Principes de Von Neumann pour la construction d'un ordinateur électronique. Architecture de Von Neumann : l'histoire du terme Les principes de von Neumann

Quelles réalisations informatiques John von Neumann a réalisées au XXe siècle, vous l'apprendrez dans cet article.

Avant de parler de ses réalisations en informatique, il convient de parler des premiers pas du scientifique sur le chemin de la science. Son premier ouvrage, « Vers l'introduction des nombres ordinaux transfinis », a été publié en 1923 à l'Université de Szeged, où il a étudié. Dans sa thèse de doctorat, il développé un système d'axiomes. En 1925, Neumann soutient sa thèse sur le thème « Construction axiomatique de la théorie des ensembles » à l'Université de Budapest et obtient un diplôme d'ingénieur chimiste à l'Université de Zurich. En 1927, il devient privatdozent à l'Université de Berlin et deux ans plus tard à l'Université de Hambourg. En 1931, il reçut une chaire à l'Université de Princeton.

Réalisations de John von Neumann en informatique

Entre 1943 et 1946, le premier ordinateur (électro-ordinateur) a été construit, nommé ENIAC. John von Neumann a suggéré à ses développeurs comment simplifier la programmation de la machine en la modifiant. UN dans la création de la deuxième machine EDVAC - il a déjà participé activement au développement d'un calculateur électronique automatique à variables discrètes. Il était responsable du développement d'un schéma logique détaillé de la machine, dans lequel les éléments informatiques idéalisés étaient des unités structurelles. Ces éléments idéalisés constituent une avancée en informatique, car ils permettent de séparer le circuit logique de sa mise en œuvre technique.

John von Neumann a proposé d'utiliser un système de mémoire électrostatique au lieu d'une ligne à retard comme éléments de mémoire. La machine nouvellement créée a été baptisée JONIAC, en l'honneur de Neumann.

Les travaux scientifiques de l'auteur sont « Sur les fondements de la mécanique quantique », « Justification mathématique de la mécanique quantique », « Construction théorique et probabiliste de la mécanique quantique », « Thermodynamique des systèmes de mécanique quantique », « Vers la théorie de la preuve de Hilbert », « Vers la théorie des jeux stratégiques », « Sur la définition par induction transfinie et questions connexes de la théorie générale des ensembles », « Sur un problème de cohérence de la théorie axiomatique des ensembles ».

Outre le fait qu'il participé à la création d'un ordinateur, le scientifique fut le premier à formuler les principes de fonctionnement d'un ordinateur. Principes formulés par John von Neumann :

  • Le principe d'un système binaire de calcul de commandes et de données.
  • Le principe du contrôle du programme. Un programme est un ensemble de commandes exécutées par le processeur dans un certain ordre.
  • Le principe d'homogénéité de la mémoire. Toutes les données sont stockées et codées dans une seule mémoire.
  • Le principe de l'adressabilité de la mémoire. La mémoire est constituée de cellules numérotées et le processeur a un accès aléatoire à chacune d'entre elles.
  • Le principe du contrôle séquentiel des programmes. Les commandes stockées en mémoire sont exécutées une par une après la fin de la commande précédente.
  • Le principe de transition conditionnelle. Il a été formulé

· utilisation système binaire pour représenter des nombres. Les travaux de Von Neumann ont démontré les avantages du système binaire pour la mise en œuvre technique, la commodité d'effectuer des opérations arithmétiques et logiques. Plus tard, ils ont commencé à traiter des types d’informations non numériques : texte, graphique, son, etc. Le codage binaire est la base d'un ordinateur moderne.

· principes du programme stocké. Un programme écrit à l'aide de codes binaires doit être stocké dans la même mémoire que les données en cours de traitement.

· principe de ciblage. Les commandes et les données sont déplacées vers des emplacements mémoire accessibles par adresse. L'adresse d'une cellule est son numéro ; l'emplacement des informations dans la RAM est également codé sous forme de systèmes binaires.

Dans un ordinateur, selon le principe de von Neumann, les instructions sont lues séquentiellement dans la mémoire et exécutées. Le numéro (adresse) de la cellule mémoire suivante à partir de laquelle la commande de programme est extraite est généré et stocké dans un compteur de programme spécial.

Conformément aux principes de von Neumann, un ordinateur doit contenir les périphériques suivants :

· Une unité arithmétique et logique (ALU) est conçue pour traiter les informations codées et peut effectuer des opérations arithmétiques et logiques : ;

· Le dispositif de contrôle (CU) organise l'exécution des programmes ;

· Mémoire ou périphérique de stockage (mémoire) - stockage de programmes et de données. La mémoire de l'ordinateur est constituée d'un certain nombre de cellules numérotées. Chacun d'eux peut contenir des données traitées ou des instructions de programme ;

· Les périphériques externes pour l'entrée et la sortie d'informations fournissent des informations directes et des commentaires.

Considérons la composition et le but des principaux blocs PC (Fig. 2).

Riz. 2. Schéma fonctionnel d'un ordinateur personnel

Microprocesseur (MP). Il s'agit de l'unité centrale du PC, conçue pour contrôler le fonctionnement de tous les blocs de la machine et effectuer des opérations arithmétiques et logiques sur les informations.

