Какому принципу не соответствует архитектура фон Неймана? Как работает машина фон Неймана?

Сегодня трудно поверить, но компьютеры, без которых многие уже не могут представить свою жизнь, появились всего каких-то 70 лет назад. Одним из тех, кто сделал решающий вклад в их создание, был американский ученый Джон фон Нейман. Он предложил принципы, на которых и по сей день работает большинство ЭВМ. Рассмотрим, как работает машина фон Неймана.

какому принципу не соответствует архитектура фон Неймана

Краткая биографическая справка

Янош Нейман родился в 1930 году в Будапеште, в очень состоятельной еврейской семье, которой впоследствии удалось получить дворянский титул. Он с детства отличался выдающимися способностями во всех областях. В 23 года Нейман уже защитил кандидатскую диссертацию в области экспериментальной физики и химии. В 1930-м молодого ученого пригласили на работу в США, в Принстонский университет. Одновременно с этим Нейман стал одним из первых сотрудников Института перспективных исследований, где проработал профессором до конца жизни. Научные интересы Неймана были довольно обширны. В частности, он является одним из создателей матаппарата квантовой механики и концепции клеточных автоматов.


Вклад в информатику

Прежде чем выяснить, какому принципу не соответствует архитектура фон Неймана, будет интересно узнать о том, как ученый пришел к идее создания вычислительной машины современного типа.

Будучи экспертом в области математики взрывов и ударных волн, в начале 1940-х фон Нейман являлся научным консультантом в одной из лабораторий Управления боеприпасов Армии Соединенных Штатов. Осенью 1943 года он прибыл в Лос-Аламос для участия в разработке Манхеттэнского проекта по личному приглашению его руководителя Роберта Оппенгеймера. Перед ним была поставлена задача рассчитать силу имплозийного сжатия заряда атомной бомбы до критической массы. Для ее решения требовались большие вычисления, которые на первых порах осуществлялись на ручных калькуляторах, а позже на механических табуляторах фирмы IBM, с использованием перфокарт.


Фон Нейман познакомился с информацией о ходе создания электронно-механических и полностью электронных компьютеров. Вскоре его привлекли к разработке компьютеров EDVAC и ENIAC, в результате чего он начал писать работу «Первый проект отчета о EDVAC», оставшуюся неоконченной, в которой представил научному сообществу совершенно новую идею о том, какой должна быть компьютерная архитектура.

принципы фон Неймана информатика

Принципы фон Неймана

Информатика как наука к 1945 году зашла в тупик, так как все вычислительные машины хранили в своей памяти обрабатываемые числа в 10-м виде, а программы для совершения операций задавались посредством установки перемычек на коммутационной панели.

Это значительно ограничивало возможности компьютеров. Настоящим прорывом стали принципы фон Неймана. Кратко их можно выразить одним предложением: переход к двоичной системе счисления и принцип хранимой программы.

Анализ

Рассмотрим, на каких принципах основана классическая структура машины фон Неймана, более подробно:

1. Переход к двоичной системе от десятиричной

Этот принцип неймановской архитектуры позволяет использовать достаточно простые логические устройства.

2. Программное управление электронной вычислительной машиной

Работа ЭВМ контролируется набором команд, выполняемых последовательно друг за другом. Разработка первых машины с программой, хранимой в памяти, положила начало современному программированию.

3. Данные и программы в памяти компьютера хранятся совместно

При этом и данные, и команды программы имеют одинаковый способ записи в двоичной системе счисления, поэтому в определенных ситуациях над ними возможно выполнение тех же действий, что и над данными.

тренажер архитектура фон Неймана

Следствия

Кроме того, архитектура Фоннеймановской машины обладает следующими особенностями:

1. Ячейки памяти имеют адреса, которые пронумерованы последовательно

Благодаря применению этого принципа стало возможным использование переменных в программировании. В частности, в любой момент можно обратиться к той или иной ячейке памяти по ее адресу.

2. Возможность условного перехода в ходе выполнения программы

Как уже было сказано, команды в программах должны выполняться последовательно. Однако предусмотрена возможность совершить переход к любому участку кода.

как работает машина фон Неймана

Как работает машина фон Неймана

Такая математическая модель состоит из запоминающего (ЗУ), арифметико-логического устройства (АЛУ), управляющего, а также устройств ввода и вывода. Все команды программы записываются в ячейках памяти, расположенных по соседству, а данные для их обработки — в произвольных ячейках.


Любая команда должна состоять из:

  • указания, какая операция должна быть выполнена;
  • адресов ячеек памяти, в которых хранятся исходные данные, затрагиваемые указанной операцией;
  • адресов ячеек, в которые следует записать результат.

Указанные командами операции над конкретными исходными данными выполняются АЛУ, а результаты записываются в ячейках памяти, т. е. сохраняются в виде, удобном для последующей машинной обработки, либо передаются на устройство вывода (монитор, принтер и пр.) и становятся доступны человеку.

УУ управляет всеми частями ЭВМ. От него на остальные устройства поступают сигналы-приказы «что делать», а от других устройств оно получает информацию о то, в каком состоянии они находятся.

