencu impulsa od generatora taktnih impulsa;

§ aritmetičko-logička jedinica(ALU) – dizajniran za izvođenje svih aritmetičkih i logičkih operacija nad numeričkim i simboličkim informacijama (u nekim modelima PC-a, dodatni matematički koprocesor);

§ mikroprocesorska memorija(MPP) – služi za kratkoročno skladištenje, snimanje i izlaz informacija koje se direktno koriste u proračunima u narednim ciklusima rada mašine. MPP je izgrađen na registrima i koristi se za osiguranje velike brzine rada mašine, jer glavna memorija (RAM) ne pruža uvijek brzinu pisanja, pretraživanja i čitanja informacija neophodnu za efikasan rad mikroprocesora velike brzine. Registri– memorijske ćelije velike brzine različitih dužina (za razliku od OP ćelija koje imaju standardnu ​​dužinu od 1 bajta i manju brzinu);

§ sistem mikroprocesorskog interfejsa– implementira uparivanje i komunikaciju sa drugim PC uređajima; uključuje interni MP interfejs, registre bafera za skladištenje i kontrolna kola za ulazno/izlazne portove (I/O) i sistemsku magistralu. Interfejs(interfejs) – skup sredstava za uparivanje i komunikaciju računarskih uređaja, obezbeđujući njihovu efektivnu interakciju. I/O port(I/O – Input/Output port) – oprema za interfejs koja vam omogućava da povežete drugi PC uređaj na mikroprocesor.

Generator sata. Generiše niz električnih impulsa; frekvencija generisanih impulsa određuje frekvenciju takta mašine.

Vremenski interval između susjednih impulsa određuje vrijeme jednog ciklusa rada mašine ili jednostavno ciklus rada mašine.

Frekvencija generatora taktnih impulsa je jedna od glavnih karakteristika personalnog računara i u velikoj meri određuje brzinu njegovog rada, jer se svaka operacija u mašini izvodi u određenom broju taktova.

Sistemska sabirnica. Ovo je glavni sistem interfejsa računara, koji obezbeđuje uparivanje i komunikaciju svih njegovih uređaja međusobno.

Sistemska magistrala uključuje:

§ sabirnica podataka koda(KSD), koji sadrži žice i spojna kola za paralelni prijenos svih bitova numeričkog koda (mašinske riječi) operanda;

§ sabirnica adresnog koda(KSA), uključujući žice i kola interfejsa za paralelni prenos svih bitova adresnog koda glavne memorijske ćelije ili ulazno/izlaznog porta eksternog uređaja;

§ sabirnica koda instrukcija(KShI), koji sadrži žice i kola interfejsa za prenos instrukcija (kontrolnih signala, impulsa) svim blokovima mašine;

§ električni autobus, imaju žice i kola interfejsa za povezivanje PC jedinica na sistem napajanja.

Sistemska magistrala omogućava tri pravca prenosa informacija:

1) između mikroprocesora i glavne memorije;

2) između mikroprocesora i ulazno/izlaznih portova eksternih uređaja;

3) između glavne memorije i I/O portova eksternih uređaja (u režimu direktnog pristupa memoriji).

Svi blokovi, odnosno njihovi I/O portovi, povezani su na sabirnicu na isti način preko odgovarajućih unificiranih konektora (joints): direktno ili preko kontroleri (adapteri). Sistemsku sabirnicu kontroliše mikroprocesor direktno ili, češće, preko dodatnog čipa - bus kontroler, generisanje glavnih kontrolnih signala. Razmjena informacija između vanjskih uređaja i sistemske magistrale vrši se korištenjem ASCII kodova.

Glavna memorija (RAM). Dizajniran je za pohranjivanje i brzu razmjenu informacija sa drugim jedinicama stroja. OP sadrži dvije vrste uređaja za pohranu: memoriju samo za čitanje (ROM) i memoriju sa slučajnim pristupom (RAM).

ROM služi za pohranjivanje nepromjenjivih (trajnih) programskih i referentnih informacija omogućava vam da brzo pročitate samo informacije koje su u njemu pohranjene (informacije u ROM-u se ne mogu mijenjati).

