Von Neumanno elektroninio kompiuterio konstravimo principai. Von Neumann architektūra: termino istorija von Neumann principai

Kokius pasiekimus informatikos srityje Johnas von Neumannas pasiekė XX amžiuje, sužinosite iš šio straipsnio.

Prieš kalbant apie jo pasiekimus informatikos srityje, verta pakalbėti apie pirmuosius mokslininko žingsnius mokslo kelyje. Pirmasis jo darbas „Transporto eilinių skaičių įvedimo link“ buvo paskelbtas 1923 m. Segedo universitete, kur jis studijavo. Savo daktaro disertacijoje jis sukūrė aksiomų sistemą. 1925 m. Neumannas Budapešto universitete apgynė disertaciją tema „Aksiomatinė aibių teorijos konstravimas“ ir Ciuricho universitete gavo chemijos inžinieriaus diplomą. 1927 m. tapo Berlyno universiteto, o po dvejų metų – Hamburgo universiteto privatininku. 1931 m. Prinstono universitete gavo profesoriaus pareigas.

Johno von Neumanno pasiekimai informatikos srityje

1943-1946 metais buvo pastatytas pirmasis kompiuteris (elektrokompiuteris), kuris buvo pavadintas ENIAC. Johnas von Neumannas pasiūlė jos kūrėjams, kaip supaprastinti mašinos programavimą ją modifikuojant. A kuriant antrąją EDVAC mašiną - jis jau aktyviai dalyvavo kuriant elektroninį automatinį kompiuterį su atskirais kintamaisiais. Jis buvo atsakingas už išsamios mašinos loginės schemos, kurioje idealizuoti skaičiavimo elementai buvo struktūriniai vienetai, sukūrimą. Šie idealizuoti elementai tapo žingsniu į priekį informatikos srityje, nes jie leido atskirti loginę grandinę nuo jos techninio įgyvendinimo.

Johnas von Neumannas pasiūlė naudoti elektrostatinę atminties sistemą, o ne uždelsimo liniją kaip atminties elementus. Neumanno garbei naujai sukurta mašina buvo pavadinta JONIAC.

Autoriaus moksliniai darbai – „Apie kvantinės mechanikos pagrindus“, „Kvantinės mechanikos matematinis pagrindimas“, „Kvantinės mechanikos teorinė ir tikimybinė konstravimas“, „Kvantinės mechaninių sistemų termodinamika“, „Hilberto įrodymų teorijos link“, „ Strateginių žaidimų teorijos link“, „Apie apibrėžimą per transfinitinę indukciją ir su tuo susijusius bendrosios aibių teorijos klausimus“, „Apie vieną aksiomatinės aibių teorijos nuoseklumo problemą“.

Be to, kad jis dalyvavo kuriant kompiuterį, mokslininkas pirmasis suformulavo kompiuterio veikimo principus. Johno von Neumanno suformuluoti principai:

  • Dvejetainės komandų ir duomenų skaičiavimo sistemos principas.
  • Programos valdymo principas. Programa – tai procesoriaus tam tikra seka vykdomų komandų rinkinys.
  • Atminties homogeniškumo principas. Visi duomenys saugomi ir užkoduojami vienoje atmintyje.
  • Atminties adresavimo principas. Atmintis susideda iš sunumeruotų langelių, o procesorius turi atsitiktinę prieigą prie bet kurio iš jų.
  • Nuoseklios programos valdymo principas. Atmintyje saugomos komandos vykdomos po vieną po to, kai baigiama ankstesnė komanda.
  • Sąlyginio perėjimo principas. Jis buvo suformuluotas

· naudojimas dvejetainė sistema vaizduoti skaičius. Von Neumann darbas demonstravo dvejetainės sistemos privalumus techniniam įgyvendinimui, aritmetinių ir loginių operacijų atlikimo patogumą. Vėliau jie pradėjo apdoroti neskaitinę informaciją: tekstą, grafiką, garsą ir kt. Dvejetainis kodavimas yra šiuolaikinio kompiuterio pagrindas.

· saugomi programos principai. Programa, parašyta naudojant dvejetainius kodus, turi būti saugoma toje pačioje atmintyje kaip ir apdorojami duomenys.

· nukreipimo principas. Komandos ir duomenys perkeliami į atminties vietas, kurios pasiekiamos pagal adresą. Ląstelės adresas yra jos numeris, informacijos vieta RAM taip pat užkoduota dvejetainių sistemų forma.

Kompiuteryje pagal von Neumann principą instrukcijos nuosekliai skaitomos iš atminties ir vykdomos. Kitos atminties ląstelės, iš kurios išgaunama programos komanda, numeris (adresas) sugeneruojamas ir išsaugomas specialiame programų skaitiklio įrenginyje.

Pagal von Neumanno principus kompiuteryje turi būti šie įrenginiai:

· Aritmetinis loginis vienetas (ALU) skirtas apdoroti užkoduotą informaciją ir gali atlikti aritmetines ir logines operacijas:;

· Valdymo įrenginys (CU) organizuoja programų vykdymą;

· Atmintis arba saugojimo įrenginys (atmintis) – programų ir duomenų saugojimas. Kompiuterio atmintis susideda iš kelių sunumeruotų langelių. Kiekviename iš jų gali būti apdorotų duomenų arba programos nurodymų;

· Išoriniai įrenginiai informacijos įvedimui ir išvedimui, teikia tiesioginį ir grįžtamąjį ryšį.

Panagrinėkime pagrindinių PC blokų sudėtį ir paskirtį (2 pav.).

Ryžiai. 2. Asmeninio kompiuterio blokinė schema

Mikroprocesorius (MP). Tai yra centrinis kompiuterio blokas, skirtas valdyti visų mašinos blokų veikimą ir atlikti aritmetines ir logines operacijas su informacija.

