Архитектура фон Неймана

В 40-х годах XX века американец венгерского происхождения Джон (Янош) фон Нейман (1903-1957) включился в работу по созданию вычислительной машины для управления установками береговой противовоздушной обороны. Машина была названа «ENIAC» Electronic Numeric Integrator Automatic Computer – электронный численный интегратор и автоматический вычислитель. Но она имела принципиальный недостаток, в ней отсутствовало устройство для запоминания и хранения команд.

В 1945 году Джон фон Нейман выступил с докладом, в котором были сформулированы основные принципы организации нового вычислительного устройства, получившие название архитектура фон Неймана.

АЛУ – арифметико-логическое устройство, предназначенное для выполнения арифметических и логических операций, в современных компьютерах устройство является составной частью процессора;

ОП –  оперативная память, устройство, предназначенное для хранения кодов и данных выполняющейся в данный момент программы; американская аббревиатура RAM – Random Access Memory, память с произвольным доступом; русская аббревиатура ОЗУ – оперативное запоминающее устройство.

ВУ –  внешние устройства или периферия. Обычно делят на два класса:

1. Внешняя память – накопитель на гибких магнитных дисках, накопитель на жестких магнитных дисках, CD-устройства, магнитооптические накопители, DVD-устройства, флэш USB устройства.

2. Устройства ввода/вывода информации:

– устройства ввода: клавиатура, манипуляторы (мышь, сенсорная панель, джойстик и др.),  микрофон, сканер, дисплей, факс, цифровая видео- (фото-) камера, дигитайзер;

– устройства вывода: дисплей, принтер, акустические колонки, плоттер, факс, электронная доска, проектор.

УУ    - управляющее устройство (в современной технике входит в состав процессора), которое организует работу компьютера следующим образом:

1.      помещает в ОП коды программы из ВУ;

2.      считывает из ячейки ОП и организует выполнение первой команды программы;

3.      определяет очередную команду и организует ее выполнение;

4.      постоянно синхронизирует работу устройств, имеющих различную скорость выполнения операций, путем приостановки выполнения программы.

В целом принципы фон-Неймана сводятся к следующему:

1. Принцип хранимой программы. Машина имеет память, в которой хранятся программа, данные и результаты промежуточных вычислений. Программа и данные вводятся в память в виде двоичных кодов.

2. Адресный принцип. В команде указываются не сами числа, над которыми нужно выполнять арифметические действия, а адреса ячеек памяти, где эти числа находятся.

3. Принцип автоматизма. После ввода программы и данных машина работает автоматически, выполняя предписания программы без вмешательства человека. Для этого машина запоминает адрес выполняемой команды, а каждая команда содержит указание об адресе следующей команды. Указание может быть:

1)      неявным – перейти к команде, следующей по адресу за выполняемой, используется при построении линейной организации управления действиями алгоритма;

2)      безусловным – перейти к команде по заданному адресу, осуществляется при использовании команды перехода (GoTo) или организации подпрограмм;

3)      условным – проверить заданное условие и в зависимости от его выполнения перейти к команде по тому или иному адресу, используется при организации команд ветвления и цикла.

4.  Принцип переадресации. Адреса ячеек памяти, указанные в команде, можно вычислять и преобразовывать как числа.

В 1946 году фон Нейман начинает разработку новой машины, в соответствии с разработанной архитектурой и принципами, и в 1949 годубыла создана машина EDVAC – электронный компьютер по обработке дискретных переменных, которая в последствии была признана первым компьютером.