Care este principiul arhitecturii lui von Neumann? Cum funcționează mașina lui von Neumann?

Astăzi este greu de crezut, dar computerele, fără de care mulți nu-și mai pot imagina viața, au apărut abia acum 70 de ani. Unul dintre cei care au contribuit decisiv la crearea lor a fost omul de știință american John von Neumann. El a propus principiile pe care majoritatea computerelor funcționează astăzi. Luați în considerare modul în care funcționează mașina von Neumann.

Scurtă notă biografică

Janos Neiman sa născut în 1930 la Budapesta, într-o familie evreiască foarte bogată, care mai târziu a reușit să obțină titlul de nobil. Din copilărie a fost distins pentru abilitățile sale remarcabile în toate domeniile. La vârsta de 23 de ani, Neiman își apăra deja teza de doctorat în fizica experimentală și chimie. În 1930, un tânăr om de știință a fost invitat să lucreze în Statele Unite, în Universitatea Princeton. În același timp, Neiman a devenit unul dintre primii angajați ai Institutului de Studii Avansate, unde a lucrat ca profesor până la sfârșitul vieții sale. Interesele științifice ale lui Neumann erau destul de extinse. În special, el este unul dintre creatorii matematicii mecanicii cuantice și conceptul de automate celulare.

Contribuția la informatică

Înainte de a afla ce principiu nu corespunde arhitecturii von Neumann, va fi interesant să afli cum a ajuns omul de știință la ideea de a crea un calculator modern.

Fiind expert în domeniul matematicii exploziilor și undelor de șoc, la începutul anilor `40, von Neumann a fost consultant științific într-unul din laboratoarele Biroului de Muniții al Armatei Statelor Unite. În toamna anului 1943, a sosit la Los Alamos pentru a participa la dezvoltarea Proiectului Manhattan la invitația personală a liderului său Robert Oppenheimer. Înainte de el a fost sarcina de a calcula forța comprimării prin implozie a încărcăturii cu bombă atomică la masa critică. Pentru a le rezolva, au fost necesare calcule mari, care la început au fost efectuate pe calculatoare de mână și mai târziu pe tabelele mecanice ale IBM, folosind cartele de perforare.

Von Neumann familiarizați cu informațiile cu privire la progresul crearea calculatoarelor electro-mecanice și electronice complet. Curând, el a fost atras la dezvoltarea calculatoarelor EDVAC și ENIAC, rezultând în lucrarea a început să scrie „Primul proiect al raportului privind EDVAC», a rămas neterminat, în care a prezentat comunitatea științifică o idee complet nouă, ceea ce ar trebui să fie arhitectura calculatorului.

Principiile lui Von Neumann

Informatica ca știință până în 1945 a ajuns la un sfârșit, din moment ce toate calculatoare stocate în memoria lor numerele procesate în formularul 10 și programele pentru efectuarea operațiunilor au fost stabilite prin instalarea jumperilor pe panoul de patch-uri.

Acest lucru a limitat foarte mult capacitățile computerelor. O adevărată descoperire a devenit principiul von Neumann. Pe scurt, ele pot fi exprimate într-o singură frază: tranziția la un sistem numeric binar și principiul unui program stocat.

analiza

Să analizăm, pe baza principiilor pe care se bazează structura clasică a mașinii von Neumann, mai detaliat:

1. Trecerea la sistemul binar din zecimal

Acest principiu al arhitecturii Neumann ne permite să folosim dispozitive logice destul de simple.

2. Controlul software al unui calculator electronic

Operarea calculatorului este controlată de un set de instrucțiuni executate succesiv unul după altul. Dezvoltarea primelor mașini cu un program stocat în memorie a pus bazele programării moderne.

3. Datele și programele din memoria calculatorului sunt stocate împreună.

În acest caz, atât datele cât și comenzile programului au același mod de scriere în sistemul binar, astfel încât, în anumite situații, este posibil să se efectueze aceleași acțiuni ca și cele de mai sus asupra datelor.

investigație

În plus, arhitectura mașinii Fonnemann are următoarele caracteristici:

1. Celulele de memorie au adrese care sunt numerotate secvențial

Datorită aplicării acestui principiu, a devenit posibilă utilizarea variabilelor în programare. În special, puteți oricând să vă referiți la o anumită locație de memorie la adresa acesteia.