Mikroprocesorius apima:

§ valdymo įtaisas(CU) – generuoja ir tiekia visus mašinos blokus reikiamu laiku tam tikrus valdymo signalus (valdymo impulsus), nulemtus atliekamos operacijos specifiką ir ankstesnių operacijų rezultatus; generuoja atliekamos operacijos naudojamų atminties ląstelių adresus ir perduoda šiuos adresus į atitinkamus kompiuterių blokus; valdymo įtaisas gauna atskaitos impulsų seką iš laikrodžio impulsų generatoriaus;

§ Aritmetikos loginis vienetas(ALU) – skirtas atlikti visas aritmetines ir logines operacijas su skaitine ir simboline informacija (kai kuriuose kompiuterių modeliuose papildomas matematinis koprocesorius);

§ mikroprocesoriaus atmintis(MPP) – skirtas trumpam saugoti, įrašyti ir išvesti informaciją, tiesiogiai naudojamą skaičiavimams kituose mašinos veikimo cikluose. MPP yra sukurtas ant registrų ir naudojamas užtikrinti didelį mašinos greitį, nes pagrindinė atmintis (RAM) ne visada užtikrina informacijos įrašymo, paieškos ir skaitymo greitį, reikalingą efektyviam didelės spartos mikroprocesoriaus darbui. Registrai– įvairaus ilgio didelės spartos atminties ląstelės (priešingai nei OP celės, kurių standartinis ilgis 1 baitas ir mažesnė sparta);

§ mikroprocesorių sąsajos sistema– įgyvendina poravimą ir ryšį su kitais PC įrenginiais; apima vidinę MP sąsają, buferio saugojimo registrus ir valdymo grandines, skirtas įvesties/išvesties prievadams (I/O) ir sistemos magistralei. Sąsaja(sąsaja) – kompiuterių įrenginių poravimo ir ryšio priemonių visuma, užtikrinanti efektyvią jų sąveiką. I/O prievadas(I/O – Input/Output port) – sąsajos įranga, leidžianti prie mikroprocesoriaus prijungti kitą PC įrenginį.

Laikrodžio generatorius. Jis generuoja elektrinių impulsų seką; generuojamų impulsų dažnis lemia mašinos taktinį dažnį.

Laiko intervalas tarp gretimų impulsų lemia vieno mašinos veikimo ciklo laiką arba tiesiog mašinos veikimo ciklas.

Laikrodžio impulsų generatoriaus dažnis yra viena iš pagrindinių asmeninio kompiuterio charakteristikų ir daugiausia lemia jo veikimo greitį, nes kiekviena operacija mašinoje atliekama tam tikru laikrodžio ciklų skaičiumi.

Sistemos magistralė. Tai pagrindinė kompiuterio sąsajos sistema, užtikrinanti visų jo įrenginių poravimą ir ryšį tarpusavyje.

Sistemos magistralę sudaro:

§ kodo duomenų magistralė(KSD), kuriame yra laidai ir sąsajos grandinės, skirtos lygiagrečiai perduoti visus operando skaitmeninio kodo (mašininio žodžio) bitus;

§ adreso kodo magistralė(KSA), įskaitant laidus ir sąsajų grandines, skirtas lygiagrečiai perduoti visus pagrindinės atminties elemento adreso kodo bitus arba išorinio įrenginio įvesties/išvesties prievadą;

§ instrukcijų kodų magistralė(KShI), kuriame yra laidai ir sąsajos grandinės, skirtos komandoms (valdymo signalams, impulsams) perduoti į visus mašinos blokus;

§ maitinimo magistralė, turintis laidus ir sąsajų grandines, skirtas prijungti PC įrenginius prie maitinimo sistemos.

Sistemos magistralė suteikia tris informacijos perdavimo kryptis:

1) tarp mikroprocesoriaus ir pagrindinės atminties;

2) tarp mikroprocesoriaus ir išorinių įrenginių įvesties/išvesties prievadų;

3) tarp pagrindinės atminties ir išorinių įrenginių I/O prievadų (tiesioginės prieigos prie atminties režimu).

Visi blokai, tiksliau jų įvesties/išvesties prievadai, per atitinkamas unifikuotas jungtis (jungtis) prijungiami prie magistralės vienodai: tiesiogiai arba per valdikliai (adapteriai). Sistemos magistralę mikroprocesorius valdo tiesiogiai arba, dažniau, per papildomą lustą - autobuso valdiklis, generuoja pagrindinius valdymo signalus. Informacija tarp išorinių įrenginių ir sistemos magistralės keičiama naudojant ASCII kodus.

Pagrindinė atmintis (RAM). Jis skirtas saugoti ir greitai keistis informacija su kitais mašinos blokais. OP yra dviejų tipų saugojimo įrenginiai: tik skaitymo atmintis (ROM) ir laisvosios kreipties atmintis (RAM).

ROM tarnauja nekeičiamai (nuolatinei) programos ir informacinės informacijos saugojimui, leidžia greitai perskaityti tik joje saugomą informaciją (ROM informacijos keisti negalima).

RAM skirtas informacijos (programų ir duomenų), tiesiogiai dalyvaujančios informacijos ir skaičiavimo procese, kurį kompiuteris atlieka dabartiniu laikotarpiu, įrašymui, saugojimui ir skaitymui internetu. Pagrindiniai RAM privalumai yra didelis našumas ir galimybė prieiti prie kiekvienos atminties ląstelės atskirai (tiesioginė adreso prieiga prie ląstelės). Kaip RAM trūkumą reikia pažymėti, kad išjungus mašinos maitinimą joje neįmanoma išsaugoti informacijos (priklausomybė nuo nepastovumo).

