Chapter_02 (1110554)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Глава 2. Машина Фон НейманаВ 1946 работающий в то время в Англии венгерский математик Джонфон Нейман (с соавторами) описал в техническом докладе архитектуру некоторого абстрактного вычислителя, который сейчас принято называть машиной Фон Неймана [2]. Эта машина является абстрактной моделью ЭВМ,однако, эта абстракция отличается от абстрактных исполнителей алгоритмов(например, от хорошо известной машины Тьюринга). Машина Тьюринга может обрабатывать входные данные любого объёма, поэтому этот исполнительалгоритма принципиально нельзя реализовать из-за входящей в его архитектуру бесконечной ленты. Машина Фон Неймана не поддаётся реализации подругой причине: многие детали в архитектуре этого исполнителя алгоритмане конкретизированы. Это было сделано специально, чтобы не сковывать творческого подхода кделу у инженеров-разработчиков новых ЭВМ.

Можно сказать, что машина Фон Неймана рассматривается не на внутреннем, а только на концептуальном уровне видения архитектуры.В некотором смысле машина Фон Неймана подобна абстрактным структурам данных. Дляабстрактных структур данных при их использования необходимо предварительно выполнить конкретную реализацию: произвести отображение на структуры данных хранения в некотором языкепрограммирования, а также реализовать соответствующие операции над этими данными.1Можно сказать, что в машине Фон Неймана зафиксированы те прогрессивные особенности архитектуры, которые в той или иной степени должны быть присущи, по мнению авторов этой абстрактной машины, всем компьютерам того времени. Разумеется, практически все современные ЭВМ посвоей архитектуре в значительной степени отличаются от машины Фон Неймана, однако эти отличияудобно изучать именно как отличия, проводя сравнения и сопоставления с машиной Фон Неймана.При нашем рассмотрении данной машины мы тоже часто будем обращать внимание на отличия архитектуры машины Фон Неймана от современных ЭВМ.

Основополагающие свойства архитектуры машины Фон Неймана будут сформулированы в виде принципов Фон Неймана. Эти принципы многиегоды определяли основные черты архитектуры нескольких поколений ЭВМ [3].УстройствовводаПамятьУстройствовыводаЦПУУУУАЛУРис. 2.1. Схема машины фон Неймана.На рис. 2.1 приведена схема машины Фон Неймана, как она изображается в большинстве учебников, посвящённых архитектуре ЭВМ.2 На этом рисунке толстыми (двойными) стрелками показаныпотоки команд и данных, а тонкими – передача между отдельными устройствами компьютерауправляющих и информационных сигналов. Как мы вскоре увидим, выполнение каждой команды1Студенты факультета Вычислительной математики и кибернетики МГУ изучают эту тему в курсе первого семестра "Алгоритмы и алгоритмические языки".2Мы рассматриваем несколько модифицированную схему машины фон Неймана.

У нас устройства ввода/вывода обмениваются данными непосредственно с памятью, а в схеме самого фон Неймана этот обмен производился через АЛУ (под контролем УУ). Например, при чтении данных устройство ввода передавало их вАЛУ, которое уже непосредственно записывало эти данные в память. Таким образом, при выполнении ввода/вывода центральный процессор не мог выполнять никакие другие команды, мы будем тоже предполагатьтакой способ работы ввода/вывода и в нашей схеме.2приводит к выработке последовательности управляющих сигналов, которые заставляют узлы компьютера совершать те или иные действия.

С помощью информационных сигналов одни узлы компьютера сообщают другим узлам о том, что они выполнили действия, предписанные управляющими сигналами, либо зафиксировали ошибки в своей работе.Как видно из приведённого рисунка, машина Фон Неймана состоит из памяти, устройств ввода/вывода и центрального процессора (ЦП).1 Центральный процессор, в свою очередь, состоит изустройства управления (УУ) и арифметико-логического устройства (АЛУ).

Сейчас мы последовательно рассмотрим все эти узлы машины Фон Неймана и выполняемые ими функции, формулируя при этом принципы Фон Неймана, которые мы будем выделять жирным шрифтом. Основныепонятия при этом выделяются курсивом.2.1. ПамятьПринцип линейности и однородности памяти.