RAM dizajniran za onlajn snimanje, skladištenje i čitanje informacija (programa i podataka) direktno uključenih u informacioni i računarski proces koji PC obavlja u trenutnom vremenskom periodu. Glavne prednosti RAM-a su njegove visoke performanse i mogućnost pristupa svakoj memorijskoj ćeliji zasebno (direktan adresni pristup ćeliji). Kao nedostatak RAM-a, treba napomenuti da je nemoguće sačuvati informacije u njemu nakon isključivanja napajanja mašine (ovisnost o volatilnosti).

Eksterna memorija. Odnosi se na eksterne uređaje računara i koristi se za dugotrajno skladištenje svih informacija koje mogu ikada biti potrebne za rešavanje problema. Konkretno, sav kompjuterski softver je pohranjen u eksternoj memoriji. Eksterna memorija sadrži različite vrste uređaja za skladištenje podataka, ali najčešći, dostupni na gotovo svakom računaru, su hard disk (HDD) i flopi disk drajv (FLMD).

Svrha ovih diskova je pohranjivanje velikih količina informacija, snimanje i oslobađanje pohranjenih informacija na zahtjev u memorijski uređaj sa slučajnim pristupom. Hard diskovi i ravni diskovi razlikuju se samo po dizajnu, količini pohranjenih informacija i vremenu potrebnom za pretraživanje, snimanje i čitanje informacija.

Kao eksterni memorijski uređaji koriste se i uređaji za skladištenje na kasetnoj magnetnoj vrpci (strimeri), pogoni optičkih diskova (CD-ROM - Compact Disk Read Only Memory - CD sa memorijom samo za čitanje) itd. (cm. pododjeljak 4.4).

Napajanje. Ovo je blok koji sadrži autonomne i mrežne sisteme napajanja za PC.

Tajmer. Ovo je ugrađeni elektronski sat koji omogućava, ako je potrebno, automatsko snimanje trenutnog trenutka u vremenu (godina, mjesec, sati, minute, sekunde i dijelovi sekundi). Tajmer je povezan na autonomni izvor napajanja - bateriju i nastavlja raditi kada je mašina isključena iz mreže.

Vanjski uređaji (ED). Ovo je najvažnija komponenta svakog računarskog kompleksa. Dovoljno je reći da u smislu troškova, VA ponekad čine 50 - 80% ukupnog računara. Mogućnost i efektivnost upotrebe računara u sistemima upravljanja iu nacionalnoj privredi u celini u velikoj meri zavisi od sastava i karakteristika računara.

PC računari obezbeđuju interakciju mašine sa okruženjem: korisnicima, kontrolnim objektima i drugim računarima. VE su vrlo raznolike i mogu se klasificirati prema nizu karakteristika. Dakle, prema njihovoj namjeni, mogu se razlikovati sljedeće vrste uređaja:

§ eksterni uređaji za skladištenje (VSD) ili eksterna memorija računara;

§ alati za dijalog korisnika;

§ uređaji za unos informacija;

§ uređaji za izlaz informacija;

§ sredstva komunikacije i telekomunikacije.

Alati za dijalog U korisničke uređaje spadaju video monitori (displeji), rjeđe pisaće mašine na daljinsko upravljanje (štampači sa tastaturama) i uređaji za unos-izlaz govora.

Video monitor (displej)– uređaj za prikaz informacija koje ulaze i izlaze sa računara (cm. pododjeljak 4.5).

Uređaji za glasovni unos/izlaz spadaju u brzorastuće medije. Uređaji za unos govora su različiti mikrofonski akustični sistemi, „zvučni miševi“, na primjer, sa složenim softverom koji im omogućava da prepoznaju slova i riječi koje osoba izgovori, identifikuje ih i kodira.

Govorni izlazni uređaji su različiti sintisajzeri zvuka koji pretvaraju digitalne kodove u slova i riječi koje se reprodukuju preko zvučnika (zvučnika) ili zvučnika povezanih na računar.

TO ulazni uređaji vezati:

§ tastatura– uređaj za ručno unošenje numeričkih, tekstualnih i kontrolnih informacija u PC (cm. pododjeljak 4.5);

§ grafički tableti (digitajzeri)– za ručno unošenje grafičkih informacija i slika pomeranjem posebnog pokazivača (olovke) preko tableta; kada pomerite olovku, koordinate njene lokacije se automatski čitaju i te koordinate se unose u računar;