Išorinė atmintis. Tai reiškia išorinius kompiuterio įrenginius ir yra naudojamas ilgalaikiam bet kokios informacijos, kurios gali prireikti problemoms išspręsti, saugojimui. Visų pirma, visa kompiuterio programinė įranga yra saugoma išorinėje atmintyje. Išorinėje atmintyje yra įvairių tipų saugojimo įrenginių, tačiau labiausiai paplitę, prieinami beveik bet kuriame kompiuteryje, yra standieji diskai (HDD) ir diskelių įrenginiai (FLMD).

Šių diskų paskirtis yra saugoti didelius informacijos kiekius, įrašyti ir pateikus prašymą išleisti saugomą informaciją į laisvosios kreipties atminties įrenginį. Kietieji diskai ir plokštieji diskų įrenginiai skiriasi tik konstrukcija, saugomos informacijos kiekiu ir informacijos paieškai, įrašymui ir skaitymui reikalingu laiku.

Kaip išorinės atminties įrenginiai taip pat naudojami saugojimo įrenginiai kasetinėje magnetinėje juostoje (streameriai), optinių diskų įrenginiai (CD-ROM – Compact Disk Read Only Memory – CD su tik skaitymo atmintimi) ir kt. (cm. poskyris 4.4).

Maitinimas. Tai blokas, kuriame yra autonominės ir tinklo maitinimo sistemos, skirtos kompiuteriui.

Laikmatis. Tai įrenginyje esantis elektroninis laikrodis, kuris prireikus automatiškai fiksuoja dabartinį laiko momentą (metus, mėnesį, valandas, minutes, sekundes ir sekundžių dalis). Laikmatis yra prijungtas prie autonominio maitinimo šaltinio - akumuliatoriaus ir toliau veikia, kai mašina yra atjungta nuo tinklo.

Išoriniai įrenginiai (ED). Tai yra svarbiausias bet kurio skaičiavimo komplekso komponentas. Pakanka pasakyti, kad pagal kainą VA kartais sudaro 50–80% viso kompiuterio. Kompiuterių naudojimo valdymo sistemose ir visoje šalies ekonomikoje galimybė ir efektyvumas labai priklauso nuo kompiuterio sudėties ir savybių.

PC kompiuteriai užtikrina mašinos sąveiką su aplinka: vartotojais, valdymo objektais ir kitais kompiuteriais. VE yra labai įvairios ir gali būti klasifikuojamos pagal daugybę savybių. Taigi pagal paskirtį galima išskirti šiuos įrenginių tipus:

§ išorinės atminties įrenginiai (VSD) arba išorinė kompiuterio atmintis;

§ vartotojo dialogo įrankiai;

§ informacijos įvesties įrenginiai;

§ informacijos išvedimo įrenginiai;

§ ryšio ir telekomunikacijų priemonės.

Dialogo įrankiai vartotojų įrenginiai yra vaizdo monitoriai (ekranai), rečiau nuotolinio valdymo mašinėlės (spausdintuvai su klaviatūromis) ir kalbos įvesties/išvesties įrenginiai.

Vaizdo monitorius (ekranas)– Įrenginys informacijos įvesties ir išvesties iš kompiuterio atvaizdavimui (cm. poskyris 4.5).

Balso įvesties/išvesties įrenginiai priklauso sparčiai augančiai žiniasklaidai. Kalbos įvesties įrenginiai – tai įvairios mikrofonų akustinės sistemos, „garso pelės“, pavyzdžiui, su sudėtinga programine įranga, leidžiančia atpažinti žmogaus ištartas raides ir žodžius, juos identifikuoti ir užkoduoti.

Kalbos išvesties įrenginiai – tai įvairūs garso sintezatoriai, paverčiantys skaitmeninius kodus į raides ir žodžius, kurie atkuriami per garsiakalbius (garsiakalbius) arba prie kompiuterio prijungtus garsiakalbius.

KAM įvesties įrenginiai susieti:

§ klaviatūra– įrenginys, skirtas rankiniu būdu įvesti skaitinę, tekstinę ir valdymo informaciją į kompiuterį (cm. poskyris 4.5);

§ grafikos planšetės (skaitmenizatoriai)– rankiniam grafinės informacijos ir vaizdų įvedimui, perkeliant specialią žymeklį (rašiklį) per planšetinį kompiuterį; pajudinus rašiklį, automatiškai nuskaitomos jo vietos koordinatės ir šios koordinatės įvedamos į kompiuterį;

§ skaitytuvai(skaitymo aparatai) – automatiniam skaitymui iš popierinių laikmenų ir spausdintų tekstų, grafikų, paveikslėlių, brėžinių įvedimui į kompiuterį; skaitytuvo kodavimo įrenginyje tekstiniu režimu nuskaityti simboliai, specialiomis programomis palyginus su atskaitos kontūrais, konvertuojami į ASCII kodus, o grafiniame režime nuskaityti grafikai ir brėžiniai konvertuojami į dvimačių koordinačių sekas. (cm. poskyris 4.5);

§ manipuliatoriai(rodyklės įtaisai): vairasvirte- svirties rankena , pelė, rutulinis rutulys - kamuolys rėmelyje, šviesus rašiklis ir kt. – įvesti grafinę informaciją ekrane, valdant žymeklio judėjimą ekrane, po to užkoduojant žymeklio koordinates ir įvedant jas į PC;

§ jutikliniai ekranai– atskirų vaizdo elementų, programų ar komandų įvedimui iš padalinto ekrano į kompiuterį.

KAM informacijos išvedimo įrenginiai susieti:

§ spausdintuvai– spausdinimo įrenginiai informacijai įrašyti ant popieriaus (cm. poskyris 4.5);

§ braižytuvai (ploteriai)– grafinę informaciją (grafikus, brėžinius, brėžinius) išvesti iš kompiuterio ant popieriaus; Yra vektoriniai braižytuvai su piešimo vaizdais naudojant rašiklį ir rastriniai braižytuvai: termografiniai, elektrostatiniai, rašaliniai ir lazeriniai. Pagal konstrukciją braižytuvai skirstomi į plokščiuosius ir būgninius ploterius. Visų braižytuvų pagrindinės charakteristikos yra maždaug vienodos: braižymo greitis – 100 - 1000 mm/s, geriausi modeliai pasižymi spalvotais vaizdais ir pustonių perdavimu; Lazeriniai braižytuvai pasižymi didžiausia skiriamąja geba ir vaizdo aiškumu, tačiau jie yra brangiausi.