2. Posibilitatea unui transfer condiționat în timpul executării programului

După cum am menționat deja, comenzile din programe trebuie executate secvențial. Cu toate acestea, există posibilitatea de a efectua o tranziție la orice secțiune a codului.

Cum lucrează von Neumann

Un astfel de model matematic constă dintr-o memorie (memorie), o unitate logică aritmetică (ALU), un dispozitiv de comandă, precum și dispozitive de intrare și ieșire. Toate instrucțiunile programului sunt scrise în celulele de memorie situate în vecinătate, iar datele pentru prelucrarea lor sunt în celule arbitrare.

Orice echipă trebuie să fie formată din:

• Specificați ce operație trebuie efectuată;
• adresele celulelor de memorie în care sunt stocate datele originale afectate de operația specificată;
• adresele celulelor la care trebuie scris rezultatul.

Aceste comenzi operațiuni specifice cu privire la datele de intrare ALU executate, iar rezultatele sunt scrise în celulele de memorie, de ex., E. stocate într-o formă adecvată pentru mașini de prelucrare ulterioară, sau transmise către dispozitivul de ieșire (monitor, imprimantă etc.) și puse la dispoziția omului.

CU controlează toate componentele calculatorului. De la acesta la celelalte dispozitive recepționează semnale-ordine "ce să facă", iar de la alte dispozitive primește informații despre starea în care se află.

Dispozitivul de comandă are un registru special numit "comanda de comandă" a SC. După încărcarea datelor și a programelor originale în memorie, SC înregistrează adresa primei sale comenzi. UU citește conținutul celulei din memoria computerului, adresa se află în SC și o plasează în "Registrul de comandă". Dispozitivul de comandă determină operația corespunzătoare comenzii respective și "marchează" în memoria computerului datele ale căror adrese sunt indicate în ea. Mai mult, ALU sau hardware-ul computerului continuă cu operația, după care conținutul SC este schimbat într-unul, adică indică următoarea comandă.

critică

Deficiențele și perspectivele moderne ale arhitecturii von Neumann continuă să fie subiectul discuțiilor. Faptul că mașinile create pe principiile avansate de acest om de știință remarcabil nu sunt perfecte a fost observat cu mult timp în urmă.

Prin urmare, în biletele de examen de informatică se poate găsi adesea întrebarea "ce principiu nu corespunde arhitecturii lui von Neumann și ce dezavantaje are el".

Atunci când răspundeți la cea de-a doua parte, este necesar să indicați:

• pentru prezența unui decalaj semantic între limbile de programare la nivel înalt și sistemul de comandă;
• pe problema potrivirii OP și a lățimii de bandă a procesorului;
• privind criza software-ului în curs de dezvoltare, cauzată de faptul că costul creării acestuia este mult mai mic decât costul dezvoltării hardware și nu există posibilitatea testării complete a programului;
• lipsa de perspective în ceea ce privește viteza, deoarece limita sa teoretică a fost deja atinsă.

În ceea ce privește principiul care nu corespunde arhitecturii lui von Neumann, atunci vorbim de organizarea paralelă a unui număr mare de fluxuri de date și de comenzi inerente unei arhitecturi multiprocesoare.

concluzie

Acum știi ce nu corespunde arhitectura lui von Neumann. Evident, știința și tehnologia nu se opresc și, probabil, foarte curând, vor apărea în fiecare casă computere de tip complet nou, datorită cărora omenirea va ajunge la un nou nivel al dezvoltării sale. Apropo, programul de simulare "Von Neumann Architecture" vă va ajuta să vă pregătiți pentru examen. Astfel de resurse educaționale digitale facilitează învățarea materialului și oferă o oportunitate de a vă evalua cunoștințele.