принципы джона фон неймана кратко

Лекция 4 . Внутренняя организация процессора
Принципы Джона фон Неймана.
Большинство современных ЭВМ строится на базе принципов, сформулированных американским ученым, одним из «отцов» кибернетики ^ Дж. фон Нейманом. Впервые эти принципы были опубликованы фон Нейманом в 1945 г. в его предложениях по машине EDVAC. Эта ЭВМ была одной из первых машин с хранимой программой, т.е. с программой, запомненной в памяти машины, а не считываемой с перфокарты или другого подобного устройства.
В целом эти принципы фон Неймана сводятся к следующему:
Основными блоками фон-неймановской машины являются блок управления, арифметико-логическое устройство, память и устройство ввода-вывода.
Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы, называемые словами ( принцип двоичного кодирования).
Алгоритм представляется в форме последовательности управляющих слов, которые определяют смысл операции. Эти управляющие слова называются командами. Совокупность команд, представляющая алгоритм, называется программой.
Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Разнотипные слова различаются по способу использования, но не по способу кодирования ( принцип однородности памяти).
Устройство управления и арифметическое устройство обычно объединяются в одно, называемое центральным процессором. Они определяют действия, подлежащие выполнению, путем считывания команд из оперативной памяти.
Обработка информации, предписанная алгоритмом, сводится к последовательному выполнению команд в порядке, однозначно определяемом программой ( принцип программного управления).
Принципы фон Неймана практически можно реализовать множеством различных способов. Ниже будут рассмотрены два из них: ЭВМ с шинной и канальной организацией.
Основные компоненты ЭВМ
Центральный процессор (ЦП) (Central Processing Unit – CPU) – функциональная часть ЭВМ, выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. Это наиболее сложный компонент ЭВМ как с точки зрения электроники, так и с точки зрения функциональных возможностей. Центральный процессор состоит из следующих взаимосвязанных составных элементов:
арифметико-логического устройства;
устройства управления;
регистров.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ)
АЛУ выполняет основную работу по переработке информации, хранимой в оперативной памяти. В нем выполняются арифметические и логические операции. Кроме того, АЛУ вырабатывает управляющие сигналы, позволяющие ЭВМ автоматически выбирать путь вычислительного процесса в зависимости от получаемых результатов. Операции выполняются с помощью электронных схем, каждая из которых состоит из нескольких тысяч элементов. Микросхемы имеют высокую плотность и быстродействие. На современном технологическом уровне все АЛУ можно разместить на одном кристалле полупроводникового элемента размером с конторскую скрепку.

Арифметико-логическое устройство формирует по двум входным переменным одну выходную, выполняя заданную функцию (сложение, вычитание, сдвиг и т.д.). Выполняемая функция определяется микрокомандой, получаемой от устройства управления.
АЛУ содержит в своем составе устройство, хранящее характеристику результата выполнения операции над данными и называемое флаговым регистром или регистром флагов. Отдельные разряды этого регистра указывают на равенство результата операции нулю, знак результата операции (+ или —), правильность выполнения операции (наличие переноса за пределы разрядной сетки или переполнения). Программный анализ флагов позволяет производить операции ветвления программы в зависимости от конкретных значений данных.
Регистры
Кроме того, в АЛУ имеется набор программно-доступных быстродействующих ячеек памяти, которые называются регистрами процессора. Регистры составляют основу архитектуры процессора. Среди обязательного набора регистров можно отметить следующие.
Регистр данных — служит для временного хранения промежуточных результатов при выполнении операций.
Регистр аккумулятор — регистр временного хранения, который используется в процессе вычислений (например, в нем формируется результат выполнения команды умножения).
Регистр указатель стека — используется при операциях со стеком, т.е. такой структурой данных, которая работает по принципу: последним вошел — первым вышел, т.е. последнее записанное в него значение извлекается из него первым. Пока отметим только, что стеки используются для организации подпрограмм.
Индексные, указательные и базовые регистры используются для хранения и вычисления адресов операндов в памяти.
Регистры-счетчики используются для организации циклических участков в программах.
Регистры общего назначения, имеющиеся во многих ЭВМ, могут использоваться для любых целей. Точное назначение такого регистра определяет программист при написании программы. Они могут использоваться для временного хранения данных, в качестве аккумуляторов, а также в качестве индексных, базовых, указательных регистров. Количество регистров и связей между ними оказывает существенное влияние на сложность и стоимость процессора. Однако, с другой стороны, наличие большого количества регистров с богатым набором возможностей упрощает программирование и повышает гибкость программного обеспечения.