Prietaisai ryšiai ir telekomunikacijos naudojami ryšiams su įrenginiais ir kita automatikos įranga (sąsajos adapteriais, adapteriais, skaitmeninio į analogą ir analoginį skaitmeninį keitikliais ir kt.) bei kompiuteriams prijungti prie ryšio kanalų, prie kitų kompiuterių ir kompiuterių tinklų (tinklo sąsajos plokštės). , "jungtys" ", duomenų perdavimo multiplekseriai, modemai).

Visų pirma, parodyta fig. 4.2 Tinklo adapteris yra išorinė kompiuterio sąsaja ir skirta prijungti jį prie ryšio kanalo, kad būtų galima keistis informacija su kitais kompiuteriais, dirbti kaip kompiuterių tinklo dalis. Pasauliniuose tinkluose tinklo adapterio funkcijas atlieka moduliatorius-demoduliatorius (modemas, cm. Ch. 7).

Daugelis aukščiau paminėtų įrenginių priklauso sąlygiškai pasirinktai grupei - multimedijai.

Multimedija(multimedia – multimedija) – tai techninės ir programinės įrangos rinkinys, leidžiantis žmogui bendrauti su kompiuteriu naudojant įvairias natūralias medijas: garsą, vaizdo įrašą, grafiką, tekstus, animaciją ir kt.

Daugialypės terpės priemonės apima kalbos įvesties ir išvesties įrenginius; jau plačiai paplitę skaitytuvai (nes leidžia spausdintus tekstus ir brėžinius automatiškai įvesti į kompiuterį); aukštos kokybės vaizdo (vaizdo) ir garso (garso) plokštės, vaizdo fiksavimo kortelės (videograbber), kurios fiksuoja vaizdus iš VCR ar vaizdo kameros ir įveda į kompiuterį; kokybiškos akustinės ir vaizdo atkūrimo sistemos su stiprintuvais, garso kolonėlėmis, dideliais vaizdo ekranais. Tačiau, ko gero, dėl dar didesnės priežasties daugialypės terpės priemonės apima išorinius didelės talpos atminties įrenginius optiniuose diskuose, dažnai naudojamus garso ir vaizdo informacijai įrašyti.

Kompaktiniai diskai plačiai naudojami, pavyzdžiui, studijuojant užsienio kalbas, kelių eismo taisykles, apskaitą, teisės aktus apskritai ir konkrečiai mokesčių teisės aktus. Ir visa tai lydi tekstai ir piešiniai, kalbos informacija ir animacija, muzika ir vaizdo įrašai. Grynai buitiniu aspektu kompaktiniai diskai gali būti naudojami garso ir vaizdo įrašams saugoti, t.y. naudokite vietoj grotuvo garso ir vaizdo kasečių. Verta paminėti, žinoma, daugybę kompiuterinių žaidimų programų, saugomų kompaktiniuose diskuose.

Taigi, CD-ROM suteikia prieigą prie didžiulio kiekio informacijos, įrašytos į kompaktinius diskus, kurios skiriasi tiek funkcionalumu, tiek atkūrimo aplinka.

Papildomos schemos.Į sistemos magistralę ir į PC MP kartu su tipiškas galima prijungti išorinius įrenginius ir kai kuriuos papildomas plokštės su mikroprocesoriaus funkcionalumą išplečiančiomis ir tobulinančiomis integrinėmis grandinėmis: matematinis koprocesorius, tiesioginės atminties prieigos valdiklis, įvesties/išvesties koprocesorius, pertraukų valdiklis ir kt.

Matematikos koprocesorius plačiai naudojamas pagreitintam operacijų vykdymui su dvejetainiais slankiojo kablelio skaičiais, dvejetainiu kodu užkoduotais dešimtainiais skaičiais ir kai kurioms transcendentinėms, įskaitant trigonometrines, funkcijoms apskaičiuoti. Matematinis koprocesorius turi savo komandų sistemą ir veikia lygiagrečiai (laiku) su pagrindiniu MP, tačiau valdomas pastarojo. Operacijos pagreitėja dešimt kartų. Naujausi MP modeliai, pradedant MP 80486 DX, savo struktūroje turi koprocesorių.

Tiesioginės atminties prieigos valdiklis atlaisvina MP nuo tiesioginio magnetinių diskų įrenginių valdymo, o tai žymiai padidina efektyvų kompiuterio našumą. Be šio valdiklio duomenų mainai tarp VSD ir RAM vyksta per MP registrą, o jei jis yra, duomenys tiesiogiai perduodami tarp VSD ir RAM, apeinant MP.

I/O koprocesorius dėl lygiagretaus darbo su MP žymiai pagreitina I/O procedūrų vykdymą, kai aptarnaujami keli išoriniai įrenginiai (ekranas, spausdintuvas, HDD, HDD ir kt.); atleidžia MP nuo įvesties/išvesties procedūrų apdorojimo, įskaitant tiesioginės atminties prieigos režimo įgyvendinimą.

Pertraukimo valdiklis vaidina labai svarbų vaidmenį kompiuteryje.

Pertraukite– laikinas vienos programos vykdymo sustabdymas, siekiant greitai vykdyti kitą, šiuo metu svarbesnę (prioritetinę) programą

Kompiuteriui veikiant nuolat atsiranda trikdžių. Pakanka pasakyti, kad visos informacijos įvesties/išvesties procedūros atliekamos naudojant pertraukimus, pavyzdžiui, laikmačio pertraukimai atsiranda ir juos aptarnauja pertraukų valdiklis 18 kartų per sekundę (natūralu, kad vartotojas jų nepastebi).