§ skeneri(mašine za čitanje) – za automatsko čitanje sa papirnih medija i unos kucanih tekstova, grafikona, slika, crteža u računar; u uređaju za kodiranje skenera u tekstualnom modu, pročitani znakovi, nakon upoređivanja sa referentnim konturama pomoću posebnih programa, pretvaraju se u ASCII kodove, a u grafičkom načinu, očitani grafovi i crteži se pretvaraju u nizove dvodimenzionalnih koordinata (cm. pododjeljak 4.5);

§ manipulatori(pokazivački uređaji): džojstik- poluga , miš, kuglica - lopta u okviru, svjetlosna olovka itd. – da unesete grafičke informacije na ekran tako što kontrolišete kretanje kursora po ekranu, nakon čega sledi kodiranje koordinata kursora i njihovo unošenje u računar;

§ ekrani osetljivi na dodir– za unos pojedinačnih elemenata slike, programa ili komandi sa podeljenog ekrana u računar.

TO uređaji za izlaz informacija vezati:

§ štampači– štamparski uređaji za snimanje informacija na papir (cm. pododjeljak 4.5);

§ crtači (ploteri)– za ispisivanje grafičkih informacija (grafova, crteža, crteža) sa računara na papir; Postoje vektorski ploteri sa crtanjem slika pomoću olovke i rasterski ploteri: termografski, elektrostatički, inkjet i laserski. Po dizajnu, ploteri se dijele na ravne i bubnjaste plotere. Glavne karakteristike svih plotera su približno iste: brzina crtanja – 100 - 1000 mm/s, najbolji modeli imaju slike u boji i polutonski prenos; Laserski ploteri imaju najveću rezoluciju i jasnoću slike, ali su najskuplji.

Uređaji komunikacije i telekomunikacije koriste se za komunikaciju sa uređajima i ostalom opremom za automatizaciju (interfejs adapteri, adapteri, digitalno-analogni i analogno-digitalni pretvarači, itd.) i za povezivanje računara na komunikacione kanale, na druge računare i računarske mreže (mrežne interfejs kartice , "zglobovi" ", multipleksori za prijenos podataka, modemi).

Konkretno, prikazano na sl. 4.2 mrežni adapter je eksterno sučelje računara i služi za povezivanje sa komunikacionim kanalom za razmenu informacija sa drugim računarima, za rad u okviru računarske mreže. U globalnim mrežama funkcije mrežnog adaptera obavlja modulator-demodulator (modem, cm. Ch. 7).

Mnogi od gore navedenih uređaja pripadaju uslovno odabranoj grupi - multimedija.

Multimedija(multimedija - multimedija) je skup hardvera i softvera koji omogućavaju osobi da komunicira sa računarom koristeći različite prirodne medije: zvuk, video, grafiku, tekst, animaciju itd.

Multimedijalna sredstva uključuju uređaje za unos i izlaz govora; skeneri koji su već rasprostranjeni (pošto omogućavaju da se štampani tekstovi i crteži automatski unose u računar); visokokvalitetne video (video-) i zvučne (zvučne) kartice, kartice za snimanje videa (videograbber), koje snimaju slike sa VCR-a ili video kamere i unose ih u PC; visokokvalitetni sistemi za akustičnu i video reprodukciju sa pojačalima, zvučnim zvučnicima, velikim video ekranima. Ali, možda, s još većim razlogom, multimedija uključuje eksterne uređaje za skladištenje velikog kapaciteta na optičkim diskovima, koji se često koriste za snimanje audio i video informacija.

CD-ovi se široko koriste, na primjer, u proučavanju stranih jezika, saobraćajnih pravila, računovodstva, zakonodavstva općenito i poreznog zakonodavstva posebno. I sve to popraćeno je tekstovima i crtežima, govornim informacijama i animacijama, muzikom i video zapisom. U čisto domaćem pogledu, CD-ovi se mogu koristiti za pohranjivanje audio i video zapisa, tj. umjesto plejera koristite audio kasete i video kasete. Vrijedi spomenuti, naravno, veliki broj programa kompjuterskih igara pohranjenih na CD-ovima.

Dakle, CD-ROM omogućava pristup ogromnim količinama informacija snimljenih na CD-ovima koji su raznoliki kako u pogledu funkcionalnosti tako iu pogledu okruženja za reprodukciju.

Dodatne šeme. Na sistemsku sabirnicu i na PC MP zajedno sa tipično eksterni uređaji mogu biti povezani i neki dodatno ploče s integriranim krugovima koji proširuju i poboljšavaju funkcionalnost mikroprocesora: matematički koprocesor, kontroler direktnog pristupa memoriji, ulazno/izlazni koprocesor, kontroler prekida itd.

