Фон- Неймановские принципы организации ЦВМ

 

Джон Фон Нейман (известный математик и физик прошлого века), в 40-х годах разработал основные принципы архитектурного построения ЦВМ.

Основной принцип заключается в системной их организации, включающей два компонента: неизменное аппаратурное и изменяемое для задач программное обеспечение.

Архитектурный состав ЦВМ включает в себя (рис. 5.1):

- магистраль информационного обмена, содержащую шины адресов, данных и управления (А, Д, У), с числом шин, соответствующем разрядности циркулирующих по ним данных;

- АЛУ (арифметико- логическое устройство), или процессорный элемент, осуществляющий операционные функции по преобразованию и расчёту входных данных и получение выходных и промежуточных результатов в процессе решения задачи;

- память, предназначенная как для хранения входных, промежуточных и выходных результатов счёта и для хранения исполняемой программы решаемой задачи. Такое двойное функциональное назначение памяти, предложенное Фон Нейманом, является основным принципом организации счёта в ЦВМ;

- устройства ввода- вывода (УВВ), как согласователь обмена входных- выходных данных между вычислителем и сопрягаемой с ним периферией.

В состав периферии могут входить: устройства регистрации и отображения результата решения, так и датчики или приёмники информации объектов, которые сопрягаются с ЦВМ при использовании её для управления этими объектами.

 Для развязки системной магистрали (А, Д, У) с периферией, последняя подсоединяется к отдельной магистрали УВВ;

- устройство управления, синхронизирующее процесс решения задачи в соответствии с её программой в дискретные моменты времени.

 

Рис 5.1. «Архитектура фон- нейманской ЦВМ»

 

Уровни решаемых задач в фон – неймановской структуре ЦВМ

 

1) Уровень решения задач в реальном масштабе времени (РМВ).

В принципе все задачи можно рассматривать в реальном масштабе времени протекания физического процесса и обработки его данных (рис. 5.2).

Обычно осуществляется циклическое решение задач с некоторым периодом Т, в котором можно выделить t1- время решения задачи в рассматриваемом периоде её решения. Это время по отношению к периоду «плавающее», и характеризуется допуском ∆, который обеспечивает решение задачив заданном временном промежутке реального масштаба времени.

При отсутствии этого допуска результат решения для выполняемого физического процесса может устареть, в результате чего объект, управляемый ЦВМ, будет работать в нежелаемом режиме (автоколебаний или разрушения).

2) Уровень команд.

Характеризуется для каждого момента решения задачи ходом вычислительного процесса в виде последовательных операций- команд, однозначно соответствующий алгоритму решения этой задачи.

3) Уровень микрокоманд.

Как последовательности их выполнения исполняемой командой.

4) Уровень микроприказов.

То есть сигналов, осуществляющих коммутацию вентильных схем при исполнении команд обмена данными через системную магистраль.

 

Рис. 5.2. «Уровни решений задачи в фон- нейманской ЦВМ»

 

Выводы к лекции 5

1) Решение практических задач может осуществляться аналоговым (непрерывным) или цифровым методом.

При аналоговом методе наглядный набор элементарных функций, задающий систему исходных математических зависимостей позволяет получить быстрое решение, но с ограниченной точностью расчётов.

При цифровом способе счёта необходимо сначала преобразовать исходные формульные зависимости в алгоритм последовательных действий, затем перевести его в решаемую программу в системе команд, используемого вычислителя, и осуществить прогон этой программы за время, зависящее от скорости работы этого вычислителя, получив при этом результат с любой практически необходимой точностью решения.

2) В 40-х годах прошлого века Фон- Нейман разработал теоретические основы архитектурного построения ЦВМ на следующих принципах:

- компонентами ЦВМ являются процессор (АЛУ), память, УВВ. И общие для них устройства управления.

Все эти элементы объединяются общей сиситемной магистралью с шинами адреса, данных, и управления, а связь с периферией по вводу\выводу обработанных данных осуществляется через отдельную магистраль УВВ.

Основным принципом хода вычислительного процесса Фон Неймановской ЦВМ является функциональное ей назначение для хранения данных и инструкций выполняемой программы.

В архитектуре Фон Неймана организуются следующие входящие друг в друга уровни решения задач: реальное время решения задачи, выполнение последовательности команд вычислительного процесса, формирование каждой команды как последовательности выполнения микрокоманд, исполнение каждой микрокоманды в выполнении характерных для неё сигнальных микроприказов.

Лекция 6

Память

Память, как процесс или устройство, характеризуется свойствами ввода, сохранения, и извлечения сохранённых данных.

В Фон неймановской структуре ЦВМ память выполняет двойную функцию по вводу, сохранению, и выводу информации: для обрабатываемых данных и для выполняемой программы.

Память относится к регулярной структуре с возможностью наращивания её информационной ёмкости как по числу разрядов машинных слов применяемой ЦВМ, так и по общему их количеству.

Единица хранения двоичной информации (бит) может наращиваться до машинного слова в «n» разрядов (обычно кратно одному байту), и соответственно ёмкость машинных слов измеряется в байтах, килобайтах, мегабайтах, и т.д.