Pertraukimo valdiklis aptarnauja pertraukimo procedūras, gauna pertraukimo užklausą iš išorinių įrenginių, nustato šios užklausos prioriteto lygį ir siunčia pertraukimo signalą MP. MP, gavęs šį signalą, sustabdo esamos programos vykdymą ir pradeda vykdyti specialią programą, skirtą aptarnauti pertraukimą, kurio paprašė išorinis įrenginys. Pasibaigus priežiūros programai, nutraukta programa atnaujinama. Pertraukimo valdiklis yra programuojamas.

Kompiuterių architektūra ir von Neumann principai

Terminas „architektūra“ naudojamas apibūdinti kompiuterio pagrindinių loginių mazgų veikimo principą, konfigūraciją ir tarpusavio ryšį. Architektūra yra kelių lygių techninės ir programinės įrangos hierarchija, iš kurios kuriamas kompiuteris.

Kompiuterių architektūros doktrinos pagrindus padėjo iškilus amerikiečių matematikas Johnas von Neumannas. Pirmasis Eniak kompiuteris buvo sukurtas JAV 1946 m. ​​Į kūrėjų grupę įėjo fon Neumannas, kuris pasiūlė pagrindiniai kompiuterių konstravimo principai: perėjimas prie dvejetainės skaičių sistemos informacijai vaizduoti ir saugomos programos principu.

Skaičiavimo programą buvo pasiūlyta patalpinti į kompiuterio saugojimo įrenginį, kuris užtikrintų automatinį komandų vykdymą ir dėl to padidintų kompiuterio greitį. (Prisiminkime, kad anksčiau visuose kompiuteriuose apdoroti skaičiai buvo saugomi dešimtaine forma, o programos buvo nurodytos įrengiant trumpiklius specialioje pataisų skydelyje.) Neumannas pirmasis atspėjo, kad programa gali būti saugoma ir kaip nulių ir vienetų rinkinys, o ta pati atmintis kaip ir skaičiai, kuriuos ji apdoroja.

Pagrindiniai kompiuterio konstravimo principai:

1. Bet kuris kompiuteris susideda iš trijų pagrindinių komponentų: procesoriaus, atminties ir įrenginio. įvestis-išvestis (I/O).

2. Informacija, su kuria veikia kompiuteris, skirstoma į du tipus:

    apdorojimo komandų (programų) rinkinys; tvarkomi duomenys.

3. Tiek komandos, tiek duomenys įvedami į atmintį (RAM) – saugomos programos principas .

4. Apdorojimą valdo procesorius, kurio valdymo blokas (CU) parenka komandas iš RAM ir organizuoja jų vykdymą, o aritmetinis-loginis blokas (ALU) atlieka aritmetines ir logines operacijas su duomenimis.


5. Įvesties/išvesties įrenginiai (I/O) yra prijungti prie procesoriaus ir RAM.

Von Neumannas ne tik iškėlė pagrindinius kompiuterių loginės struktūros principus, bet ir pasiūlė struktūrą, kuri buvo atkurta per pirmąsias dvi kompiuterių kartas.

Išorinis saugojimo įrenginys (ESD)

Ryžiai. 1. Kompiuterio architektūra Formos pabaiga,

Random Access Memory (RAM)
pastatytas remiantis principais

fon Neumannas

- informacijos srautų kryptis; - valdymo signalų kryptis iš procesoriaus į kitus kompiuterio mazgus

Von Neumanno sukurti skaičiavimo įrenginių architektūros pagrindai pasirodė tokie esminiai, kad literatūroje jie gavo pavadinimą „von Neumann architektūra“. Didžioji dauguma VM šiandien yra von Neumann mašinos.

Trečiosios kartos kompiuteriai atsirado dėl perėjimo nuo tranzistorių prie integrinių grandynų, dėl kurių padidėjo procesoriaus greitis. Dabar procesorius buvo priverstas veikti tuščiąja eiga, laukdamas informacijos iš lėtesnių įvesties/išvesties įrenginių, ir tai sumažino viso kompiuterio efektyvumą. Šiai problemai išspręsti buvo sukurtos specialios grandinės, valdančios išorinių įrenginių veikimą arba tiesiog valdikliai.

Šiuolaikinių asmeninių kompiuterių architektūra remiasi stuburas-modulinis principas. Informacinis ryšys tarp kompiuterių įrenginių vykdomas per sistemos magistralė(kitas pavadinimas yra sistemos greitkelis).

Magistralė yra kabelis, susidedantis iš daugelio laidininkų. Viena dirigentų grupė - duomenų magistralė perduodama apdorota informacija, kita vertus - adresų autobusas- procesoriaus pasiekiamų atminties arba išorinių įrenginių adresai. Trečioji greitkelio dalis - valdymo magistralė, per jį perduodami valdymo signalai (pavyzdžiui, signalas, kad įrenginys paruoštas darbui, signalas, kad įrenginys pradės veikti ir pan.).

Kaip veikia sistemos magistralė? Jau sakėme, kad vienas ir nulis bitai egzistuoja tik programuotojų galvose. Procesoriaus tikra įtampa jo kontaktuose. Kiekvienas kaištis atitinka vieną bitą, o procesoriui tereikia atskirti du įtampos lygius: taip/ne, aukšta/žema. Todėl procesoriaus adresas yra įtampų seka specialiuose kontaktuose, vadinamuose adresų magistrale. Galite įsivaizduoti, kad nustačius įtampas adresų magistralės kontaktuose, ant duomenų magistralės kontaktų atsiranda įtampa, užkoduojanti nurodytu adresu saugomą numerį. Šis paveikslėlis yra labai grubus, nes reikia laiko, kol duomenims iš atminties išgauti. Siekiant išvengti painiavos, procesoriaus darbą valdo specialus laikrodžio generatorius. Jis gamina impulsus, kurie padalija procesoriaus darbą į atskirus veiksmus. Procesoriaus laiko vienetas yra vienas laikrodžio ciklas, tai yra intervalas tarp dviejų laikrodžio generatoriaus impulsų.