Matematički koprocesorširoko se koristi za ubrzano izvršavanje operacija nad binarnim brojevima s pomičnim zarezom, nad binarno kodiranim decimalnim brojevima i za izračunavanje nekih transcendentalnih, uključujući trigonometrijske, funkcije. Matematički koprocesor ima svoj komandni sistem i radi paralelno (u vremenu) sa glavnim MP, ali pod kontrolom potonjeg. Operacije su desetostruko ubrzane. Najnoviji MP modeli, počevši od MP 80486 DX, uključuju koprocesor u svojoj strukturi.

Kontroler direktnog pristupa memoriji oslobađa MP od direktne kontrole magnetnih diskova, što značajno povećava efektivne performanse računara. Bez ovog kontrolera, razmjena podataka između VSD-a i RAM-a se vrši preko MP registra, a ako je prisutan, podaci se direktno prenose između VSD-a i RAM-a, zaobilazeći MP.

I/O koprocesor zbog paralelnog rada sa MP značajno ubrzava izvršavanje I/O procedura pri servisiranju više eksternih uređaja (displej, štampač, HDD, HDD itd.); oslobađa MP od obrade I/O procedura, uključujući implementaciju načina direktnog pristupa memoriji.

Kontrolor prekida igra vitalnu ulogu u PC-u.

Prekini– privremeno zaustavljanje izvršavanja jednog programa radi što bržeg izvršavanja drugog, trenutno važnijeg (prioritetnog) programa

Prekidi se javljaju konstantno kada računar radi. Dovoljno je reći da se sve procedure unosa/izlaza informacija izvode pomoću prekida, na primjer, prekidi tajmera se javljaju i servisira ih kontroler prekida 18 puta u sekundi (prirodno, korisnik ih ne primjećuje).

Kontroler prekida opslužuje procedure prekida, prima zahtjev za prekid od eksternih uređaja, određuje nivo prioriteta ovog zahtjeva i daje MP signal prekida. MP, nakon što je primio ovaj signal, obustavlja izvršavanje trenutnog programa i nastavlja sa izvršavanjem posebnog programa za servisiranje prekida koji je eksterni uređaj zatražio. Nakon završetka programa održavanja, prekinuti program se nastavlja. Kontroler prekida je programabilan.

Arhitektura računara i von Neumann principi

Termin "arhitektura" se koristi za opisivanje principa rada, konfiguracije i međusobnog povezivanja glavnih logičkih čvorova računara. Arhitektura je hijerarhija na više nivoa hardvera i softvera od kojih je izgrađen računar.

Temelje doktrine kompjuterske arhitekture postavio je istaknuti američki matematičar John von Neumann. Prvi Eniak računar nastao je u SAD-u 1946. Grupa kreatora je uključivala von Neumann, koji je predložio osnovni principi kompjuterske konstrukcije: prelazak na binarni sistem brojeva za predstavljanje informacija i princip pohranjenog programa.

Predloženo je da se računski program smjesti u skladišni uređaj računara, čime bi se osiguralo automatsko izvršavanje naredbi i kao posljedica toga povećala brzina rada računara. (Podsjetimo se da su ranije svi računari pohranjivali obrađene brojeve u decimalnom obliku, a programi su bili specificirani instaliranjem kratkospojnika na poseban patch panel.) Neumann je prvi pretpostavio da se program može pohraniti i kao skup nula i jedinica, te u istu memoriju kao i brojeve koje obrađuje.

Osnovni principi kompjuterske konstrukcije:

1. Svaki računar se sastoji od tri glavne komponente: procesora, memorije i uređaja. ulaz-izlaz (I/O).

2. Informacije sa kojima računar radi dele se na dve vrste:

    skup naredbi za obradu (programi); podatke koji se obrađuju.

3. I naredbe i podaci se unose u memoriju (RAM) – princip uskladištenog programa .

4. Obradom upravlja procesor čija kontrolna jedinica (CU) bira komande iz RAM-a i organizuje njihovo izvršavanje, a aritmetičko-logička jedinica (ALU) vrši aritmetičke i logičke operacije nad podacima.


5. Ulazno/izlazni uređaji (I/O) su povezani na procesor i RAM.

Fon Nojman ne samo da je izneo osnovne principe logičke strukture računara, već je predložio i strukturu koja je reprodukovana tokom prve dve generacije računara.