У управляющего устройства есть специальный регистр, называемый «счетчиком команд» СК. После загрузки исходных данных и программы в память, СК записывается адрес ее 1-й команды. УУ считывает из памяти ЭВМ содержимое ячейки, адрес которой находится в СК, и помещает его в «Регистр команд». Управляющее устройство определяет операцию, соответствующую конкретной команде, и «отмечает» в памяти компьютера данные, адреса которых в ней указаны. Далее АЛУ или аппаратные средства ЭВМ приступают к выполнению операции, по завершении которой содержимое СК изменяется на единицу, т. е. указывает на следующую команду.

классическая структура машины фон Неймана

Критика

Недостатки и современные перспективы архитектуры фон Неймана продолжают оставаться предметом дискуссий. То, что машины, созданные на принципах, выдвинутых этим выдающимся ученым, не совершенны, было замечено еще очень давно.

Поэтому в экзаменационных билетах по информатике нередко можно встретить вопрос "какому принципу не соответствует архитектура фон Неймана и какие недостатки у нее есть".

При ответе на его вторую часть обязательно следует указать:

  • на наличие семантического разрыва между языками программирования высокого уровня и системой команд;
  • на проблему согласования ОП и пропускной способности процессора;
  • на намечающийся кризис программного обеспечения, вызванный тем, что расходы на его создание являются намного ниже стоимости разработки аппаратных средств, и нет возможности полного тестирования программы;
  • отсутствие перспектив с точки зрения быстродействия, так как уже достигнут его теоретический предел.

Что касается того, какому принципу не соответствует архитектура фон Неймана, то речь идет о параллельности организации большого числа потоков данных и команд, свойственной многопроцессорной архитектуре.

недостатки и современные перспективы архитектуры фон Неймана

Заключение

Теперь вам известно, какому принципу не соответствует архитектура фон Неймана. Очевидно, что наука и технологии не стоят на месте, и, возможно, очень скоро в каждом доме появятся компьютеры совершенно нового типа, благодаря которым человечество выйдет на новый уровень своего развития. Кстати, подготовиться к экзамену поможет программа-тренажер "Архитектура фон Неймана". Такие цифровые образовательные ресурсы облегчают усвоение материала и дают возможность оценить свои знания.

Архитектура фон Неймана: история возникновения термина
Архитектура Джона фон Неймана - одно из известнейших достижений программирования середины XX века. Прорывом в области хранения в памяти ЭВМ программ стала именно данная архитектура. Фон Нейман стал одним из первых, кто предложил принципиально новый ...
далее
Принстонская и гарвардская архитектура вычислительных систем
Всем известно, какой неоценимый вклад в развитие вычислительной техники внесли американские ученые. Хотя исследования велись во многих университетах этой страны, пальма первенства все же принадлежит Гарвардскому и Принстонскому. Именно там были ...
далее
Джон фон Нейман: краткая биография и библиография
Кто такой фон Нейман? С его именем знакомы широкие массы населения, ученого знают даже не увлекающиеся высшей математикой.
далее
Архитектоника - что это такое? Отвечаем на вопрос
Такое слово, как композиция, знакомо каждом человеку, вне зависимости от его профессии и увлечений. Оно встречается в живописи, музыке, скульптуре, в дизайне интерьера и во многих других областях. Но что же такое архитектоника? Это нечто более ...
далее
Принципы открытой архитектуры: как персональные компьютеры стали массовым явлением
Когда-то компьютеры использовались только в правительственных и научных целях. Позднее их стали применять крупные корпорации для бизнеса. И если бы не принцип открытой архитектуры, возможно, ПК никогда не перешли бы в руки простых пользователей.
далее
Принципы открытой архитектуры: как персональные компьютеры стали массовым явлением
Архитектура ЭВМ для чайников
Архитектура ЭВМ - это, прежде всего, комплект стандартного компьютерного оборудования, без которого не может обойтись ни одна вычислительная машина. В данной статье мы расскажем вам, что это такое, а также объясним, чем нужно руководствоваться при сборке собственного ПК. Читаем и просвещаемся.
далее
Архитектура ЭВМ для чайников
Алу Диарра - поздно раскрывшийся талант
Многие игроки уже в 20 лет играют в сильнейших клубах мира, в то время как другим, таким как Диарра, приходится долго искать себя.
далее
Алу Диарра - поздно раскрывшийся талант
Арифметико-логическое устройство (АЛУ): понятия и определения
Как известно, процессор компьютера состоит из четырех базовых компонентов: арифметико-логического устройства, модуля ввода/вывода, а также блоков памяти и управления. Такую архитектуру определили еще в прошлом веке и, несмотря на то что прошло немало времени, классическая структура фон Неймана остается актуальной.
далее
Арифметико-логическое устройство (АЛУ): понятия и определения
Ошибка Необрабатываемое исключение в приложении
Компьютерные игры - это далеко не самые надежные программы. Они требуют очень много ресурсов, поэтому довольно часто могут происходить сбои в работе.
далее
Ошибка Необрабатываемое исключение в приложении