Įtampa, atsirandanti procesoriaus adresų magistralėje, vadinama fiziniu adresu. Realiame režime procesorius veikia tik su fiziniais adresais. Priešingai, procesoriaus apsaugotas režimas įdomus tuo, kad programa dirba su loginiais adresais, o procesorius nepastebimai paverčia juos fiziniais. „Windows“ sistema procesoriui naudoja apsaugotą režimą. Šiuolaikinės operacinės sistemos ir programos reikalauja tiek daug atminties, kad apsaugotas procesoriaus režimas tapo daug „tikresnis“ nei tikrasis režimas.

Sistemos magistralė apibūdinama laikrodis dažnis ir bitų gylis. Iškviečiamas magistralėje vienu metu perduodamų bitų skaičius autobuso plotis. Laikrodžio dažnis apibūdina elementarių duomenų perdavimo operacijų skaičių per 1 sekundę. Magistralės plotis matuojamas bitais, laikrodžio dažnis – megahercais.


Bet kokia informacija, perduodama iš procesoriaus į kitus įrenginius per duomenų magistralę, pridedama adresu perduodama per adresų magistralę. Tai gali būti atminties ląstelės adresas arba išorinio įrenginio adresas. Būtina, kad magistralės plotis leistų perduoti atminties ląstelės adresą. Taigi, žodžiais tariant, magistralės plotis riboja kompiuterio RAM kiekį, jis negali būti didesnis nei , kur n yra magistralės plotis. Svarbu, kad visų prie magistralės prijungtų įrenginių veikimas būtų nuoseklus. Neprotinga turėti greitą procesorių ir lėtą atmintį arba greitą procesorių ir atmintį, o lėtą standųjį diską.

Ryžiai. 2. Stuburo principu pastatyto kompiuterio schema

Šiuolaikiniuose kompiuteriuose tai įdiegta atviros architektūros principas, leidžianti vartotojui surinkti jam reikalingą kompiuterio konfigūraciją ir prireikus ją atnaujinti.

Konfigūracija Kompiuteris reiškia tikrą kompiuterio komponentų, sudarančių kompiuterį, rinkinį. Atviros architektūros principas leidžia keisti kompiuterių įrenginių sudėtį. Prie informacijos magistralės galima prijungti papildomus periferinius įrenginius, o kai kuriuos įrenginių modelius galima pakeisti kitais.

Periferinio įrenginio aparatinės įrangos prijungimas prie pagrindo fiziniu lygiu atliekamas per specialų bloką - valdiklis(kiti pavadinimai - adapteris, plokštė, kortelė). Yra specialios jungtys valdikliams montuoti pagrindinėje plokštėje - laiko tarpsniai.

Periferinio įrenginio veikimo programinė įranga valdoma per programą - vairuotojas, kuris yra operacinės sistemos komponentas. Kadangi yra daugybė įrenginių, kuriuos galima įdiegti kompiuteryje, kiekviename įrenginyje paprastai yra tvarkyklė, kuri tiesiogiai sąveikauja su šiuo įrenginiu.

Kompiuteris bendrauja su išoriniais įrenginiais per prievadai– specialios jungtys galiniame kompiuterio skydelyje. Išskirti nuosekliai Ir lygiagrečiai prievadai. Serijiniai (COM – prievadai) naudojami manipuliatoriams, modemui prijungti ir nedideliems informacijos kiekiams perduoti dideliais atstumais. Lygiagrečiai (LPT – prievadai) naudojami spausdintuvams, skaitytuvams prijungti ir dideliems informacijos kiekiams perduoti nedideliais atstumais. Pastaruoju metu plačiai paplito universalūs nuoseklieji prievadai (USB), prie kurių galima prijungti įvairius įrenginius.

Kasdieniame lygmenyje dauguma žmonių terminą „architektūra“ stipriai sieja su įvairiais pastatais ir kitais inžineriniais statiniais. Taigi, galime kalbėti apie gotikinės katedros, Eifelio bokšto ar operos teatro architektūrą. Kitose srityse šis terminas vartojamas gana retai, tačiau kompiuteriams sąvoka „kompiuterio architektūra“ (elektroninis kompiuteris) jau įsitvirtino ir plačiai vartojama nuo praėjusio amžiaus 70-ųjų. Norėdami suprasti, kaip kompiuteryje vykdomos programos ir scenarijai, pirmiausia turite žinoti, kaip veikia kiekvienas jo komponentas. Kompiuterių architektūros doktrinos pagrindus, apie kuriuos kalbama pamokoje, padėjo Johnas von Neumannas. Šioje pamokoje galite sužinoti daugiau apie loginius mazgus, taip pat apie šiuolaikinių asmeninių kompiuterių architektūros pagrindinį modulinį principą.

Kompiuterių architektūros principus 1945 m. suformulavo Johnas von Neumannas, išplėtojęs Charleso Babbage'o idėjas, vaizduojančias kompiuterio veikimą kaip įrenginių rinkinio veikimą: apdorojimą, valdymą, atmintį, įvestį-išvestį.

Von Neumanno principai.

1. Atminties homogeniškumo principas. Su komandomis galite atlikti tuos pačius veiksmus kaip ir su duomenimis.

2. Atminties adresavimo principas. Pagrindinė atmintis struktūriškai sudaryta iš sunumeruotų ląstelių; Bet kuri ląstelė yra prieinama procesoriui bet kuriuo metu. Tai reiškia galimybę pavadinti atminties sritis taip, kad vėliau būtų galima pasiekti arba pakeisti jose saugomas reikšmes programos vykdymo metu naudojant priskirtus pavadinimus.