Eksterni uređaj za pohranu (ESD)

Rice. 1. Arhitektura računara Kraj forme,

Memorija sa slučajnim pristupom (RAM)
izgrađena na principima

von Neumann

- smjer tokova informacija; - usmjeravanje upravljačkih signala od procesora do drugih računarskih čvorova

Osnove arhitekture računarskih uređaja koje je razvio von Neumann pokazali su se toliko fundamentalnim da su u literaturi dobili naziv „von Neumannova arhitektura“. Velika većina današnjih VM-ova jeste von Neumann mašine.

Pojava treće generacije računara bila je posledica prelaska sa tranzistora na integrisana kola, što je dovelo do povećanja brzine procesora. Sada je procesor bio primoran da miruje, čekajući informacije od sporijih ulazno/izlaznih uređaja, a to je smanjilo efikasnost čitavog računara u celini. Da bi se riješio ovaj problem, stvorena su posebna kola za kontrolu rada vanjskih uređaja, ili jednostavno kontrolori.

Arhitektura savremenih personalnih računara zasnovana je na kičmeno-modularni princip. Informaciona komunikacija između računarskih uređaja se odvija putem sistemska sabirnica(drugi naziv je sistemski autoput).

Sabirnica je kabl koji se sastoji od mnogo provodnika. Jedna grupa dirigenata - sabirnica podataka obrađene informacije se prenose, s druge strane - adresna sabirnica- adrese memorije ili eksternih uređaja kojima procesor pristupa. Treći deo autoputa - kontrolna sabirnica, preko njega se prenose upravljački signali (npr. signal da je uređaj spreman za rad, signal za početak rada uređaja itd.).

Kako radi sistemska magistrala? Već smo rekli da jedan i nula bit postoje samo u glavama programera. Za procesor su stvarni samo naponi na njegovim kontaktima. Svaki pin odgovara jednom bitu, a procesor treba samo da razlikuje dva nivoa napona: da/ne, visoki/niski. Dakle, adresa za procesor je niz napona na posebnim kontaktima koji se nazivaju adresna magistrala. Možete zamisliti da nakon što su naponi postavljeni na kontaktima adresne magistrale, naponi se pojavljuju na kontaktima sabirnice podataka, kodirajući broj pohranjen na navedenoj adresi. Ova slika je vrlo gruba jer je potrebno vrijeme za preuzimanje podataka iz memorije. Kako bi se izbjegla zabuna, rad procesora kontrolira poseban generator takta. On proizvodi impulse koji dijele rad procesora u zasebne korake. Jedinica procesorskog vremena je jedan ciklus takta, odnosno interval između dva impulsa generatora takta.

Naponi koji se pojavljuju na adresnoj magistrali procesora nazivaju se fizička adresa. U stvarnom načinu rada, procesor radi samo s fizičkim adresama. Naprotiv, zaštićeni način rada procesora je zanimljiv jer program radi sa logičkim adresama, a procesor ih nevidljivo pretvara u fizičke. Windows sistem koristi zaštićeni način rada za procesor. Moderni operativni sistemi i programi zahtijevaju toliko memorije da je zaštićeni način rada procesora postao mnogo "stvarniji" od njegovog stvarnog načina rada.

Sistemska sabirnica je karakterizirana sat frekvencija i dubina bita. Poziva se broj bitova koji se istovremeno prenose na magistralu širina sabirnice. Frekvencija takta karakterizira broj elementarnih operacija prijenosa podataka u sekundi. Širina magistrale se mjeri u bitovima, frekvencija takta se mjeri u megahercima.


Sve informacije koje se prenose od procesora do drugih uređaja putem sabirnice podataka prate adresa prenosi preko adresne magistrale. To može biti adresa memorijske ćelije ili adresa perifernog uređaja. Neophodno je da širina magistrale omogući prenos adrese memorijske ćelije. Dakle, riječima, širina magistrale ograničava količinu RAM-a računala, ne može biti veća od , gdje je n širina magistrale. Važno je da performanse svih uređaja povezanih na magistralu budu dosljedne. Nije mudro imati brz procesor i sporu memoriju, ili brz procesor i memoriju, već spor hard disk.

Rice. 2. Dijagram računara izgrađenog na principu okosnice

U savremenim računarima je implementiran princip otvorene arhitekture, omogućavajući korisniku da sastavi potrebnu konfiguraciju računara i, ako je potrebno, da je nadogradi.