Le microprocesseur comprend :

§ dispositif de contrôle(CU) – génère et fournit à tous les blocs de la machine au bon moment certains signaux de commande (impulsions de commande), déterminés par les spécificités de l'opération en cours et les résultats des opérations précédentes ; génère des adresses de cellules mémoire utilisées par l'opération en cours et transmet ces adresses aux blocs informatiques correspondants ; le dispositif de commande reçoit une séquence de référence d'impulsions provenant du générateur d'impulsions d'horloge ;

§ Unité arithmétique et logique(ALU) – conçu pour effectuer toutes les opérations arithmétiques et logiques sur des informations numériques et symboliques (dans certains modèles de PC, un coprocesseur mathématique);

§ mémoire du microprocesseur(MPP) – sert au stockage, à l’enregistrement et à la sortie à court terme d’informations directement utilisées dans les calculs des prochains cycles de fonctionnement de la machine. MPP est construit sur des registres et est utilisé pour assurer une vitesse élevée de la machine, car la mémoire principale (RAM) ne fournit pas toujours la vitesse d'écriture, de recherche et de lecture des informations nécessaires au fonctionnement efficace d'un microprocesseur à grande vitesse. Registres– des cellules mémoire à grande vitesse de différentes longueurs (contrairement aux cellules OP, qui ont une longueur standard de 1 octet et une vitesse inférieure) ;

§ système d'interface à microprocesseur– met en œuvre le couplage et la communication avec d’autres appareils PC ; comprend une interface MP interne, des registres de stockage tampon et des circuits de contrôle pour les ports d'entrée/sortie (E/S) et le bus système. Interface(interface) – un ensemble de moyens permettant de coupler et de communiquer des appareils informatiques, garantissant leur interaction efficace. Port E/S(E/S – port d'entrée/sortie) – équipement d'interface qui vous permet de connecter un autre périphérique PC au microprocesseur.

Générateur d'horloge. Il génère une séquence d'impulsions électriques ; la fréquence des impulsions générées détermine la fréquence d'horloge de la machine.

L'intervalle de temps entre les impulsions adjacentes détermine la durée d'un cycle de fonctionnement de la machine ou simplement cycle de fonctionnement de la machine.

La fréquence du générateur d'impulsions d'horloge est l'une des principales caractéristiques d'un ordinateur personnel et détermine en grande partie la vitesse de son fonctionnement, car chaque opération dans la machine est effectuée selon un certain nombre de cycles d'horloge.

Bus système. Il s’agit du principal système d’interface d’un ordinateur, assurant l’appairage et la communication de tous ses appareils entre eux.

Le bus système comprend :

§ bus de données de code(KSD), contenant des fils et des circuits d'interface pour la transmission parallèle de tous les bits du code numérique (mot machine) de l'opérande ;

§ bus de code d'adresse(KSA), y compris les fils et circuits d'interface pour la transmission parallèle de tous les bits du code d'adresse d'une cellule de mémoire principale ou d'un port d'entrée/sortie d'un périphérique externe ;

§ bus de codes d'instructions(KShI), contenant des fils et des circuits d'interface pour transmettre des instructions (signaux de commande, impulsions) à tous les blocs de la machine ;

§ bus de puissance, ayant des fils et des circuits d'interface pour connecter les unités PC au système d'alimentation.

Le bus système fournit trois directions de transfert d'informations :

1) entre le microprocesseur et la mémoire principale ;

2) entre le microprocesseur et les ports d'entrée/sortie des appareils externes ;

3) entre la mémoire principale et les ports E/S des périphériques externes (en mode accès direct à la mémoire).

Tous les blocs, ou plutôt leurs ports d'E/S, sont connectés au bus de la même manière via les connecteurs unifiés (joints) correspondants : directement ou via contrôleurs (adaptateurs). Le bus système est contrôlé par le microprocesseur soit directement, soit, le plus souvent, via une puce supplémentaire - contrôleur de bus, générer les principaux signaux de commande. L'échange d'informations entre les appareils externes et le bus système s'effectue à l'aide de codes ASCII.

Mémoire principale (RAM). Il est conçu pour stocker et échanger rapidement des informations avec d'autres unités de la machine. L'OP contient deux types de périphériques de stockage : la mémoire morte (ROM) et la mémoire vive (RAM).

ROM sert à stocker des informations de programme et de référence immuables (permanentes) ; il vous permet de lire rapidement uniquement les informations qui y sont stockées (les informations dans la ROM ne peuvent pas être modifiées).

RAM conçu pour l'enregistrement, le stockage et la lecture en ligne d'informations (programmes et données) directement impliquées dans le processus d'information et de calcul effectué par un PC au cours de la période de temps actuelle. Les principaux avantages de la RAM sont ses hautes performances et la possibilité d'accéder à chaque cellule mémoire séparément (accès direct à l'adresse de la cellule). Comme inconvénient de la RAM, il convient de noter qu'il est impossible d'y enregistrer des informations après avoir coupé l'alimentation de la machine (dépendance à la volatilité).