3. Nuosekliojo programų valdymo principas. Daroma prielaida, kad programa susideda iš komandų, kurias procesorius automatiškai viena po kitos tam tikra seka vykdo, rinkinys.

4. Architektūrinio standumo principas. Topologijos, architektūros ir komandų sąrašo nekintamumas veikimo metu.

Neumanno principais sukurti kompiuteriai turi klasikinę architektūrą, tačiau be jos yra ir kitų architektūros tipų. Pavyzdžiui, Harvardas. Jo skiriamieji bruožai yra šie:

  • instrukcijų saugykla ir duomenų saugykla yra skirtingi fiziniai įrenginiai;
  • Instrukcijų kanalas ir duomenų kanalas taip pat yra fiziškai atskirti.

Skaičiavimo technologijų raidos istorijoje kokybinis šuolis įvykdavo maždaug kas 10 metų. Šis šuolis siejamas su naujos kartos kompiuterių atsiradimu. Mašinų padalijimo idėja atsirado dėl to, kad per trumpą savo vystymosi istoriją kompiuterinės technologijos patyrė didelę evoliuciją tiek elementinės bazės (lempos, tranzistoriai, mikroschemos ir kt.), tiek ta prasme. jos struktūros pokyčiai, naujų galimybių atsiradimas ir taikymo bei naudojimo pobūdžio plėtra. Daugiau informacijos kompiuterių kūrimo etapai parodyta pav. 2. Norint suprasti, kaip ir kodėl viena karta buvo pakeista kita, reikia žinoti tokių sąvokų reikšmę kaip atmintis, greitis, integracijos laipsnis ir kt.

Ryžiai. 2. Kompiuterių kartos ()

Tarp kompiuterių, kurie nėra klasikiniai, ne von Neumann architektūra, galime išskirti vadinamuosius neurokompiuterius. Jie imituoja žmogaus smegenų ląstelių, neuronų, taip pat kai kurių nervų sistemos dalių, galinčių keistis signalais, darbą.

Kiekvienas kompiuterio loginis mazgas atlieka savo funkcijas. Funkcijos procesorius(3 pav.):

- duomenų apdorojimas (aritmetinių ir loginių operacijų su jais atlikimas);

- visų kitų kompiuterių įrenginių valdymas.

Ryžiai. 3. Kompiuterio centrinis procesorius ()

Programa susideda iš atskirų komandų. Komanda apima operacijos kodą, operandų adresus (dydžius, kurie dalyvauja operacijoje) ir rezultato adresą.

Komandos vykdymas yra padalintas į šiuos etapus:

· komandos atranka;

  • generuoti kitos komandos adresą;
  • komandų dekodavimas;
  • operandų adresų skaičiavimas;
  • operandų pasirinkimas;
  • operacijos vykdymas;
  • rezultato ženklo formavimas;
  • įrašyti rezultatą.

Vykdant bet kurią komandą yra ne visi etapai (priklausomai nuo komandos tipo), tačiau visada vyksta gavimo, dekodavimo, kitos komandos adreso generavimo ir operacijos vykdymo etapai. Tam tikrais atvejais galimi dar du žingsniai:

  • netiesioginis adresavimas;
  • atsakas į pertraukimą.

RAM(4 pav.) yra išdėstyta taip:

  • informacijos gavimas iš kitų įrenginių;
  • įsiminti informaciją;
  • informacijos perkėlimas pagal pageidavimą į kitus kompiuterinius įrenginius.

Ryžiai. 4. Kompiuterio RAM (laisvosios kreipties atmintis) ()

Šiuolaikinių kompiuterių architektūra yra pagrįsta stuburas-modulinis principas(5 pav.). Modulinis principas leidžia užbaigti norimą konfigūraciją ir atlikti reikiamus atnaujinimus. Ji remiasi magistralės informacijos mainų tarp modulių principu. Sistemos magistralę arba kompiuterio magistralę sudaro kelios įvairios paskirties magistralės. Nugarą sudaro trys kelių bitų magistralės:

  • duomenų magistralė;
  • adresų magistralė;
  • valdymo magistralė.

Ryžiai. 5. Kompiuterio konstravimo pagrindas – modulinis principas

Duomenų magistralė naudojama įvairiems duomenims perduoti tarp kompiuterių įrenginių; adresų magistralė naudojama perduotiems duomenims adresuoti, tai yra nustatyti jų vietą atmintyje arba įvesties/išvesties įrenginiuose; Valdymo magistrale yra valdymo signalai, skirti laikinai koordinuoti įvairių kompiuterių įrenginių darbą, nustatyti duomenų perdavimo kryptį, nustatyti perduodamų duomenų formatus ir kt.

Šis principas galioja įvairiems kompiuteriams, kuriuos galima suskirstyti į tris grupes:

  • stacionarus;
  • kompaktiškas (nešiojamieji kompiuteriai, netbook ir kt.);
  • kišenė (išmanieji telefonai ir kt.).

Stalinio kompiuterio arba kompaktiško korpuso sisteminiame bloke yra pagrindiniai loginiai mazgai - pagrindinė plokštė su procesoriumi, maitinimo šaltinis, išorinės atminties diskai ir kt.