Память машины Фон Неймана – это линейная(упорядоченная) и однородная последовательность некоторых элементов, называемых ячейками. Влюбую ячейку памяти другие устройства машины (по толстым стрелкам на схеме рис. 2.1) могут записать и считать информацию, причём время чтения из любой ячейки одинаково для всех ячеек.Время записи в любую ячейку тоже одинаково (это и есть принцип однородности памяти). Разумеется, время чтения из ячейки памяти может не совпадать со временем записи в неё. Такая память всовременных компьютерах называется памятью с произвольным доступом (Random Access Memory – RAM).

На практике многие современные ЭВМ могут иметь участки памяти разных видов. Например, некоторые области памяти поддерживают только чтение информации (по-английски эта память называется Read Only Memory, ROM), данные в такую память записываются один раз при изготовлении этой памяти. Другие области памяти могут допускать запись, но за значительно большеевремя, чем в обычную память (это так называемая полупостоянная память, такой памятью комплектуется популярные в настоящее время карты флэш-памяти) и др.Ячейки памяти в машине Фон Неймана нумеруются от нуля до некоторого положительного числа N (это и означает, что память линейная), причёт число N в "настоящих" ЭВМ часто является степенью двойки, минус единица.

Адресом ячейки называется её номер. Каждая ячейка состоит из более мелких частей, именуемых разрядами и нумеруемых также от нуля и до определённого числа.Количество разрядов в ячейке обозначает разрядность памяти. Каждый разряд может хранить одну цифру в некоторой системе счисления. В большинстве ЭВМ используется двоичная система счисления, т.к. это более выгодно с точки зрения аппаратной реализации. В этом случае каждый разрядхранит одну двоичную цифру или один бит информации. Восемь бит составляют один байт. СамФон Нейман тоже был сторонником использования двоичной системы счисления, что позволяло хорошо описывать архитектуру узлов ЭВМ с помощью логических (булевских) выражений.Содержимое ячейки называется машинным словом. С точки зрения архитектуры, машинноеслово – это минимальный объём данных, которым могут обмениваться между собой различные узлымашины по толстым стрелкам на схеме (не надо, однако, забывать о передаче управляющих сигналовпо тонким стрелкам).

Из каждой ячейки памяти можно считать копию машинного слова и передатьеё в другое устройство компьютера, при этом оригинал не меняется. При записи в память старое содержимое ячейки пропадает и заменяется новым машинным словом.Заметим, что на практике решение задачи сохранения исходного машинного слова при чтении изячейки для некоторых видов памяти является нетривиальным и достаточно трудоёмким. Дело в том,что в этой памяти (она называется динамической памятью, её использование экономически болеевыгодно) при чтении оригинал разрушается, и его приходится каждый раз восстанавливать послечтении данных. Кроме того, хранимые в динамической памяти данные разрушаются и сами по себе стечением времени, (они теряют электрический заряд), поэтому приходится часто (через каждые несколько миллисекунд) восстанавливать содержимое этой памяти.В компьютерах может использоваться и другой вид памяти, которая называется статическойпамятью, при чтении из неё и при хранении данные не разрушаются (пока подаётся электрическое1В начальный период развития вычислительной техники они назывались просто процессорами, однакопозже, когда в составе ЭВМ, кроме основного, появились и другие процессоры, этот основной процессор сталиназывать центральным процессором.3напряжение).

Статическая память, по сравнению с динамической, работает быстрее, однако она дороже и требует при реализации больше электронных схем.Приведём типичные характеристики памяти современных ЭВМ.1. Объём памяти – от сотен миллионов до нескольких миллиардов ячеек (обычно восьмиразрядных).2. Скорость работы памяти: это время доступа (access time – минимальная задержка на чтениеслова из памяти на некоторый регистр) и время цикла (cycle time – минимальная задержка на9повторное чтение из памяти) – порядка единиц наносекунд (1 секунда = 10 наносекунд). 1 Заметим, что для упомянутой выше динамической памяти время цикла больше, чем время доступа, так как надо ещё восстановить разрушенное при чтении содержимое ячейки.3.

Стоимость. Для основной памяти ЭВМ пока достаточно знать, что чем быстрее такая память,тем она, естественно, дороже. Конкретные значения стоимости памяти меняются весьма быстро с развитием вычислительной техники, и не представляют интереса в рамках нашего изучения архитектуры ЭВМ.Принцип неразличимости команд и данных.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов книги