Mémoire externe. Il fait référence aux périphériques externes du PC et est utilisé pour le stockage à long terme de toute information pouvant être nécessaire pour résoudre des problèmes. En particulier, tous les logiciels informatiques sont stockés dans une mémoire externe. La mémoire externe contient différents types de périphériques de stockage, mais les plus courants, disponibles sur presque tous les ordinateurs, sont les lecteurs de disque dur (HDD) et les lecteurs de disquettes (FLMD).

Le but de ces lecteurs est de stocker de grandes quantités d'informations, d'enregistrer et de libérer les informations stockées sur demande dans un dispositif de mémoire vive. Les disques durs et les disques plats ne diffèrent que par leur conception, le volume d'informations stockées et le temps nécessaire à la recherche, à l'enregistrement et à la lecture des informations.

Les périphériques de stockage sur cassette magnétique (streamers), lecteurs de disques optiques (CD-ROM - Compact Disk Read Only Memory - CD avec mémoire morte), etc. sont également utilisés comme périphériques de mémoire externes. (cm. sous-section 4.4).

Source de courant. Il s'agit d'un bloc contenant des systèmes d'alimentation autonomes et réseau pour un PC.

Minuteur. Il s'agit d'une horloge électronique intégrée à la machine qui permet, si nécessaire, un enregistrement automatique de l'instant présent (année, mois, heures, minutes, secondes et fractions de secondes). La minuterie est connectée à une source d'alimentation autonome - une batterie et continue de fonctionner lorsque la machine est déconnectée du réseau.

Périphériques externes (ED). C'est l'élément le plus important de tout complexe informatique. Qu'il suffise de dire qu'en termes de coût, les VA représentent parfois 50 à 80 % de l'ensemble du PC. La possibilité et l'efficacité de l'utilisation des PC dans les systèmes de contrôle et dans l'économie nationale dans son ensemble dépendent en grande partie de la composition et des caractéristiques de l'ordinateur.

Les ordinateurs PC assurent l'interaction de la machine avec l'environnement : utilisateurs, objets de contrôle et autres ordinateurs. Les EV sont très diverses et peuvent être classées selon un certain nombre de caractéristiques. Ainsi, selon leur destination, on distingue les types d'appareils suivants :

§ Périphériques de stockage externes (VSD) ou mémoire PC externe ;

§ outils de dialogue utilisateur ;

§ dispositifs de saisie d'informations ;

§ dispositifs de sortie d'informations ;

§ moyens de communication et de télécommunications.

Outils de dialogue les appareils utilisateur comprennent des moniteurs vidéo (écrans), moins souvent des machines à écrire télécommandées (imprimantes avec claviers) et des périphériques d'entrée/sortie vocale.

Moniteur vidéo (affichage)– un dispositif d’affichage des informations entrées et sorties d’un PC (cm. sous-section 4.5).

Périphériques d'entrée/sortie vocale appartiennent aux médias en pleine croissance. Les dispositifs de saisie vocale sont divers systèmes acoustiques à microphone, par exemple des « souris sonores », dotés d'un logiciel complexe qui leur permet de reconnaître les lettres et les mots prononcés par une personne, de les identifier et de les encoder.

Les dispositifs de sortie vocale sont divers synthétiseurs sonores qui convertissent les codes numériques en lettres et en mots qui sont reproduits via des haut-parleurs (haut-parleurs) ou des haut-parleurs connectés à un ordinateur.

À des dispositifs d'entrée se rapporter:

§ clavier– un dispositif permettant de saisir manuellement des informations numériques, textuelles et de contrôle dans un PC (cm. sous-section 4.5);

§ tablettes graphiques (numériseurs)– pour saisir manuellement des informations graphiques et des images en déplaçant un pointeur spécial (stylo) sur la tablette ; lorsque vous déplacez le stylet, les coordonnées de son emplacement sont automatiquement lues et ces coordonnées sont saisies dans le PC ;

§ scanners(machines de lecture) – pour la lecture automatique à partir de supports papier et la saisie de textes dactylographiés, de graphiques, d'images, de dessins sur un PC ; dans le dispositif de codage du scanner en mode texte, les caractères lus, après comparaison avec les contours de référence par des programmes spéciaux, sont convertis en codes ASCII, et en mode graphique, les graphiques et dessins lus sont convertis en séquences de coordonnées bidimensionnelles (cm. sous-section 4.5);

§ manipulateurs(dispositifs de pointage): manette- bras de levier , souris, trackball - balle dans un cadre, stylo lumineux etc. – pour saisir des informations graphiques sur l'écran d'affichage en contrôlant le mouvement du curseur sur l'écran, puis en encodant les coordonnées du curseur et en les saisissant dans le PC ;

§ écrans tactiles– pour saisir des éléments d'image individuels, des programmes ou des commandes à partir d'un écran partagé vers un PC.

À dispositifs de sortie d'informations se rapporter:

§ imprimantes– des dispositifs d'impression pour enregistrer des informations sur papier (cm. sous-section 4.5);

§ traceurs (traceurs)– pour sortir des informations graphiques (graphiques, dessins, dessins) d'un PC sur papier ; Il existe des traceurs vectoriels permettant de dessiner des images à l'aide d'un stylo et des traceurs raster : thermographiques, électrostatiques, à jet d'encre et laser. De par leur conception, les traceurs sont divisés en traceurs à plat et à tambour. Les principales caractéristiques de tous les traceurs sont à peu près les mêmes : vitesse de traçage – 100 - 1000 mm/s, les meilleurs modèles ont des images en couleur et une transmission en demi-teintes ; Les traceurs laser ont la résolution et la clarté d'image les plus élevées, mais ils sont les plus chers.