Bibliografija

1. Bosova L.L. Informatika ir IKT: vadovėlis 8 klasei. - M.: BINOM. Žinių laboratorija, 2012 m.

2. Bosova L.L. Informatika: Užduočių knygelė 8 klasei. - M.: BINOM. Žinių laboratorija, 2010 m.

3. Astafieva N.E., Rakitina E.A., Informatika schemose. - M.: BINOM. Žinių laboratorija, 2010 m.

4. Tannenbaum E. Kompiuterių architektūra. – 5-asis leidimas. - Sankt Peterburgas: Petras, 2007. - 844 p.

1. Interneto portalas „Visi patarimai“ ()

2. Interneto portalas „Elektroninė enciklopedija „Kompiuteris““ ()

3. Interneto portalas „apparatnoe.narod.ru“ ()

Namų darbai

1. 2 skyriaus 2.1, 2.2 punktai. Bosova L.L. Informatika ir IKT: vadovėlis 8 klasei. - M.: BINOM. Žinių laboratorija, 2012 m.

2. Ką reiškia santrumpa COMPUTER?

3. Ką reiškia terminas „kompiuterių architektūra“?

4. Kas suformulavo pagrindinius kompiuterio architektūros principus?

5. Kuo remiasi šiuolaikinių kompiuterių architektūra?

6. Įvardykite pagrindines kompiuterio centrinio procesoriaus ir RAM funkcijas.

Kiekvienoje mokslo ir technologijų srityje yra keletas esminių idėjų ar principų, nulemiančių jos turinį ir raidą. Informatikos moksle tokių fundamentalių idėjų vaidmenį atliko nepriklausomai vienas nuo kito – amerikiečių matematiko ir fiziko Johno von Neumanno (1903–1957) ir sovietų mokslininko Sergejaus Lebedevo (1902–1974) – suformuluoti principai. Šie principai apibrėžia pagrindinę kompiuterio organizaciją.

Manoma, kad pirmasis elektroninis kompiuteris ENIAC buvo pagamintas JAV 1946 m. ENIAC sudarė 18 000 vakuuminių vamzdžių ir 1 500 relių ir svėrė 30 tonų. Jame buvo 20 registrų, kurių kiekvienas galėjo turėti 10 bitų dešimtainį skaičių. Puiki ENIAC dizaino stipriųjų ir silpnųjų pusių analizė buvo pateikta Prinstono pažangių studijų instituto ataskaitoje „Preliminari elektroninio skaičiavimo loginio dizaino diskusija. Prietaisas“ (1946 m. ​​birželis). Šioje ataskaitoje, kurią parengė puikus amerikiečių matematikas Johnas von Neumannas ir jo kolegos iš Prinstono instituto G. Goldsteinas ir A. Burksas, buvo pristatytas naujo elektroninio kompiuterio projektas. Šioje ataskaitoje išsakytos idėjos žinomos kaip Neumanno principai.

Kalbant apie teorinės informatikos pradininkus, negalima nepaminėti dviejų mokslo pasiekimų: logikos algebros ir algoritmų teorijos. Loginę algebrą XIX amžiaus viduryje sukūrė anglų matematikas George'as Boole'as, ir jis buvo laikomas formalios logikos matematizavimo metodu. Elektroninių kompiuterių, pagrįstų įjungimo ir išjungimo elektroniniais elementais, kūrimas leido plačiai naudoti "Bulio logiką" kuriant kompiuterių grandines. XX amžiaus 30-ųjų pirmoje pusėje pasirodė matematiniai darbai, kuriuose buvo įrodyta esminė galimybė išspręsti bet kokią problemą, kurią galima algoritmiškai apdoroti naudojant automatus. Šis įrodymas buvo anglų matematiko E. Posto darbuose, išleistuose 1936 m. (Džordžas Būlis (1815-1864), Alanas Turingas (1912-1954)).

Sovietų Sąjungoje elektroninių kompiuterių kūrimo darbai prasidėjo kiek vėliau. Pirmasis sovietinis elektroninis kompiuteris buvo pagamintas Kijeve 1953 m. Jis vadinosi MESM (mažasis elektroninis kompiuteris), o vyriausiasis dizaineris buvo akademikas Sergejus Lebedevas, BESM (didelis elektroninis kompiuteris) serijos kompiuterių dizaino autorius. MESM projekte Sergejus Lebedevas, nepriklausomai nuo Neumanno, priėjo prie tų pačių elektroninių kompiuterių projektavimo idėjų kaip ir Neumannas.

„Neumano principų“ esmė buvo tokia:

1. Kompiuteryje yra tarpusavyje sujungtas procesorius (aritmetinis blokas ir valdymo įrenginys), atmintis ir įvesties/išvesties įrenginys.

2. Kompiuteriai, pagrįsti elektroniniais elementais, turi veikti dvejetainėje skaičių sistemoje, o ne dešimtainėje sistemoje.

3. Programa, kaip ir skaičiai, su kuriais veikia kompiuteris, yra parašyti dvejetainiu kodu, tai yra, komandos atvaizdavimo forma ir skaičiai yra to paties tipo.

4. Programa turi būti viename iš kompiuterio blokų – saugojimo įrenginyje, kuris turi atsitiktinę prieigą. Programa ir duomenys gali būti bendrojoje atmintyje (Princeton architektūra).

5. Didelės spartos, nepastovios ir didelės atminties saugojimo įrenginio fizinio įgyvendinimo sunkumai reikalauja hierarchinio atminties organizavimo. Programa vykdoma iš pagrindinės atminties ir saugoma nepastovioje antrinėje atmintyje (magnetiniuose diskuose). Failas yra identifikacinis duomenų tipo egzempliorių rinkinys, visiškai aprašytas konkrečioje programoje, esantis už programos ribų išorinėje atmintyje ir pasiekiamas programai atliekant specialias operacijas.

6. Kompiuterio aritmetinis-loginis vienetas (ALU) konstruojamas grandinių, atliekančių sudėjimo, poslinkio ir logines operacijas, pagrindu. Be operacijos rezultato, ALU generuoja daugybę rezultatų atributų (vėliavų), kuriuos galima analizuoti vykdant sąlyginio valdymo perdavimo komandą.

mob_info