Архитектура Фон Неймана. Принципы создания ЭВМ согласно Фон Нейману

Содержание: 

1.Введение……………………………………………………………………..3

2.Краткая биография Джон Фон Неймана…………………………………..4

3.Архитектура Джон Фон Неймана………………………………………….5

4.Принципы Джон Фон Неймана…………………………………………….6

5. Электронно-вычислительная машина Джон Фон Неймана………………7

6.Схема вычислительной машины Джон Фон Неймана…………………….13

7.Заключение…………………………………………………………………..14

8.Список использованной литературы……………………………………….15 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.Введение 
 

В своей курсовой работе на тему «Архитектура Фон Неймана. Принципы создания ЭВМ согласно Фон Нейману» я расскажу вам краткую биографию

Американского математика Джон фон Неймана, о том  как создавались его вычислительные машины (компьютеры),о принципах, созданных  Джон Фон Нейманом и о самих  вычислительных машинах и их составляющих ,а так  же отображу схему вычислительных машин. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Краткая биография Джон фон Неймана

Джон Фон Нейман  (1903 — 1957) — американский математик. Внес

большой вклад  в создание первых ЭВМ и разработку методов их

применения. Интерес фон Неймана к компьютерам  в какой-то степени связан с его  участием в сверхсекретном Манхэттенском  проекте по созданию атомной бомбы, который разрабатывался в Лос-Аламосе, шт. Нью-Мексико.

Однако  фон Нейман понимал, что компьютер  — это не больше, чем простой  калькулятор, что — по крайней  мере потенциально — он представляет собой универсальный инструмент для научных исследований.

В 1945 году был опубликован доклад фон Неймана, в котором он наметил основные принципы построения и компоненты современного компьютера. Согласно выводам фон Неймана в компьютере должны быть следующие устройства: арифметико-логические устройство (для выполнения арифметических и логических операций), устройство управления (управление работой всей машины), оперативная память (для хранения команд и данных), устройства ввода и вывода информации. 

Компьютеры, построенные в соответствии с  принципами фон Неймана, стали называть "машинами фон Неймана".

Архитектурные принципы организации компьютера указанные фон Нейманом, оставались почти неизменными вплоть до 1970-х годов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3.Архитектура Джон Фон Неймана

Архитектура Фон Неймана (англ. von Neumann architecture) — широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана», однако, соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.

Наличие заданного  набора исполняемых команд и программ было характерной чертой первых компьютерных систем. Сегодня подобный дизайн применяют  с целью упрощения конструкции  вычислительного устройства. Так, настольные калькуляторы, в принципе, являются устройствами с фиксированным набором  выполняемых программ. Их можно использовать для математических расчётов, но невозможно применить для обработки текста и компьютерных игр, для просмотра  графических изображений или  видео. Изменение встроенной программы  для такого рода устройств требует  практически полной их переделки, и  в большинстве случаев невозможно. Впрочем, перепрограммирование ранних компьютерных систем всё-таки выполнялось, однако требовало огромного объёма ручной работы по подготовке новой  документации, перестройки блоков и  устройств и т. п. Всё изменила идея хранения компьютерных программ в общей памяти. Ко времени её появления использование архитектур, основанных на наборах исполняемых  инструкций, и представление вычислительного  процесса как процесса выполнения инструкций, записанных в программе, чрезвычайно  увеличило гибкость вычислительных систем в плане обработки данных. Один и тот же подход к рассмотрению данных и инструкций сделал лёгкой задачу изменения самих программ.

В настоящее  время фон-неймановской архитектурой называется организация ЭВМ, при  которой вычислительная машина состоит  из двух основных частей — линейно-адресуемой памяти, слова которой хранят команды  и элементы данных, и процессора выполняющего эти команды. В основе модели вычислений фон Неймана лежат принцип последовательной передачи управления (счётчик команд) и концепция переменной (идентификатор).  
 
 
 
 

4.Принципы Джон Фон Неймана

1. Принцип двоичного кодирования.

Для представления  данных и команд используется двоичная система счисления(цифры 0 и 1)

2. Принцип однородности памяти.

Как программы (команды), так и относящиеся к  программам данные хранятся в одной  и той же памяти (и кодируются в одной и той же системе  счисления — чаще всего двоичной. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

3. Принцип адресуемости памяти.

Структурно  основная память состоит из пронумерованных  ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка; память внутренняя.

4. Принцип последовательного программного управления.