Dispositifs communications et télécommunications sont utilisés pour la communication avec des appareils et autres équipements d'automatisation (adaptateurs d'interface, adaptateurs, convertisseurs numérique-analogique et analogique-numérique, etc.) et pour connecter des PC à des canaux de communication, à d'autres ordinateurs et réseaux informatiques (cartes d'interface réseau , "joints" ", multiplexeurs de transmission de données, modems).

En particulier, montré sur la Fig. 4.2 Adaptateur de réseau est une interface externe d'un PC et sert à le connecter à un canal de communication pour échanger des informations avec d'autres ordinateurs, pour travailler dans le cadre d'un réseau informatique. Dans les réseaux mondiaux, les fonctions d'un adaptateur réseau sont assurées par un modulateur-démodulateur (modem, cm. Ch. 7).

De nombreux appareils mentionnés ci-dessus appartiennent à un groupe sélectionné de manière conditionnelle : le multimédia.

Multimédia(multimédia - multimédia) est un ensemble de matériels et de logiciels qui permettent à une personne de communiquer avec un ordinateur en utilisant une variété de supports naturels : son, vidéo, graphiques, textes, animation, etc.

Les moyens multimédias comprennent des dispositifs d'entrée et de sortie vocale ; des scanners déjà répandus (puisqu'ils permettent la saisie automatique de textes imprimés et de dessins dans un ordinateur) ; cartes vidéo (vidéo) et son (son) de haute qualité, cartes de capture vidéo (videograbber), qui capturent des images à partir d'un magnétoscope ou d'une caméra vidéo et les saisissent dans un PC ; systèmes de reproduction acoustique et vidéo de haute qualité avec amplificateurs, haut-parleurs, grands écrans vidéo. Mais, peut-être pour une raison encore plus grande, le multimédia inclut des périphériques de stockage externes de grande capacité sur disques optiques, souvent utilisés pour enregistrer des informations audio et vidéo.

Les CD sont largement utilisés, par exemple, dans l'étude des langues étrangères, du code de la route, de la comptabilité, de la législation en général et de la législation fiscale en particulier. Et tout cela est accompagné de textes et de dessins, d'informations vocales et d'animations, de musique et de vidéo. D'un point de vue purement domestique, les CD peuvent être utilisés pour stocker des enregistrements audio et vidéo, c'est-à-dire utiliser à la place du lecteur des cassettes audio et des cassettes vidéo. Il convient bien entendu de mentionner le grand nombre de programmes de jeux informatiques stockés sur CD.

Ainsi, le CD-ROM donne accès à d'énormes volumes d'informations enregistrées sur des CD qui sont divers tant en termes de fonctionnalités que d'environnement de lecture.

Schémas supplémentaires. Au bus système et au PC MP avec typique des appareils externes peuvent être connectés et certains supplémentaire cartes avec circuits intégrés qui étendent et améliorent les fonctionnalités du microprocesseur : coprocesseur mathématique, contrôleur d'accès direct à la mémoire, coprocesseur d'entrée/sortie, contrôleur d'interruption, etc.

Coprocesseur mathématique largement utilisé pour l'exécution accélérée d'opérations sur des nombres binaires à virgule flottante, sur des nombres décimaux codés en binaire et pour le calcul de certaines fonctions transcendantales, y compris trigonométriques. Le coprocesseur mathématique possède son propre système de commande et fonctionne en parallèle (dans le temps) avec le MP principal, mais sous le contrôle de ce dernier. Les opérations sont décuplées. Les derniers modèles MP, à commencer par le MP 80486 DX, incluent un coprocesseur dans leur structure.

Contrôleur d'accès direct à la mémoire libère le MP du contrôle direct des lecteurs de disques magnétiques, ce qui augmente considérablement les performances efficaces du PC. Sans ce contrôleur, l'échange de données entre le VSD et la RAM s'effectue via le registre MP, et s'il est présent, les données sont directement transférées entre le VSD et la RAM, en contournant le MP.

Coprocesseur d'E/S grâce au fonctionnement parallèle avec le MP, il accélère considérablement l'exécution des procédures d'E/S lors de la maintenance de plusieurs périphériques externes (écran, imprimante, disque dur, disque dur, etc.) ; libère le MP du traitement des procédures d'E/S, y compris la mise en œuvre du mode d'accès direct à la mémoire.

Le contrôleur d'interruption joue un rôle essentiel dans un PC.

Interrompre– arrêt temporaire de l’exécution d’un programme en vue de l’exécution rapide d’un autre programme actuellement plus important (prioritaire)

Des interruptions se produisent constamment lorsque l'ordinateur est en cours d'exécution. Il suffit de dire que toutes les procédures d'entrée/sortie d'informations sont effectuées à l'aide d'interruptions, par exemple, des interruptions de minuterie se produisent et sont traitées par le contrôleur d'interruption 18 fois par seconde (naturellement, l'utilisateur ne les remarque pas).

