Jaký je princip von Neumannovy architektury? Jak funguje stroj von Neumann?

Dnes je těžké uvěřit, ale počítače, bez nichž si mnozí již nemohou představit svůj život, se objevili teprve před 70 lety. Jedním z těch, kteří rozhodně přispěli k jejich vytvoření, byl americký vědec John von Neumann. Navrhl zásady, na kterých dnes většina počítačů funguje. Zvažte, jak funguje stroj von Neumann.

Stručná biografická poznámka

Janos Neiman se narodil v roce 1930 v Budapešti, ve velmi bohaté židovské rodině, která se později podařilo získat titul šlechtice. Od dětství se vyznačoval vynikajícími schopnostmi ve všech oborech. Ve věku 23 let Neiman již obhájil doktorskou práci v experimentální fyzice a chemii. V roce 1930 byl mladý vědec vyzván, aby pracoval ve Spojených státech amerických Princetonské univerzitě. Současně se stal Neiman jedním z prvních zaměstnanců Institutu pro pokročilé studium, kde pracoval jako profesor až do konce svého života. Neumannovy vědecké zájmy byly poměrně rozsáhlé. Zejména je jedním z tvůrců matematiky kvantové mechaniky a koncepce buněčných automatů.

Příspěvek k informatice

Než zjistíme, který princip neodpovídá architektuře von Neumann, bude zajímavé dozvědět se, jak se vědec podílel na myšlence vytvoření moderního počítače.

Jako odborník v oblasti matematiky výbuchů a šokových vln byl na začátku čtyřicátých let von Neumann vědeckým poradcem v jedné z laboratoří Úřadu amerických armádních munice. Na podzim roku 1943 dorazil do Los Alamos, aby se podílel na vývoji projektu Manhattan na osobní pozvání svého vůdce Robert Oppenheimer. Před ním byl úkol vypočítat sílu implozní komprese náboje atomové bomby na kritickou hmotu. K vyřešení tohoto problému bylo zapotřebí velkých výpočtů, které byly nejdříve provedeny na ručních kalkulačkách a později na mechanických tabulátorech IBM s použitím děrovacích karet.

Von Neumann seznámí s informacemi o průběhu vytváření elektro-mechanických a plně elektronické počítače. Brzy, on byl přitahován k rozvoji počítačů EDVAC a ENIAC, což vede k práci, kterou začal psát „prvního návrhu zprávy o EDVAC» zůstala nedokončená, v němž byla předložena vědecké komunity zcela nový nápad, co by mělo být v počítači architektury.

Zásady Von Neumanna

Informatika jako věda do roku 1945 přišla na konec, protože všechny počítačů uložené v paměti zpracované čísla v 10. formuláři a programy pro provádění operací byly nastaveny instalací propojky na patch panelu.

To značně omezilo možnosti počítačů. Skutečným průlomem se staly principy von Neumann. Stručně, mohou být vyjádřeny v jedné větě: přechod na systém binárních čísel a princip uloženého programu.

Analýza

Zvažme, na jakých principech je založena klasická struktura stroje von Neumann:

1. Přechod na binární systém z desítkové

Tento princip architektury Neumann nám umožňuje používat poměrně jednoduché logické zařízení.

2. Řízení softwaru elektronického počítače

Ovládání počítače je řízeno souborem postupů, které jsou postupně prováděny jeden po druhém. Vývoj prvních strojů s programem uloženým v paměti vytvořil základ pro moderní programování.

3. Data a programy v paměti počítače jsou uloženy dohromady.

V tomto případě oba datové a programové příkazy mají stejný způsob zápisu v binárním systému, takže v určitých situacích je možné provést stejné akce jako výše uvedené údaje.

Důsledky

Navíc architektura stroje Fonnemann má následující vlastnosti:

1. Paměťové buňky mají adresy, které jsou číslovány postupně

Díky použití tohoto principu bylo možné v programování použít proměnné. Zejména můžete kdykoli na své adrese odkazovat na určitou paměťovou oblast.

2. Možnost podmíněného převodu během provádění programu

Jak již bylo řečeno, příkazy v programech musí být prováděny postupně. Existuje však možnost provést přechod na libovolnou část kódu.

Jak von Neumann pracuje

Takový matematický model se skládá z paměti (paměti), aritmetické logické jednotky (ALU), řídicího zařízení a také vstupních a výstupních zařízení. Všechny programové instrukce jsou zapsány do paměťových buněk umístěných v sousedství a data pro jejich zpracování jsou v libovolných buňkách.

Každý tým by měl sestávat z:

• Určete, kterou operaci je třeba provést;
• adresy paměťových buněk, ve kterých jsou uloženy původní údaje ovlivněné zadanou operací;
• adresy buněk, ke kterým by měl být výsledek napsán.

Tyto příkazy specifické operace na vstupních dat ALU proveden a výsledky jsou zapsány v paměťových buněk, tj. E. uložených ve formě vhodné pro další zpracování stroje, nebo přenáší na výstupní zařízení (monitor, tiskárna, apod), a jsou k dispozici pro člověka.

CU řídí všechny části počítače. Z toho do ostatních zařízení přijímá signály - objednává "co dělat" a od ostatních zařízení přijímá informace o tom, v jakém stavu jsou.

Řídicí zařízení má speciální registr nazvaný "počítadlo příkazů" SC. Po načtení původních dat a programu do paměti SC zaznamená adresu svého prvního příkazu. UU čte obsah buňky z paměti počítače, jeho adresa je v SC a umístí jej do "Příkazového registru". Řídicí zařízení určuje operaci odpovídající danému příkazu a "značkuje" v paměti počítače data, jejichž adresy jsou v něm uvedeny. Dále ALU nebo počítačový hardware pokračuje v operaci, po níž je obsah SC změněn na jeden, tj. Indikuje další příkaz.

Kritika

Nedostatky a moderní perspektivy architektury von Neumanna jsou i nadále předmětem diskusí. Skutečnost, že stroje vytvořené na principech pokročilého vědce nebyly dokonalé, bylo zaznamenáno už dávno.

Proto v lístcích na zkoušku v oblasti počítačové vědy lze často nalézt otázku "na jaký princip neodpovídá architektura von Neumanna a jaké nevýhody má."

Při odpovědi na druhou část je třeba uvést:

• pro přítomnost sémantické mezery mezi programovacími jazyky na vysoké úrovni a systémem příkazů;
• o problému přizpůsobení OP a šířce pásma procesoru;
• na vznikající softwarovou krizi způsobenou skutečností, že náklady na její vytvoření jsou mnohem nižší než náklady na vývoj hardwaru a neexistuje možnost úplného testování programu;
• nedostatečné vyhlídky z hlediska rychlosti, protože již byla dosažena jeho teoretická hranice.

Co se týče principu, který neodpovídá architektuře von Neumanna, mluvíme o paralelní organizaci velkého množství datových proudů a příkazů, které jsou vlastní multiprocesorové architektuře.

Závěr

Nyní víte, co architektura von Neumanna neodpovídá. Je zřejmé, že věda a technologie nezůstanou stále a možná se brzy objeví v každém domě počítače úplně nového typu, díky nimž bude lidstvo dosaženo nové úrovně svého vývoje. Mimochodem, program pro simulátory "Von Neumann Architecture" pomůže připravit se na zkoušku. Takové digitální vzdělávací zdroje usnadňují učení materiálu a poskytují příležitost k hodnocení vašich znalostí.