Konfiguracija Računar se odnosi na stvarnu kolekciju kompjuterskih komponenti koje čine računar. Princip otvorene arhitekture omogućava vam da promijenite sastav računarskih uređaja. Dodatni periferni uređaji se mogu povezati na informacioni autoput, a neki modeli uređaja mogu se zamijeniti drugima.

Hardversko povezivanje perifernog uređaja sa kičmom na fizičkom nivou vrši se preko posebnog bloka - kontroler(drugi nazivi - adapter, ploča, kartica). Postoje posebni konektori za ugradnju kontrolera na matičnu ploču - slotovi.

Softverska kontrola rada perifernog uređaja vrši se kroz program - vozač, koji je komponenta operativnog sistema. Pošto postoji veliki izbor uređaja koji se mogu instalirati na računar, svaki uređaj obično dolazi sa drajverom koji je u direktnoj interakciji sa ovim uređajem.

Računar komunicira sa vanjskim uređajima putem luke– specijalni konektori na zadnjoj ploči računara. Razlikovati sekvencijalno I paralelno luke. Serijski (COM – portovi) se koriste za povezivanje manipulatora, modema i prenos malih količina informacija na velike udaljenosti. Paralelni (LPT - portovi) se koriste za povezivanje štampača, skenera i prenos velikih količina informacija na kratke udaljenosti. Nedavno su postali široko rasprostranjeni univerzalni serijski portovi (USB) na koje možete povezati različite uređaje.

Na svakodnevnom nivou, većina ljudi snažno povezuje pojam "arhitektura" sa raznim zgradama i drugim inženjerskim strukturama. Dakle, možemo govoriti o arhitekturi gotičke katedrale, Ajfelovog tornja ili opere. U drugim oblastima ovaj termin se koristi prilično retko, ali za računare je koncept „arhitekture računara“ (elektronskog računara) već čvrsto uspostavljen i široko se koristi od 70-ih godina prošlog veka. Da biste razumjeli kako se programi i skripte izvršavaju na računaru, prvo morate znati kako svaka od njegovih komponenti funkcionira. Osnove doktrine kompjuterske arhitekture, o kojima se govori u lekciji, postavio je Džon fon Nojman. U ovoj lekciji možete saznati više o logičkim čvorovima, kao i o osnovno-modularnom principu arhitekture modernih personalnih računara.

Principe koji su u osnovi kompjuterske arhitekture formulisao je 1945. Džon fon Nojman, koji je razvio ideje Čarlsa Bebidža, koji je rad računara predstavio kao rad skupa uređaja: obrada, kontrola, memorija, ulaz-izlaz.

Von Neumannovi principi.

1. Princip homogenosti memorije. Na naredbama možete izvršiti iste radnje kao i na podacima.

2. Princip adresiranosti memorije. Glavna memorija je strukturno sastavljena od numerisanih ćelija; Svaka ćelija je dostupna procesoru u bilo koje vrijeme. To podrazumijeva mogućnost imenovanja memorijskih područja tako da se vrijednostima pohranjenim u njima kasnije može pristupiti ili promijeniti tijekom izvršavanja programa korištenjem dodijeljenih imena.

3. Princip sekvencijalnog upravljanja programom. Pretpostavlja se da se program sastoji od skupa naredbi koje procesor izvršava automatski jednu za drugom u određenom nizu.

4. Princip arhitektonske krutosti. Nepromjenjivost topologije, arhitekture i liste naredbi tokom rada.

Računari izgrađeni na von Neumann principima imaju klasičnu arhitekturu, ali osim nje, postoje i drugi tipovi arhitekture. Na primjer, Harvard. Njegove karakteristične karakteristike su:

  • skladište instrukcija i skladište podataka su različiti fizički uređaji;
  • Kanal instrukcija i kanal podataka su također fizički odvojeni.

U istoriji razvoja računarske tehnologije, otprilike svakih 10 godina dogodio se kvalitativni skok. Ovaj skok je povezan sa pojavom nove generacije računara. Ideja o podjeli mašina pojavila se zbog činjenice da je tokom kratke istorije svog razvoja kompjuterska tehnologija doživjela veliku evoluciju kako u pogledu elementarne baze (lampe, tranzistori, mikrokrugovi, itd.), tako iu smislu promjena u njegovoj strukturi, pojava novih mogućnosti, te proširenje područja primjene i prirode korištenja. Više detalja faze razvoja kompjutera prikazano na sl. 2. Da bismo razumjeli kako i zašto je jedna generacija zamijenjena drugom, potrebno je znati značenje pojmova kao što su memorija, brzina, stepen integracije itd.

