Архитектура фон Неймана

По фон Нейману вычислительная машина строится на следующих принципах:

основными блоками ее являются блок управления, арифметико-логическое устройство, запоминающее устройство и устройства ввода-вывода;

программы и данные хранятся в одной и той же памяти, и, таким образом, концепция хранимой программы является основной;

устройство управления и арифметическое устройство, обычно объединенные в центральный процессор (который может содержать внутреннюю память в виде накопителей и разнообразных регистров), определяют действия, подлежащие выполнению, путем считывания команд из оперативной памяти.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические, логические операции. Команды АЛУ – просты: "сравнить два числа", "переслать число", "сложить" и др.

Устройство управления (УУ) организует работу ЭВМ, в частности это устройство извлекает очередную команду из памяти, расшифровывает команду, выбирает из памяти операнды к расшифрованной команде и передает их АЛУ для выполнения расшифрованной операции, а после выполнения пересылает результат для хранения в память. При этом УУ реагирует на нормальный или аварийный ход выполнения операции.

Совокупность АЛУ и УУ, информационно-управляющих линий называется процессором компьютера.

Отсюда следует, что программа для фон-неймановской вычислительной машины состоит из набора команд, которые выполняются одна за другой. Адрес очередной ячейки памяти, из которой следует брать команду, указывается "счетчиком команд" в устройстве управления. Также следует, что данные, с которыми работает программа, могут включать в себя отдельные поименованные переменные и области памяти, так что к запомненным в них значениям можно впоследствии обращаться или менять их во время выполнения программ с использованием присвоенных имен. Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день — это фон-неймановские машины.

Разнообразие современных ЭВМ необычайно велико, что говорит о внедрении вычислительной техники в самые различные сферы деятельности человека. Весь спектр современных вычислительных систем можно разделить на три больших класса: мини-ЭВМ (включая персональные компьютеры), мейнфреймы, суперкомпьютеры. В настоящее время эти классы разнятся не столько по внешнему виду, сколько по функциональным возможностям.

Каждый класс ЭВМ продолжает пополняться новыми представителями. Стремительное развитие вычислительной техники делает затруднительным проведение четкой грани между разными классами ЭВМ. Можно сказать, что в целом в результате совершенствования технологии изготовления ЭВМ происходит увеличение их мощности и уменьшение габаритов. Так, современные микро-, мини-ЭВМ и персональные компьютеры обладают практически теми же возможностями, которыми обладали большие ЭВМ 60-х годов 20 века.

Несмотря на разнообразие типов ЭВМ, все они построены на основе некоторых общих принципов. Эти принципы были сформулированы в 40-х годах нашего столетия выдающимся американским математиком Джоном фон Нейманом.

Структурная схема ЭВМ, показанная на рисунке, широко использовалась в первых вычислительных машинах. Затем, при последующем развитии ЭВМ, она модернизировалась, так как имела существенный недостаток, связанный с тем, что управление вводом-выводом и выполнение команд в этой структуре осуществлялось общим устройством управления. При такой структуре ЭВМ все виды обработки программы на время выполнения операций ввода-вывода прекращались из-за занятости процессора, что существенно снижало быстродействие ЭВМ.

Для устранения этого недостатка в состав ЭВМ было включено дополнительное устройство — канал ввода-вывода — устройство, обеспечивающее взаимодействие процессора и периферийных устройств.

Каналы обеспечивали не только независимый доступ к памяти, но и автономное управление специальными операциями ввода-вывода. Фактически каждый из каналов представлял собой небольшой специализированный процессор обмена. Они имели специфическую систему команд, обеспечивающую только выполнение функций по вводу и выводу информации параллельно с центральным процессором ЭВМ. Таким образом, в ЭВМ унифицировались принципы обмена с внешними устройствами

Изменения элементно-технологической базы привели к изменению сложившихся принципов проектирования вычислительной техники. На смену ЭВМ третьего поколения (70-80гг. ХХвека) приходят микро- и мини-ЭВМ, основанные на идеях проблемной ориентации систем, параллельной и конвейерной обработки информации. Развиваются принципы регулярности и однородности структур на различных уровнях организации, становится реальной возможностью идея создания адаптивно перестраиваемых вычислительных систем, конфигурация которых изменяется в процессе решения задачи с целью наиболее эффективной организации вычислительного процесса и обеспечения живучести системы. Характерной чертой развития средств вычислительной техники является аппаратная реализация функций математического обеспечения, что позволяет существенно повысить производительность вычислительных систем.

Дальнейшее развитие получает принципы модульности, магистральности и микропрограммируемости. По сравнению с ЭВМ общего назначения эти машины меньше по объему и габаритным размерам, проще по устройству, дешевле и удобнее в эксплуатации.

Обмен информацией с компьютером осуществляется устройствами ввода и устройствами вывода.

Пример. Устройствами ввода являются, например, клавиатура, мышь. Устройствами вывода — дисплей, принтер, плоттер.