Chapter_02 (1110554), страница 2

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

Текст из файла (страница 2)

С точки зрения программиста машинное словопредставляет собой либо команду, либо подлежащее обработке данное (это число, символьная информация, элемент изображения и т.д.). Для краткости в дальнейшем будем называть такую информацию "числами". Данный принцип Фон Неймана заключается в том, что числа и команды неотличимы друг от друга – в памяти и те и другое представляются некоторым набором разрядов, причёмпо внешнему виду машинного слова нельзя определить, что оно собой представляет – команду иличисло.Из неразличимости команд и данных вытекает очевидное следствие – принцип хранимой программы.

Этот принцип является очень важным, его суть состоит в том, что программа хранится впамяти вместе с числами. Чтобы понять важность этого принципа рассмотрим, а как программы вообще появляются в памяти машины. Понятно, что, во-первых, команды программы могут, наравне счислами, вводится в память "из внешнего мира" с помощью устройства ввода (заметим, что этот способ был основным в первых компьютерах). А теперь вспомним, что на вход алгоритма можно, вообще говоря, в качестве входных данных подавать запись некоторого другого алгоритма (в частности,свою собственную запись).2 Остаётся сделать последний шаг в этих рассуждениях и понять, что выходными данными алгоритма тоже может быть запись некоторого другого алгоритма.3 Таким образом, одна программа может в качестве результата своей работы поместить в память компьютера другую программу.

Как Вы знаете, именно так и работают компиляторы, переводящие программы содного языка на другой.Следствием принципа хранимой программы является то, что программа, может изменяться вовремя счёта самой этой программы. Говорят также, что программа может самомодифицироваться,то есть изменять сама себя, во время своего счёта. В настоящее время самомодифицирующиеся программы применяются крайне редко, в то время как на первых ЭВМ, как мы увидим далее на примереодной из учебных машин, использование самомодифицирующихся программ часто было единственным способом реализации некоторых алгоритмов на языке машины.Заметим также, что, когда Джон фон Нейман (с соавторами) писал эту свою основополагающуюработу, многие из тогдашних ЭВМ хранили программу в памяти одного вида, а числа – в памяти дру-1Чтобы почувствовать, насколько мало это время, учтём, что за одну наносекунду электромагнитный сигнал (или, как часто не совсем правильно говорят, свет) проходит в пустоте всего около 30 сантиметров (а в металлических проводах ещё меньше, около 22 сантиметров).

Следовательно, быстрые компьютеры просто немогут быть слишком большими, при таком времени доступа расстояние от центрального процессора до оперативной памяти не должно превышать 20 сантиметров! Если уменьшить время доступа ещё в десять раз, то всяцентральная часть мощного компьютера должна размещаться в кубике размером несколько сантиметров. Вероятно, конструкторы ЭВМ с тоской вспоминают время, когда одна машина занимала большой зал со шкафами,набитыми электроникой.2Студенты факультета Вычислительной математики и кибернетики МГУ изучают эту тему в курсе первого семестра "Алгоритмы и алгоритмические языки".3В частности, можно написать программу, которая ничего не вводит и выводит запись своего собственного текста, Вы можете попробовать сделать это на некотором языке программирования высокого уровня (например, на Паскале).

Как это делается, желающие могут посмотреть в книге [21].4гого вида, поэтому этот принцип являлся революционным. В современных ЭВМ и программы, и данные, как правило, хранятся в одной и той же памяти.12.2. Устройство УправленияКак ясно из самого названия, устройство управления (УУ) управляет всеми остальными устройствами ЭВМ. Оно осуществляет это путём посылки управляющих сигналов, подчиняясь которымостальные устройства производят определённые действия, предписанные этими сигналами.

Обратитевнимание, что это устройство является единственным, от которого на рис. 2.1 отходят тонкие стрелкиуправляющих сигналов ко всем другим устройствам. Остальные устройства на этой схеме могут"командовать" только памятью, делая ей запросы на чтение и запись машинных слов.Принцип автоматической работы. Этот принцип ещё называют принципом программногоуправления.

Машина, выполняя записанную в её памяти программу, функционирует автоматически, без участия человека.2 Программа – набор записанных в памяти (не обязательно последовательно) машинных команд, описывающих шаги работы алгоритма. Команды программы обрабатывают хранимые в памяти компьютера данные.