Rice. 2. Generacije računara ()

Među računarima koji nisu klasične, ne von Neumannove arhitekture, izdvajamo takozvane neuroračunare. Oni simuliraju rad ljudskih moždanih ćelija, neurona, kao i nekih dijelova nervnog sistema koji su sposobni da razmjenjuju signale.

Svaki logički čvor računara obavlja svoje funkcije. Funkcije procesor(slika 3):

- obradu podataka (izvođenje aritmetičkih i logičkih operacija nad njima);

- upravljanje svim ostalim računarskim uređajima.

Rice. 3. Računarska centralna procesorska jedinica ()

Program se sastoji od zasebnih komandi. Komanda uključuje šifru operacije, adrese operanada (količine koje učestvuju u operaciji) i adresu rezultata.

Izvršenje naredbe je podijeljeno u sljedeće faze:

· odabir tima;

  • generisanje adrese sledeće komande;
  • dekodiranje naredbi;
  • izračunavanje adresa operanda;
  • izbor operanda;
  • izvršenje operacije;
  • formiranje znaka rezultata;
  • snimanje rezultata.

Nisu sve faze prisutne prilikom izvršavanja bilo koje instrukcije (u zavisnosti od tipa instrukcije), ali se faze preuzimanja, dekodiranja, generisanja adrese sledeće instrukcije i izvršavanja operacije uvek odvijaju. U određenim situacijama moguća su još dva koraka:

  • indirektno adresiranje;
  • odgovor na prekid.

RAM(Sl. 4) je raspoređen na sljedeći način:

  • primanje informacija od drugih uređaja;
  • pamćenje informacija;
  • prijenos informacija na zahtjev na druge kompjuterske uređaje.

Rice. 4. RAM (Random Access Memory) računara ()

Arhitektura savremenih računara zasnovana je na kičmeno-modularni princip(Sl. 5). Modularni princip vam omogućava da dovršite željenu konfiguraciju i izvršite potrebne nadogradnje. Oslanja se na princip magistrale za razmjenu informacija između modula. Sistemska ili kompjuterska sabirnica uključuje nekoliko magistrala za različite svrhe. Okosnica uključuje tri multi-bitne magistrale:

  • sabirnica podataka;
  • adresna sabirnica;
  • kontrolna sabirnica.

Rice. 5. Backbone-modular princip konstrukcije PC-a

Sabirnica podataka se koristi za prijenos različitih podataka između računarskih uređaja; adresna magistrala se koristi za adresiranje prenesenih podataka, odnosno za određivanje njihove lokacije u memoriji ili u ulazno/izlaznim uređajima; Upravljačka magistrala uključuje upravljačke signale koji služe za privremenu koordinaciju rada različitih računarskih uređaja, za određivanje smjera prijenosa podataka, za određivanje formata prenesenih podataka itd.

Ovaj princip važi za različite računare, koji se mogu podeliti u tri grupe:

  • stacionarno;
  • kompaktni (laptopi, netbookovi, itd.);
  • džep (pametni telefoni, itd.).

Sistemska jedinica desktop računara ili kompaktno kućište sadrži glavne logičke jedinice - matičnu ploču s procesorom, napajanje, eksterne memorijske pogone itd.

Bibliografija

1. Bosova L.L. Računarstvo i IKT: Udžbenik za 8. razred. - M.: BINOM. Laboratorij znanja, 2012.

2. Bosova L.L. Informatika: Radna sveska za 8. razred. - M.: BINOM. Laboratorij znanja, 2010.

3. Astafieva N.E., Rakitina E.A., Računarstvo u shemama. - M.: BINOM. Laboratorija znanja, 2010.

4. Tannenbaum E. Arhitektura računara. - 5th ed. - Sankt Peterburg: Peter, 2007. - 844 str.

1. Internet portal “Svi savjeti” ()

2. Internet portal “Elektronska enciklopedija “Računar”” ()

3. Internet portal “apparatnoe.narod.ru” ()

Zadaća

1. Poglavlje 2, §2.1, 2.2. Bosova L.L. Računarstvo i IKT: Udžbenik za 8. razred. - M.: BINOM. Laboratorij znanja, 2012.

2. Šta znači skraćenica COMPUTER?

