Архитектура ЭВМ. Принципы фон Неймана
ЭВМ – устройство для обработки (ввода, хранения, преобразования и передачи) данных. Как видно из названия элементной базой ЭВМ являются электронные детали. Архитектура – состав и принцип взаимодействия электронных устройств, входящих в состав ЭВМ. Принципы фон Неймана Джон фон Нейман – историческая справка
Как уже говорилось, Джон фон Нейман обнародовал основные принципы построения компьютера, заложенные еще Бэббиджем, а впоследствии Эйкеном (MARK-1), Мочли и Экертом (ENIAC). Однако, как это часто бывает, именно под именем фон Неймана они вошли в историю развития ВТ. В чем же они заключаются? 1. компьютер должен содержать память и управляться с помощью программы, хранимой в памяти ( Бэббидж) 2. компьютер должен содержать АЛУ (арифметико-логическое устройство), которое извлекает и выполняет команды, хранящиеся в ОП. 3. компьютер должен содержать ВУ (внешние устройства) для ввода, вывода и долгосрочного хранения информации 4. компьютер должен содержать УУ (устройство управления), для обеспечения взаимодействия между вышеперечисленными компонентами.
Эта схема практически не претерпела изменений с момента появления первых ЭВМ. Произошедшие изменения больше связаны с технологическим исполнением отдельных узлов и перераспределением некоторых функций между основными компонентами ВМ: 1. с развитием БИС (больших интегральных схем) функции АЛУ и УУ были объединены в единый блок, называемый процессором. Хотя функции этих устройств остались прежними; 2. интеллектуализация внешних устройств привела к двум изменениям: - некоторые ВУ взяли на себя часть функций АЛУ и УУ (напр., графические процессоры и ускорители); - расширение системы прерываний (Прерывание – это сигнал от АЛУ, ВУ или ОП к УУ, который приостанавливает текущее выполнение команд и сообщает УУ некоторую информацию: состояние устройства инициировавшего прерывание, возникновение ошибочной ситуации и пр.) позволило им играть активную роль по отношению к УУ; 3. в связи с тем, что УУ утратило монопольную функцию управления потоками информации, изменилась транспортная среда для передачи этих потоков. В современных ПК реализована концепция системной шины, которая является единой транспортной магистралью для передачи всех потоков информации внутри компьютера. Если раньше каждое устройство было связано с УУ своим каналом, то сейчас все устройства, включая УУ, подключаются к общей шине и по ней обмениваются информацией. Причем УУ может выступать только в роли диспетчера: выяснив, куда надо перенаправить поток, оно инициирует сеанс непосредственного обмена и забывает о нем до окончания сеанса (а м.б. и навсегда). Так, например, некоторые ВУ работают с ОП (DMA); 4. как уже говорилось, многие ВУ берут на себя часть функций УУ и имеют собственные УУ, которые управляют работой данного ВУ и обеспечивают обмен данными по системной шине.
|
В 1930 году фон Нейман посетил с лекциями Принстонский университет в Нью-Джерси, а в 1931 был принят туда профессором. В 1932 он дал точную формулировку и доказательство эргодической гипотезы в математической статистике. В 1932 году была опубликована его книга «Математические обоснования квантовой механики», которая стала классическим учебным пособием.
В 1933 году фон Нейман становится профессором вновь созданного Принстонского института перспективных научных исследований, в котором проработал до конца жизни.
Во второй половине 1930-х в совместно с Ф. Дж. Мюрреем фон Нейман опубликовал ряд работ по кольцам операторов, положив начало так называемой алгебре Неймана, которая впоследствии стала одним из главных инструментов для квантовых исследований.
В 1937 году фон Нейман принял гражданство США. Во время Второй мировой войны он служил консультантом в атомном центре в Лос-Аламосе, где рассчитал взрывной метод детонации ядерной бомбы и участвовал в разработке водородной бомбы. В марте 1955 года он стал членом американской комиссии по атомной энергии.
Из 150 трудов фон Неймана лишь 20 касаются проблем физики, остальные же равным образом распределены между чистой математикой и ее практическими приложениями, в том числе теорией игр и компьютерной теорией.
ФонНейману принадлежат новаторские работы по компьютерной теории, связанные с логической организацией компьютеров, проблемами функционирования машинной памяти, имитацией случайности, проблемами самовоспроизводящихся систем. В 1944 году присоединился к группе Мокли и Эккерта, занятой созданием машины ENIAC, в качестве консультанта по математическим вопросам. Тем временем в группе началась разработка новой модели, EDVAC, которая, в отличие от предыдущей, могла бы хранить программы в своей внутренней памяти. В 1945 году Нейман опубликовал «Предварительный доклад о машине EDVAC», в котором описывалась сама машина и ее логические свойства. Описанная Нейманом архитектура компьютера получила название « фон Неймановской», и таким образом ему было приписано авторство всего проекта. Это вылилось впоследствии в судебное разбирательство о праве на патент и привело к тому, что Эккерт и Мокли покинули лабораторию и основали собственную фирму. Тем не менее, «архитектура фонНеймана » была положена в основу всех последующих моделей компьютеров. В 1952 году Нейман разработал первый компьютер, использующий программы, записанные на гибком носителе, MANIAC I.
В 1956 Комиссия по атомной энергии наградила его премией Энрико Ферми за выдающийся вклад в компьютерную теорию и практику.
Одной из его идей, для разработки которой Нейман предлагал использовать компьютерные расчеты, было потепление климата на Земле, которое можно вызвать, покрыв краской полярные льды и уменьшив таким образом отражение ими солнечной энергии, так что климат в Исландии должен был стать таким же, как на Гавайях.
Секретом успеха Неймана иногда считают его «аксиоматический метод». Он рассматривал предмет, сконцентрировавшись на его основных свойствах (аксиомах), из которых вытекает все остальное.
управляющие потоки
информационные потоки