Все команды  располагаются в памяти и выполняются  последовательно, одна после завершения другой, в последовательности, определяемой программой.

5. Принцип жесткости архитектуры.

Неизменяемость  в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд. 
 
 
 
 
 

5.Электронно вычислительная машина Джон Фон Неймана

В соответствии с принципами Фон Неймана компьютер состоит из арифметико-логического устройства — АЛУ (англ. ALU, Arithmetic and Logic Unit), выполняющего арифметические и логические операции; устройства управления, предназначенного для организации выполнения программ; запоминающих устройств (ЗУ), в т.ч. оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и внешнего запоминающего устройства (ВЗУ); внешних устройств для ввода-вывода данных. Фон-неймановская архитектура компьютера считается классической, на ней построено большинство компьютеров. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.

Первые компьютерные системы отличались жестко заданным набором исполняемых команд и программ. Примером такого рода вычислительных устройств являются калькуляторы. Идея хранения компьютерных программ в общей памяти позволяла превратить вычислительные машины в универсальные устройства, которые способны выполнять широкий круг задач.

Программы и  данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы  записываются в соседние ячейки памяти, а данные для обработки могут  содержаться в произвольных ячейках. У любой программы последняя  команда должна быть командой завершения работы.

Команда состоит  из указания, какую операцию следует  выполнить (из возможных операций на данном «железе») и адресов ячеек  памяти, где хранятся данные, над  которыми следует выполнить указанную  операцию, а также адреса ячейки, куда следует записать результат (если его требуется сохранить в  ЗУ).

Из арифметико-логического  устройства результаты выводятся в  память или устройство вывода. Принципиальное различие между ЗУ и устройством  вывода заключается в том, что  в ЗУ данные хранятся в виде, удобном  для обработки компьютером, а  на устройства вывода (принтер, монитор  и др.) поступают так, как удобно человеку.

УУ управляет  всеми частями компьютера. От управляющего устройства на другие устройства поступают  сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии.

Управляющее устройство содержит специальный регистр (ячейку), который называется «счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. УУ считывает из памяти содержимое ячейки памяти, адрес которой находится  в счетчике команд, и помещает его  в специальное устройство — «Регистр команд». УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и  контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера.

В результате выполнения любой команды счетчик команд изменяется на единицу и, следовательно, указывает на следующую команду  программы. Когда требуется выполнить  команду, не следующую по порядку  за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов, то специальная  команда перехода содержит адрес  ячейки, куда требуется передать управление.

Подавляющее большинство  вычислительных машин на сегодняшний  день – фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности  систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик  команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются  другие существенные принципиальные отличия  от классической модели (примерами  могут служить потоковая и  редукционная вычислительные машины). По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин  пятого поколения, в основе обработки  информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.

Электронно-вычислительные машины (ЭВМ), или, как их теперь чаще называют, компьютеры, - одно из самых  удивительных творений человека. В  узком смысле ЭВМ - это приспособления, выполняющие разного рода вычисления или облегчающие этот процесс. Простейшие устройства, служащие подобным целям, появились в глубокой древности, несколько тысячелетий назад. По мере развития человеческой цивилизации  они медленно эволюционировали, непрерывно совершенствуясь. Однако только в 40-е годы нашего столетия было положено начало созданию компьютеров современной архитектуры и с современной логикой. Именно эти годы можно по праву считать временем рождения современных ( естественно, электронных ) вычислительных машин.

В своем историческом докладе, опубликованном в 1945 году, Джон Фон Нейман выделил и детально описал пять ключевых компонентов того, что ныне называют " архитектурой фон Неймана " современного компьютера. 

Чтобы компьютер  был и эффективным , и универсальным  инструментом, он должен включать следующие  структуры: центральное арифметико-логическое устройство (АЛУ), центральное устройство управления (УУ), " дирижирующее " операциями, запоминающее устройство, или память, а также устройства ввода-вывода информации.

Фон Нейман отмечал, что эта система должна работать с двоичными числами, быть электронным, а не механическим устройством и выполнять операции последовательно, одну за другой.

Таким образом ЭВМ содержат следующие основные функциональные блоки:

1. запоминающее устройство (память);
2. арифметико-логическое устройство (АЛУ); процессор
3. управляющее устройство (УУ);
4. устройства ввода и вывода информации

Путь информации в машине начинается с устройства ввода. Это глаза и уши ЭВМ. Она может воспринять информацию, считывая ее с карт, с перфоленты, с магнитной ленты, магнитного или лазерного диска, с телетайпа или же получая ее от оператора ЭВМ, сидящего за пультом дисплея. Нажатием клавиш оператор вводит исходные данные в машину и одновременно видит их на экране. Это очень удобно. Вводимая информация идет без каких-либо промежуточных носителей. Весь процесс - общение с машиной - происходит в режиме диалога с ней.

