Vad är principen för von Neumanns arkitektur? Hur fungerar von Neumanns maskin?

Idag är det svårt att tro, men datorer, utansom många inte längre kan föreställa sig sina liv, föreföll bara för ungefär 70 år sedan. En av dem som gjorde ett avgörande bidrag till deras skapande var den amerikanska forskaren John von Neumann. Han föreslog de principer som de flesta datorer fortfarande arbetar idag. Tänk på hur von Neumann-maskinen fungerar.

Kort biografisk anteckning

Janos Neiman föddes 1930 i Budapest, ien mycket rik judisk familj, som senare lyckades få titeln nobleman. Från barndomen utmärkte han sig för sina utmärkta förmågor inom alla områden. Vid 23 års ålder hade Neiman redan försvarat sin doktorsavhandling i experimentell fysik och kemi. År 1930 inbjöds en ung forskare att arbeta i USA vid Princeton University. Samtidigt blev Neiman en av de första anställda vid Institute for Advanced Studies, där han arbetade som professor fram till slutet av sitt liv. Neumanns vetenskapliga intressen var ganska omfattande. Han är i synnerhet en av skaparna av matematiken för kvantmekanik och begreppet cellautomat.

Bidrag till Informatik

Innan vi får reda på vilken princip som inte motsvarar von Neumann-arkitekturen, blir det intressant att lära sig hur forskaren kom till tanken på att skapa en modern dator.

Att vara expert på matematik av explosioner ochchockvågor i början av 1940-talet, von Neumann var en vetenskaplig konsult på ett av de laboratorier ammunition kontoret för USA: s armé. Under hösten 1943 kom han i Los Alamos för att delta i utvecklingen av Manhettenskogo projekt på personlig inbjudan av dess ledare Robert Oppenheimer. arbetsgrupp för att beräkna implosiva kompression av atombomben kostnad upp till en kritisk massa har satts framför honom. För att lösa det krävs stor computing, som till en början genomförs på handhållna miniräknare, och senare IBM: s mekaniska tabulatorer, med hjälp av hålkort.

Von Neumann fick kännedom om informationen på kursenskapandet av elektroniska och mekaniska och helt elektroniska datorer. Snart var han lockade till utvecklingen av EDVAC och Eniac datorer, vilket resulterar i arbetet började han skriva "Det första utkastet till rapporten om EDVAC» förblev oavslutade, där han presenterades för forskarvärlden en helt ny idé, vad som borde vara den datorarkitektur.

Von Neumanns principer

Informatik som vetenskap 1945 hade nått ett slut,eftersom alla datorer som lagrats i deras minne behandlade nummer i den 10: e blanketten och program för att utföra operationer sattes genom att installera hoppare på patchpanelen.

Detta begränsade möjligheterna betydligtdatorer. Ett verkligt genombrott blev principen von Neumann. Kortfattat kan de uttryckas i en mening: övergången till ett binärt talssystem och principen om ett lagrat program.

analys av

Låt oss överväga, på vilka principer den von Neumann-maskinens klassiska konstruktion baseras mer detaljerat:

1. Övergång till binärt system från decimal

Denna princip i Neumann-arkitekturen låter oss använda ganska enkla logiska enheter.

2. Programstyrning av en elektronisk dator

Driften av datorn styrs av en uppsättning instruktioner som utförs successivt en efter en. Utvecklingen av de första maskinerna med ett program lagrat i minnet lagde grunden för modern programmering.

3. Data och program i datorns minne lagras tillsammans.

I detta fall har både data och programkommandon samma sätt att skriva i binärsystemet, så i vissa situationer är det möjligt att utföra samma åtgärder som ovan på data.

utredning

Dessutom har Fonnemann-maskinens arkitektur följande egenskaper:

1. Minnesceller har adresser som numreras i följd

Tack vare tillämpningen av denna princip blev det möjligt att använda variabler i programmering. I synnerhet kan du när som helst hänvisa till ett visst minnesplats vid adressen.

2. Möjligheten till en villkorlig överföring under programkörning

Som redan nämnts måste kommandon i program utföras i följd. Det finns emellertid en möjlighet att övergå till någon del av koden.

Hur von Neumann fungerar

En sådan matematisk modell består avminne (minne), aritmetisk logisk enhet (ALU), kontroll, liksom inmatnings- och utmatningsenheter. Alla programinstruktioner är skrivna i minnesceller som finns i grannskapet, och data för bearbetningen sker i godtyckliga celler.

Varje lag ska bestå av:

• Ange vilken operation som ska utföras.
• adresser till minnesceller där de ursprungliga data som påverkas av den angivna operationen lagras
• adresser på celler som resultatet ska skrivas till.

De kommandon som anges av operationerna på specifikaALU indata utförs och resultaten är skrivna i minnescellerna, dvs. E. Lagras i en form som är lämplig för efterföljande bearbetningsmaskin, eller överföras till den utgående enheten (bildskärm, skrivare, etc.) och görs tillgänglig för människan.

CU styr alla delar av datorn. Från det till de andra enheterna får signaler-order "vad man ska göra", och från andra enheter får den information om vilket tillstånd de är i.

Kontrollenheten har en speciellett register som kallas SC-kommandoträknaren. Efter att ha laddat in de ursprungliga uppgifterna och programmet i minnet registrerar SC adressen adressen till sitt första kommando. UU läser innehållet i cellen från datorns minne, adressen är i SC, och placerar den i "Kommandoregisteret". Kontrollenheten bestämmer operationen som motsvarar det särskilda kommandot, och "markerar" i datorns minne de data vars adresser anges i den. Vidare fortsätter ALU eller datormaskinvaran till operationen, varefter innehållet i SC ändras till en, dvs indikerar nästa kommando.

kritik

Nackdelar och moderna perspektiv på arkitekturvon Neumann fortsätter att bli föremål för diskussioner. Det faktum att de maskiner som skapats på de principer som avanceras av denna enastående forskare är inte perfekta märktes för länge sedan.

Därför kan man i examenbiljetter på datavetenskap ofta hitta frågan "Vilken princip motsvarar von Neumanns arkitektur inte och vilka nackdelar har den."

När man svarar på sin andra del är det nödvändigt att ange:

• för närvaron av en semantisk klyfta mellan högnivå programmeringsspråk och kommandosystemet;
• på problemet med att matcha OP och bandbredden hos processorn;
• på den framväxande programkrisen,på grund av att kostnaden för skapandet är mycket lägre än kostnaden för att utveckla hårdvara, och det finns inget sätt att fullt ut testa programmet.
• brist på utsikter när det gäller hastighet, eftersom den teoretiska gränsen redan har uppnåtts.

Vad gäller vilken princip det inte ärmotsvarar von Neumann-arkitekturen, då pratar vi om parallell organisation av ett stort antal dataströmmar och kommandon som är inneboende i en multiprocessorarkitektur.

slutsats

Nu vet du vilken principmotsvarar von Neumann-arkitekturen. Det är uppenbart att vetenskap och teknik inte står stilla, och kanske snart i varje hus kommer att bli en helt ny typ av datorer genom vilka mänskligheten kommer att nå en ny nivå av utveckling. Förresten, simulatorprogrammet "Von Neumann Architecture" kommer att hjälpa till att förbereda provet. Sådana digitala utbildningsresurser underlättar lärandet av materialet och ger möjlighet att utvärdera din kunskap.