Contrôleur d'interruption sert les procédures d'interruption, reçoit une demande d'interruption de périphériques externes, détermine le niveau de priorité de cette demande et émet un signal d'interruption au MP. Le MP, après avoir reçu ce signal, suspend l'exécution du programme en cours et procède à l'exécution d'un programme spécial pour gérer l'interruption demandée par le périphérique externe. Une fois le programme de maintenance terminé, le programme interrompu reprend. Le contrôleur d'interruption est programmable.

Architecture informatique et principes de von Neumann

Le terme « architecture » est utilisé pour décrire le principe de fonctionnement, de configuration et d'interconnexion des principaux nœuds logiques d'un ordinateur. Architecture est une hiérarchie à plusieurs niveaux de matériel et de logiciels à partir de laquelle un ordinateur est construit.

Les bases de la doctrine de l'architecture informatique ont été posées par l'éminent mathématicien américain John von Neumann. Le premier ordinateur Eniak a été créé aux États-Unis en 1946. Le groupe de créateurs comprenait von Neumann, qui a suggéré principes de base de la construction informatique: passage au système de nombres binaires pour représenter l'information et principe d'un programme stocké.

Il a été proposé de placer le programme de calcul dans le périphérique de stockage de l'ordinateur, ce qui assurerait l'exécution automatique des commandes et, par conséquent, augmenterait la vitesse de l'ordinateur. (Rappelons qu'auparavant, tous les ordinateurs stockaient les nombres traités sous forme décimale et que les programmes étaient spécifiés en installant des cavaliers sur un panneau de brassage spécial.) Neumann fut le premier à deviner qu'un programme pouvait également être stocké sous la forme d'un ensemble de zéros et de uns, et dans la même mémoire et les nombres qu'il traite.

Principes de base de la construction informatique:

1. Tout ordinateur se compose de trois composants principaux : le processeur, la mémoire et le périphérique. entrée-sortie (E/S).

2. Les informations avec lesquelles l'ordinateur fonctionne sont divisées en deux types :

    un ensemble de commandes de traitement (programmes) ; données à traiter.

3. Les commandes et les données sont entrées dans la mémoire (RAM) – principe du programme stocké .

4. Le traitement est contrôlé par le processeur, dont l'unité de contrôle (CU) sélectionne les commandes de la RAM et organise leur exécution, et l'unité arithmétique-logique (ALU) effectue des opérations arithmétiques et logiques sur les données.


5. Les périphériques d'entrée/sortie (E/S) sont connectés au processeur et à la RAM.

Von Neumann a non seulement mis en avant les principes fondamentaux de la structure logique des ordinateurs, mais a également proposé une structure qui a été reproduite au cours des deux premières générations d'ordinateurs.

Périphérique de stockage externe (ESD)

Riz. 1. Architecture informatique Fin du formulaire,

Mémoire vive (RAM)
construit sur les principes

von Neumann

- direction des flux d'informations ; - direction des signaux de contrôle du processeur vers d'autres nœuds informatiques

Les principes fondamentaux de l'architecture des dispositifs informatiques développés par von Neumann se sont révélés si fondamentaux qu'ils ont reçu le nom d'« architecture de von Neumann » dans la littérature. La grande majorité des VM actuelles sont Machines de von Neumann.

L'émergence de la troisième génération d'ordinateurs est due au passage des transistors aux circuits intégrés, ce qui a entraîné une augmentation de la vitesse du processeur. Désormais, le processeur était obligé de rester inactif, attendant des informations provenant de périphériques d'entrée/sortie plus lents, ce qui réduisait l'efficacité de l'ensemble de l'ordinateur. Pour résoudre ce problème, des circuits spéciaux ont été créés pour contrôler le fonctionnement des appareils externes, ou simplement contrôleurs.

L'architecture des ordinateurs personnels modernes est basée sur principe modulaire de base. La communication d'informations entre les appareils informatiques s'effectue via bus système(un autre nom est système autoroute).

Un bus est un câble composé de nombreux conducteurs. Un groupe de chefs d'orchestre - bus de données les informations traitées sont transmises, d'autre part - bus d'adresses- les adresses de mémoire ou de périphériques externes auxquels accède le processeur. La troisième partie de l'autoroute - bus de commande, des signaux de commande y sont transmis (par exemple, un signal indiquant que l'appareil est prêt à fonctionner, un signal pour démarrer le fonctionnement de l'appareil, etc.).

Comment fonctionne le bus système ? Nous avons déjà dit que les bits un et zéro n'existent que dans la tête des programmeurs. Pour un processeur, seules les tensions à ses contacts sont réelles. Chaque broche correspond à un bit, et le processeur n'a qu'à distinguer deux niveaux de tension : oui/non, haut/bas. Par conséquent, l’adresse d’un processeur est une séquence de tensions sur des contacts spéciaux appelés bus d’adresse. Vous pouvez imaginer qu'une fois les tensions définies sur les contacts du bus d'adresse, des tensions apparaissent sur les contacts du bus de données, codant le numéro stocké à l'adresse spécifiée. Cette image est très approximative car il faut du temps pour récupérer les données de la mémoire. Pour éviter toute confusion, le fonctionnement du processeur est contrôlé par un générateur d'horloge spécial. Il produit des impulsions qui divisent le travail du processeur en étapes distinctes. L'unité de temps du processeur est un cycle d'horloge, c'est-à-dire l'intervalle entre deux impulsions du générateur d'horloge.