Введенная в  ЭВМ информация поступает в  оперативный накопитель. Некоторая часть ее остается здесь до поры до времени, не вступая в действие. Для другой оперативный накопитель - своего рода пересыльный пункт. Через него часть информации попадает в запоминающее устройство - своеобразную записную книжку машины, хранящую множество полезных для работы сведений. Их не сотни и не тысячи единиц, а миллионы. И запись эта может храниться очень долго. Другая часть информации нужна для немедленной переработки: она тотчас же поступает в АЛУ, состоящее из сумматоров. Они-то и выполняют все арифметические и логические действия.

В электронной  машине важную роль играет память. Оперативная память нужна для запоминания данных, которые часто используются в работе. Главная особенность такой памяти - быстрая выдача нужной информации, как говорится "по первому требованию".

Самые тесные отношения  между собой поддерживают устройства управления (УУ) и АЛУ, поэтому их часто объединяют в общую группу, которую называют процессором. Процессор строится как единый узел - своеобразное сердце машины, - способный выполнять определенный набор операций, извлекая из памяти нужные команды и анализируя их для последующих действий. Часто для усиления мощности ЭВМ, увеличения ее производительности в одной машине соединяют несколько процессоров, которые могут выполнять программы одновременно. Среди процессоров один обычно является центральным. Окончательные результаты вычислений - "готовая продукция" машины поступает в устройство вывода и выдается пользователю в удобной для него форме.

ПРОЦЕССОР - основное устройство обработки информации и управления остальными устройствами ЭВМ. Это своего рода "мозг" ЭВМ.

Основные характеристики процессора: быстродействие - число выполняемых операций в секунду, разрядность - объем информации, который процессор обрабатывает за одну операцию .

ПАМЯТЬ - устройство хранения и выдачи информации по запросу процессора. Память ЭВМ бывает внутренней и внешней.

Внутренняя память в свою очередь делится на Оперативную память (ОЗУ) и Постоянную (ПЗУ). ОЗУ используется непосредственно при решении задачи и позволяет передавать процессору и принимать от него информацию примерно с такой же скоростью, с какой процессор ее обрабатывает. Поэтому эта память называется быстрой или оперативной. Реализуется она в виде микросхем, которые хранят информацию, пока компьютер включен.

ПЗУ - это та память, содержимое которой устанавливается на заводе - изготовителе и в дальнейшем не меняется.

Внешняя память ЭВМ в основном реализуется на магнитных лентах, магнитных и лазерных дисках.

Основной  характеристикой памяти является ее объем (количество запоминаемой информации).  
 
 

УСТРОЙСТВА  ВВОДА-ВЫВОДА ИНФОРМАЦИИ - предназначены для общения человека с машиной. Они обеспечивают ввод информации в память ЭВМ и выдачу ее по запросу.

Устройство ввода  информации в школьной ЭВМ - клавиатура, вывода - монитор и принтер. Дисковод является одновременно и устройством ввода информации и устройством вывода информации. Его называют устройством ввода-вывода информации. Для профессиональных работ существуют и другие устройства ввода и вывода информации: дигитайзер - устройство для ввода в ЭВМ графической информации, графопостроитель - устройство вывода графической информации из ЭВМ, модем - устройство, преобразующее дискретные сигналы в непрерывные и обратно для передачи их по линии связи аналогового типа, например по телефону; световое перо, сканер, мышь, джойстик - предназначены для ввода информации. И постоянно число таких устройств растет и сами они становятся совершеннее. Связь между устройствами ЭВМ осуществляется с помощью магистрали.

МАГИСТРАЛЬ можно представить себе как пучек проводов, к которому параллельно подсоединены все устройства ЭВМ. Посылая по магистрали электрические сигналы, компоненты ЭВМ могут передавать информацию друг другу.

Итак, задача процессора - обрабатывать информацию, памяти - хранить обрабатываемую процессором информацию и программы.

Термин "ПРОЦЕССОР" широко применяется в информатике и имеет несколько различных значений.