Кроме перечисленных регистров в состав АЛУ могут входить внутренние системные регистры, не доступные программно и используемые во время внутренних пересылок информации при выполнении команд.
Устройство управления (УУ)
УУ – часть центрального процессора. Оно вырабатывает распределенную во времени и пространстве последовательность внутренних и внешних управляющих сигналов, обеспечивающих выборку и выполнение команд.
На этапе цикла выборки команды УУ интерпретирует команду, выбранную из программной памяти. На этапе выполнения команды в соответствии с типом реализуемой операции УУ формирует требуемый набор команд низкого уровня для арифметико-логического устройства и других устройств. Эти команды задают последовательность простейших низкоуровневых операций, таких, как пересылка данных, сдвиг данных, установка и анализ признаков, запоминание результатов и др. Такие элементарные низкоуровневые операции называют микрооперациями, а команды, формируемые устройством управления, называются микрокомандами.
Последовательность микрокоманд, соответствующая одной команде, называется микропрограммой.
В простейшем случае УУ имеет в своем составе три устройства:
регистр команды, который содержит код команды (КОП) во время ее выполнения;
программный счетчик, в котором содержится адрес очередной подлежащей выполнению команды;
регистр адреса, в котором вычисляются адреса операндов, находящихся в памяти.
Память
Память – это устройство, предназначенное для запоминания, хранения и выборки программ и данных. Память состоит из конечного числа ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный номер или адрес. Доступ к ячейке осуществляется указанием ее адреса.
Память способна выполнять два вида операций над данными — чтение с сохранением содержимого и запись нового значения со стиранием предыдущего. В соответствии с принципами фон Неймана, каждая ячейка памяти может использоваться для хранения либо порции данных, либо команды.
В большинстве современных ЭВМ минимально адресуемым элементом памяти является байт — поле из 8 бит.
Совокупность битов, которые арифметико-логическое устройство может одновременно поместить в регистр или обработать, называют обычно машинным словом.
Оперативная память (ОП)
ОП – это функциональный блок, хранящий информацию для УУ (команды) и АЛУ (данные). Задачи, решаемые с помощью ЭВМ, требуют хранения в памяти различного количества информации, зависящего от сложности реализуемого алгоритма, количества исходных данных и т.п. Поэтому память должна вмещать достаточно большое количество информации, т.е. должна иметь большую емкость.
С другой стороны, память должна обладать достаточным быстродействием, соответствующим быстродействию других устройств ЭВМ. Чем больше емкость памяти, тем медленнее к ней доступ, так как время доступа (т.е. быстродействие) определяется временем, необходимым для выборки из памяти или записи в нее информации. Поэтому в ЭВМ существует несколько запоминающих устройств, различающихся емкостью и быстродействием (таблица 1).
Т а б л и ц а 1 – Основные параметры устройств памяти
Устройства памяти
Время доступа, с
Ёмкость, бит
Регистры
(2 - 20)∙10 -9
10 3 - 10 4
Оперативная память
(0.2 - 20)∙10 -6
10 6 - 10 9
Внешняя память
(10 - 100)∙10 -3
10 11 - 10 13
Оперативная память собирается на ферритовых сердечниках или полупроводниковых микросхемах и состоит из отдельных ячеек.
Периферийные устройства (ПУ)
В их число входят устройства двух типов:
устройства внешней памяти, предназначенные для долговременного хранения данных большого объема и программ;
коммуникационные устройства, предназначенные для связи ЭВМ с внешним миром (с пользователем, другими ЭВМ и т.д.).
Обмен данными с внешним устройством осуществляется через порты ввода-вывода. Порт (в переводе с английского, port — ворота, дверь, отверстие) – это абстрактное понятие, на самом деле несуществующее. По аналогии с ячейками памяти порты можно рассматривать как ячейки, через которые можно записать в ПУ, или, наоборот — прочитать из него. Так же как и ячейки памяти, порты имеют уникальные номера — адреса портов ввода-вывода.
Другие работы
Расчетно графическая работа по курсу бжд
Размещение осветительных приборов рассчитывается по формуле L = λh где h – высота подвеса над рабочей поверхностью λ – наивыгоднейшее расстояние между светильниками. Количество рядов светильников в помещении рассчитывается по формуле: n ряд = L где n ряд – количество рядов светильников; – ширина помещения; L – расстояние между рядами светильников. Количество светильников в ряде определяется по формуле: n св = B – l св L св где n св количество светильников в ряде; В – длина помещения; l св...
Реферат стратегии изучения зрительной коры
В ранних работах было показано что рецептивные поля простых и сложных клеток в первичной зрительной коре составляют начальные этапы распознавания паттернов. Рецептивные поля коры Сигналы ко

принципы джона фон неймана информатика

принципы джона фон неймана

Устройство и принципы работы ЭВМ Джона фон Неймана 1. Появление ЭВМ. Страна: США, год появления: 1946 год, название: ЭНИАК.

Читать

принципы джона фон неймана построения эвм

Принципы Джона фон Неймана Внутренняя и внешняя память 23.11.2013. - презентация.23 ноября 2013