Les tensions apparaissant sur le bus d'adresse du processeur sont appelées adresse physique. En mode réel, le processeur ne fonctionne qu'avec des adresses physiques. Au contraire, le mode protégé du processeur est intéressant car le programme fonctionne avec des adresses logiques et le processeur les convertit de manière invisible en adresses physiques. Le système Windows utilise le mode protégé pour le processeur. Les systèmes d'exploitation et les programmes modernes nécessitent tellement de mémoire que le mode protégé du processeur est devenu bien plus « réel » que son mode réel.

Le bus système est caractérisé horloge fréquence et profondeur de bits. Le nombre de bits transmis simultanément sur le bus est appelé largeur du bus. Fréquence d'horloge caractérise le nombre d'opérations élémentaires de transfert de données par seconde. La largeur du bus est mesurée en bits, la fréquence d'horloge est mesurée en mégahertz.


Toute information transmise du processeur à d'autres appareils via le bus de données est accompagnée de adresse transmis via le bus d’adresse. Il peut s'agir de l'adresse d'une cellule mémoire ou de l'adresse d'un périphérique. Il faut que la largeur du bus permette de transmettre l'adresse de la cellule mémoire. Ainsi, en termes simples, la largeur du bus limite la quantité de RAM de l'ordinateur ; elle ne peut pas être supérieure à , où n est la largeur du bus ; Il est important que les performances de tous les appareils connectés au bus soient cohérentes. Il n'est pas judicieux d'avoir un processeur rapide et une mémoire lente, ou un processeur et une mémoire rapides, mais un disque dur lent.

Riz. 2. Schéma d'un ordinateur construit sur le principe du backbone

Dans les ordinateurs modernes, il est implémenté principe d'architecture ouverte, permettant à l'utilisateur d'assembler la configuration informatique dont il a besoin et, si nécessaire, de la mettre à niveau.

Configuration Un ordinateur fait référence à l’ensemble des composants informatiques qui composent un ordinateur. Le principe de l'architecture ouverte permet de modifier la composition des appareils informatiques. Des périphériques supplémentaires peuvent être connectés à l'autoroute de l'information et certains modèles d'appareils peuvent être remplacés par d'autres.

La connexion matérielle d'un périphérique au backbone au niveau physique s'effectue via un bloc spécial - manette(autres noms - adaptateur, carte, carte). Il existe des connecteurs spéciaux pour installer les contrôleurs sur la carte mère - machines à sous.

Le contrôle logiciel du fonctionnement d'un périphérique est effectué via le programme - conducteur, qui est un composant du système d'exploitation. Puisqu'il existe une grande variété de périphériques pouvant être installés sur un ordinateur, chaque périphérique est généralement livré avec un pilote qui interagit directement avec ce périphérique.

L'ordinateur communique avec des périphériques externes via ports– des connecteurs spéciaux sur le panneau arrière de l'ordinateur. Distinguer séquentiel Et parallèle ports. Les ports série (COM –) sont utilisés pour connecter des manipulateurs, un modem et transmettre de petites quantités d’informations sur de longues distances. Les ports parallèles (LPT) sont utilisés pour connecter des imprimantes, des scanners et transmettre de grandes quantités d'informations sur de courtes distances. Récemment, les ports série universels (USB) se sont répandus, auxquels vous pouvez connecter divers appareils.

Au quotidien, la plupart des gens associent fortement le terme « architecture » à divers bâtiments et autres ouvrages d’art. Ainsi, on peut parler de l'architecture d'une cathédrale gothique, de la Tour Eiffel ou d'un opéra. Dans d'autres domaines, ce terme est assez rarement utilisé, mais pour les ordinateurs, le concept d'« architecture informatique » (ordinateur électronique) est déjà solidement implanté et largement utilisé depuis les années 70 du siècle dernier. Afin de comprendre comment les programmes et les scripts sont exécutés sur un ordinateur, vous devez d'abord savoir comment fonctionne chacun de ses composants. Les bases de la doctrine de l'architecture informatique, abordées dans la leçon, ont été posées par John von Neumann. Vous pouvez en apprendre davantage sur les nœuds logiques, ainsi que sur le principe modulaire de base de l'architecture des ordinateurs personnels modernes dans cette leçon.

Les principes qui sous-tendent l'architecture informatique ont été formulés en 1945 par John von Neumann, qui a développé les idées de Charles Babbage, qui représentait le fonctionnement d'un ordinateur comme le fonctionnement d'un ensemble de dispositifs : traitement, contrôle, mémoire, entrées-sorties.

Les principes de Von Neumann.

1. Le principe d'homogénéité de la mémoire. Vous pouvez effectuer les mêmes actions sur les commandes que sur les données.

2. Le principe d'adressabilité de la mémoire. La mémoire principale est structurellement composée de cellules numérotées ; N'importe quelle cellule est disponible pour le processeur à tout moment. Cela implique la possibilité de nommer les zones de mémoire afin que les valeurs qui y sont stockées puissent ensuite être consultées ou modifiées pendant l'exécution du programme en utilisant les noms attribués.