• Первое значение термина " процессор " описано выше. Позже этот термин стали употреблять для обозначения специализированных блоков, входящих в состав ЭВМ, которые выполняют свои задачи в автономном режиме по указанию операционной системы. Примерами таких процессоров могут служить: процессор ввода-вывода, используемый для обмена информацией с внешней средой, лингвистический процессор, реализующий все необходимые операции по естественно-языковому интерфейсу с пользователями, процессор базы данных, в котором реализуются все операции, нужные для обмена информацией с базой данных.
• Иное использование того же термина связано с особенностями организации работы центрального блока ЭВМ. Примерами могут служить ассоциативный процессор, в котором поиск информации в памяти происходит не по адресам, а по содержимому ячеек памяти, векторный процессор, оперирующий не только числами, но и векторами, или текстовый процессор, приспобленный для обработки текстов.
• Наконец, термин " процессор " может относиться не к техническому устройству, а к комплексу программ, предназначенных для определенного типа задач. Например, алгоритмический процессор переводит язык программирования высокого уровня в последовательность команд машинного языка.

С конца 80-х гг. в истории развития ЭВМ настутила  пора нового (пятого) поколения машин. Они коренным образом отличаются от машин предшествующих поколений. И прежде всего тем, что их структура  отличается от той, которую предложил  когда-то фон Нейман. Вернее, та структура  сохраняется лишь в виде ядра, вокруг которого вырастают новые блоки.

Важное место  в структуре занимает БАЗА ЗНАНИЙ хранящая все необходимые для решения задач сведения о той предметной области, к которой эти задачи относятся.

Наконец, блок, называемый РЕШАТЕЛЕМ, организует подготовку программы решения задачи на основании знаний из базы знаний и исходных данных, полученных из блока общения.

Ядро системы  составляет ЭВМ ВЫСОКОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ.

В связи с  появлением новой базовой структуры  ЭВМ в машинах пятого поколения  широко используются модели и средства, разработанные в искусственном интеллекте. Одно из них - устройство голосовой связи с ЭВМ. Большие надежды возлагают и на компьютеры нейронно - сетевого типа, электрические схемы которых копируют сложные взаимосвязи между нервными клетками головного мозга. В таких ЭВМ гигантское количество процессоров будет иметь невообразимо большое число связей между ними.

Подобная структура  позволит обрабатывать в машине информацию, как и в мозге, одновременно, сразу  и повсюду, а результаты выдавать практически мгновенно.

Пока же специалисты отмечают, что компьютер - это не мозг. Это просто - напросто еще один инструмент, еще одно устройство, придуманное для того, чтобы облегчить наш труд или усилить нашу власть над природой.

Ведь при всем его кажущемся великолепии современный компьютер обладает, по-существу, одним-единственным талантом - реагировать с молниеносной быстротой на импульсы электрического напряжения. Истинное величие заключено в человеке, его гении, который нашел способ преобразовывать разнообразную информацию, поступающую из реального мира, в последовательность нулей и единиц двоичного кода, т.е. записывать ее на математическом языке, идеально подходящем для электронных схем компьютера. Нет никакого сомнения в том, что новые открытия в этой области открывают новые возможности в интеллектуальном развитии человечества, а значит, и в развитии современной цивилизации.  
 
 

6.Схема вычислительной машины Джон Фон Неймана 
 
 

7.Заключение 
 

Ознакомившись с моей курсовой работой, посвященной  краткой биографии американского  математика Джон Фон Неймана, открывшего электронно вычислительные машины я  думаю вы получили углубленное представление  о компьютерах, которыми пользуется в 21 веке буквально каждый человек на Земле. Благодаря моей курсовой работе так же человек который не знал из каких компонентов состоит компьютер, теперь полностью может ответить на этот вопрос. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

8.Список  использованной литературы 

1. Х.Крейгон. Архитектура компьютера и её реализация. Учебное пособие. – С-Пб., Мир, 2004.

2. . Э.Таненбауэм. Архитектура компьютера. Научная  литература. – С-Пб., Питер, 2003. 
   
3. Х.Крейгон.  Архитектура компьютера и её реализация. Учебное пособие. – С-Пб., Мир, 2004.

4. Э.Таненбауэм. Архитектура компьютера. Научная  литература. – С-Пб., Питер, 2003.

5. История компьютера. [Электронный ресурс]. – Режим  доступа: http://www.chernykh.net/.

6. Планета информатики. [Электронный ресурс]. – Режим  доступа: http://www. inf1.info/..

7. Монастырский М. И. Джон фон Нейман — математик и человек. // Историко-математические исследования. — М.: Янус-К, 2006.