3. Šta znači pojam „Arhitektura računara“?

4. Ko je formulisao osnovne principe u osnovi kompjuterske arhitekture?

5. Na čemu se zasniva arhitektura savremenih računara?

6. Navedite glavne funkcije centralnog procesora i RAM-a računara.

U svakoj oblasti nauke i tehnologije postoje neke fundamentalne ideje ili principi koji određuju njen sadržaj i razvoj. U kompjuterskoj nauci, ulogu takvih fundamentalnih ideja imali su principi formulisani nezavisno jedan od drugog - od strane američkog matematičara i fizičara Džona fon Nojmana (1903-1957) i sovjetskog naučnika Sergeja Lebedeva (1902-1974). Ovi principi definišu osnovnu organizaciju računara.

Smatra se da je prvi elektronski računar ENIAC proizveden u SAD 1946. godine. ENIAC se sastojao od 18.000 vakumskih cijevi i 1.500 releja i težio je 30 tona. Imao je 20 registara, od kojih je svaki mogao da sadrži 10-bitni decimalni broj. Uređaj" (jun 1946.). Ovaj izveštaj, koji su sastavili istaknuti američki matematičar Džon fon Nojman i njegove kolege sa Prinstonskog instituta G. Goldštajn i A. Burks, predstavlja projekat novog elektronskog računara. Ideje izražene u ovom izvještaju poznate su kao Neumann principi.

Govoreći o začetnicima teorijske informatike, ne mogu se ne spomenuti dva naučna dostignuća: algebra logike i teorija algoritama. Logičku algebru je sredinom 19. vijeka razvio engleski matematičar George Boole i on je smatrao metodom matematiziranja formalne logike. Razvoj elektronskih računara zasnovanih na on-off elektronskim elementima omogućio je široku upotrebu "Booleove logike" za projektovanje računarskih kola. U prvoj polovini 30-ih godina 20. veka pojavljuju se matematički radovi u kojima je dokazana fundamentalna mogućnost rešavanja bilo kog problema koji se može algoritamski obraditi pomoću automata. Ovaj dokaz je sadržan u radovima engleskog matematičara E. Posta objavljenim 1936. godine. (George Boole (1815-1864), Alan Turing (1912-1954)).

U Sovjetskom Savezu rad na stvaranju elektronskih računara počeo je nešto kasnije. Prvi sovjetski elektronski računar proizveden je u Kijevu 1953. godine. Zvao se MESM (mali elektronski računar), a njegov glavni projektant bio je akademik Sergej Lebedev, autor dizajna računara serije BESM (veliki elektronski računar). U projektu MESM, Sergej Lebedev je, nezavisno od Nojmana, došao do istih ideja za projektovanje elektronskih računara kao i Neumann.

Suština “Neumanovih principa” je bila sljedeća:

1. Računar uključuje međusobno povezani procesor (aritmetička jedinica i kontrolni uređaj), memoriju i I/O uređaj.

2. Računari zasnovani na elektronskim elementima moraju raditi u binarnom brojevnom sistemu, a ne u decimalnom.

3. Program, kao i brojevi sa kojima računar radi, napisani su u binarnom kodu, odnosno u obliku prikaza komande i brojevi su istog tipa.

4. Program mora biti lociran u jednom od kompjuterskih blokova - u uređaju za skladištenje koji ima nasumični pristup. Program i podaci mogu biti u zajedničkoj memoriji (Princeton arhitektura).

5. Poteškoće fizičke implementacije brzog, nepromjenjivog i velikog memorijskog uređaja za skladištenje zahtijevaju hijerarhijsku organizaciju memorije. Program se izvršava iz glavne memorije i pohranjuje u nepromjenjivu sekundarnu memoriju (magnetne diskove). Datoteka je identifikacijski skup instanci tipa podataka koji je u potpunosti opisan u određenom programu, smješten izvan programa u vanjskoj memoriji i dostupan programu putem posebnih operacija.

6. Aritmetičko-logička jedinica (ALU) računara je konstruisana na osnovu kola koja vrše sabiranje, pomeranje i logičke operacije. Pored rezultata operacije, ALU generiše brojne atribute rezultata (zastavice) koji se mogu analizirati prilikom izvršavanja naredbe za prijenos uvjetne kontrole.

mob_info