3. Le principe du contrôle séquentiel des programmes. Il suppose qu'un programme consiste en un ensemble de commandes qui sont exécutées automatiquement par le processeur les unes après les autres dans un certain ordre.

4. Le principe de rigidité architecturale. Immuabilité de la topologie, de l'architecture et de la liste des commandes pendant le fonctionnement.

Les ordinateurs construits selon les principes de von Neumann ont une architecture classique, mais à côté d'elle, il existe d'autres types d'architecture. Par exemple, Harvard. Ses particularités sont :

  • le magasin d'instructions et le magasin de données sont des appareils physiques différents ;
  • Le canal d'instruction et le canal de données sont également physiquement séparés.

Dans l'histoire du développement de la technologie informatique, un saut qualitatif s'est produit environ tous les 10 ans. Ce bond est associé à l'avènement d'une nouvelle génération d'ordinateurs. L'idée des machines à diviser est apparue du fait qu'au cours de la courte histoire de son développement, la technologie informatique a connu une grande évolution tant au niveau de la base élémentaire (lampes, transistors, microcircuits, etc.), qu'au sens des changements dans sa structure, l'émergence de nouvelles opportunités et l'expansion des domaines d'application et de la nature de l'utilisation. Plus de détails étapes du développement informatique montré sur la fig. 2. Afin de comprendre comment et pourquoi une génération a été remplacée par une autre, il est nécessaire de connaître la signification de concepts tels que la mémoire, la vitesse, le degré d'intégration, etc.

Riz. 2. Générations informatiques ()

Parmi les ordinateurs qui ne sont pas classiques, ni d'architecture von Neumann, on peut distinguer ce qu'on appelle les neuroordinateurs. Ils simulent le travail des cellules du cerveau humain, des neurones ainsi que de certaines parties du système nerveux capables d'échanger des signaux.

Chaque nœud logique de l'ordinateur remplit ses propres fonctions. Les fonctions processeur(Fig. 3) :

- le traitement des données (effectuer sur celles-ci des opérations arithmétiques et logiques) ;

- contrôle de tous les autres appareils informatiques.

Riz. 3. Unité centrale de traitement informatique ()

Le programme se compose de commandes distinctes. La commande comprend le code de l'opération, les adresses des opérandes (les grandeurs qui participent à l'opération) et l'adresse du résultat.

L'exécution de la commande est divisée en les étapes suivantes :

· sélection d'équipe;

  • générer l'adresse de la commande suivante ;
  • décodage de commandes ;
  • calculer les adresses d'opérandes ;
  • sélection d'opérande ;
  • exécution de l'opération ;
  • formation d'un signe de résultat ;
  • enregistrer le résultat.

Toutes les étapes ne sont pas présentes lors de l'exécution d'une instruction (selon le type d'instruction), mais les étapes de récupération, de décodage, de génération de l'adresse de l'instruction suivante et d'exécution de l'opération ont toujours lieu. Dans certaines situations, deux étapes supplémentaires sont possibles :

  • adressage indirect ;
  • réponse à une interruption.

RAM(Fig. 4) est disposé comme suit :

  • recevoir des informations d'autres appareils ;
  • mémoriser des informations;
  • transfert d'informations sur demande vers d'autres appareils informatiques.

Riz. 4. RAM (Random Access Memory) de l'ordinateur ()

L'architecture des ordinateurs modernes est basée sur principe modulaire de base(Fig.5). Le principe modulaire permet de compléter la configuration souhaitée et de réaliser les évolutions nécessaires. Il s'appuie sur le principe du bus d'échange d'informations entre modules. Le bus système ou bus informatique comprend plusieurs bus à des fins diverses. Le backbone comprend trois bus multi-bits :

  • bus de données;
  • bus d'adresses ;
  • bus de commande.

Riz. 5. Principe modulaire de base de la construction d'un PC

Le bus de données est utilisé pour transférer diverses données entre appareils informatiques ; le bus d'adresse est utilisé pour adresser les données transférées, c'est-à-dire pour déterminer leur emplacement en mémoire ou dans des dispositifs d'entrée/sortie ; Le bus de contrôle comprend des signaux de commande qui servent à coordonner temporairement le fonctionnement de divers appareils informatiques, à déterminer la direction du transfert de données, à déterminer les formats de données transférées, etc.

Ce principe est valable pour différents ordinateurs, qui peuvent être divisés en trois groupes :

  • Stationnaire;
  • compact (ordinateurs portables, netbooks, etc.) ;
  • poche (smartphones, etc.).

L'unité centrale d'un ordinateur de bureau ou d'un boîtier compact contient les principales unités logiques - une carte mère avec un processeur, une alimentation, des lecteurs de mémoire externes, etc.

Bibliographie

1. Bosova L.L. Informatique et TIC : manuel pour la 8e année. - M. : BINOM. Laboratoire de connaissances, 2012.

2. Bosova L.L. Informatique : Cahier d'exercices pour la 8e année. - M. : BINOM. Laboratoire de connaissances, 2010.

3. Astafieva N.E., Rakitina E.A., L'informatique dans les schémas. - M. : BINOM. Laboratoire de connaissances, 2010.

4. Tannenbaum E. Architecture informatique. - 5e éd. - Saint-Pétersbourg : Peter, 2007. - 844 p.

1. Portail Internet « Tous les conseils » ()

2. Portail Internet « Encyclopédie électronique « Ordinateur » » ()

3. Portail Internet « apparatnoe.narod.ru » ()

Devoirs

1. Chapitre 2, §2.1, 2.2. Bosova L.L. Informatique et TIC : manuel pour la 8e année. - M. : BINOM. Laboratoire de connaissances, 2012.

2. Que signifie l'abréviation ORDINATEUR ?

3. Que signifie le terme « architecture informatique » ?

4. Qui a formulé les principes de base qui sous-tendent l'architecture informatique ?

5. Sur quoi est basée l’architecture des ordinateurs modernes ?

6. Nommez les principales fonctions du processeur central et de la RAM d'un PC.

Dans chaque domaine de la science et de la technologie, il existe des idées ou des principes fondamentaux qui déterminent son contenu et son développement. En informatique, le rôle de ces idées fondamentales a été joué par des principes formulés indépendamment les uns des autres - par le mathématicien et physicien américain John von Neumann (1903-1957) et le scientifique soviétique Sergei Lebedev (1902-1974). Ces principes définissent l'organisation de base d'un ordinateur.

On pense que le premier ordinateur électronique, ENIAC, a été fabriqué aux États-Unis en 1946. L'ENIAC était composé de 18 000 tubes à vide et de 1 500 relais et pesait 30 tonnes. Il comportait 20 registres, chacun pouvant contenir un nombre décimal de 10 bits. Une brillante analyse des forces et des faiblesses de la conception ENIAC a été présentée dans le rapport du Princeton Institute for Advanced Study « Discussion préliminaire sur la conception logique d'un ordinateur électronique ». Appareil" (juin 1946). Ce rapport, compilé par l'éminent mathématicien américain John von Neumann et ses collègues du Princeton Institute G. Goldstein et A. Burks, présentait un projet de nouvel ordinateur électronique. Les idées exprimées dans ce rapport sont connues sous le nom de Principes de Neumann.

Parlant des fondateurs de l'informatique théorique, on ne peut manquer de mentionner deux réalisations scientifiques : l'algèbre de la logique et la théorie des algorithmes. L'algèbre logique a été développée au milieu du XIXe siècle par le mathématicien anglais George Boole et était considérée par lui comme une méthode de mathématisation de la logique formelle. Le développement des calculateurs électroniques basés sur des éléments électroniques on-off a rendu possible l'utilisation généralisée de la « logique booléenne » pour la conception de circuits informatiques. Dans la première moitié des années 30 du XXe siècle, des travaux mathématiques sont apparus dans lesquels la possibilité fondamentale de résoudre tout problème pouvant être traité de manière algorithmique à l'aide d'automates a été prouvée. Cette preuve était contenue dans les travaux du mathématicien anglais E. Post publiés en 1936. (George Boole (1815-1864), Alan Turing (1912-1954)).

En Union soviétique, les travaux de création d'ordinateurs électroniques ont commencé un peu plus tard. Le premier ordinateur électronique soviétique a été fabriqué à Kiev en 1953. Il s'appelait MESM (petit ordinateur électronique) et son concepteur en chef était l'académicien Sergueï Lebedev, auteur des conceptions d'ordinateurs de la série BESM (grand ordinateur électronique). Dans le projet MESM, Sergei Lebedev, indépendamment de Neumann, est parvenu aux mêmes idées de conception d'ordinateurs électroniques que Neumann.

L’essence des « Principes Neumann » était la suivante :

1. L'ordinateur comprend un processeur interconnecté (unité arithmétique et dispositif de contrôle), une mémoire et un périphérique d'E/S.

2.Les ordinateurs basés sur des éléments électroniques doivent fonctionner dans le système de nombres binaires plutôt que décimaux.

3. Le programme, ainsi que les nombres avec lesquels l'ordinateur fonctionne, sont écrits en code binaire, c'est-à-dire sous forme de représentation de la commande et les nombres sont du même type.

4. Le programme doit être situé dans l'un des blocs informatiques - dans un périphérique de stockage à accès aléatoire. Le programme et les données peuvent résider dans une mémoire partagée (architecture Princeton).

5. Les difficultés de mise en œuvre physique d'un dispositif de stockage à mémoire rapide, non volatile et de grande taille nécessitent une organisation hiérarchique de la mémoire. Le programme est exécuté à partir de la mémoire principale et stocké dans une mémoire secondaire non volatile (disques magnétiques). Un fichier est un ensemble d'identification d'instances d'un type de données entièrement décrit dans un programme spécifique, situé en dehors du programme dans la mémoire externe et accessible au programme via des opérations spéciales.

6. L'unité arithmétique-logique (ALU) d'un ordinateur est construite sur la base de circuits qui effectuent des opérations d'addition, de décalage et logiques. En plus du résultat de l'opération, l'ALU génère un certain nombre d'attributs de résultat (drapeaux) qui peuvent être analysés lors de l'exécution d'une commande de transfert de contrôle conditionnel.

mob_info