Таким образом, программа – это запись алгоритма наязыке машины. Язык машины – набор всех возможных её команд. Например, язык одной из нашихучебных машин УМ-3 будет содержать всего 25 команд, а машинный язык современных наиболеераспространённых компьютеров фирмы Intel содержит более трёхсот команд.Принцип последовательного выполнения команд. Устройство управления выполняет некоторую команду от начала до конца, а затем по определённому правилу выбирает следующую команду для выполнения, затем следующую и т.д. При этом каждая команда либо сама явно указывает накоманду, которая будет выполняться следующей (такие команды называются командами перехода),либо следующей будет выполняться команда из ячейки, расположенной в памяти непосредственновслед за той ячейкой, в которой хранится только что выполненная команда.

Этот процесс продолжается, пока не будет выполнена специальная команда останова, либо при выполнении очередной команды не возникнет аварийная ситуация (например, деление на ноль). Аварийная ситуация – этоаналог безрезультативного останова алгоритма, например, для машины Тьюринга это чтения изклетки ленты символа, которого нет в заголовке ни одной колонки таблицы.2.3. Арифметико-Логическое УстройствоВ архитектуре машины Фон Неймана арифметико-логическое устройство (АЛУ) может выполнить следующие действия.1. Считать содержимое некоторой ячейки памяти (машинное слово), т.е.

поместить копию этогомашинного слова в некоторую другую ячейку, расположенную в самом АЛУ. Если ячейкипамяти расположены не в основной памяти, а в других устройствах ЭВМ, то они называютсярегистровой памятью или просто регистрами. Таким образом, АЛУ может читать машинное слово из памяти на один из своих регистров.2. Записать машинное слово в некоторую ячейку памяти – поместить копию содержимого одного из своих регистров в эту ячейку памяти. Когда не имеет значения, какая операция (чтениеили запись) производится, говорят, что происходит обмен машинным словом между регистром и основной памятью ЭВМ.

Таким образом, машинное слово – это минимальная порцияданных для обмена с основной памятью.3. АЛУ может также выполнять различные операции над данными в своих регистрах, например,сложить содержимое двух регистров, обычно называемых регистрами первого R1 и второго R2операндов, и поместить результат этой операции на третий регистр (называемый в русскоязычной литературе, как правило, сумматором S).31В современных ЭВМ некоторые программы, называемые Базовыми процедурами ввода/вывода (BIOS)крайне нежелательно изменять (стирать) во время работы компьютера.

Такие программы располагают в ужеупомянутой ранее памяти типа ROM, закрытой для записи, хотя по внешнему виду команды в такой памятитоже неотличимы от чисел.2Если только такое участие не предусмотрено в самой программе, например, при вводе данных с клавиатуры. Пример устройства, которое может выполнять команды, как и ЭВМ, но не в автоматическом режиме –обычный (непрограммируемый) калькулятор.3В англоязычной литературе этот регистр называется Accumulator и сокращается до буквы A, с этимобозначением мы столкнёмся далее при изучении языка Ассемблера.52.4.

Взаимодействие УУ и АЛУРеволюционность идей Джона Фон Неймана заключалась в строгой специализации: каждое устройство компьютера отвечает за выполнение только своих функций. Например, раньше память ЭВМчасто не только хранила данные, но и могла производить операции над ними. Теперь же было предложено, чтобы память только хранила данные, АЛУ производило арифметико-логические операциинад данными в своих регистрах, устройство ввода вводило данные из "внешнего мира" в память илина регистры АЛУ и т.д. Таким образом, Джон Фон Нейман предложил жёстко распределить выполняемые ЭВМ функции между различными устройствами, что существенно упростило схему машины,и сделало более понятным её работу.Устройство управления тоже имеет свои регистры, оно может считывать команды из памяти наспециальный регистр команд RK (IR – instruction register), на котором всегда хранится текущаявыполняемая команда. Регистр УУ с именем RA называется счётчиком адреса или регистром адреса(в англоязычной литературе его часто обозначают IP – instruction pointer), при выполнении текущейкоманды в него по определённым правилам записывается адрес следующей выполняемой команды(первую букву в сокращении слова регистр мы будем в дальнейшем изложении часто записывать латинской буквой R).Рассмотрим, например, схему выполнения команды, реализующей оператор присваивания с операцией сложения двух чисел z:=x+y.

Здесь x, y и z – адреса ячеек памяти, в которых хранятся, соответственно, операнды и будет помещён результат операции сложения (предположим, что такая команды есть в языке машины). После получения из памяти такой команды на регистр команд RK, УУпоследовательно посылает управляющие сигналы в АЛУ, предписывая ему сначала считать операндыx и y из памяти и поместить их на регистры R1 и R2. Затем по следующему управляющему сигналуустройства управления АЛУ производит операцию сложения чисел, находящихся на регистрах R1 иR2, и записывает результат на регистр сумматора S. По следующему управляющему сигналу АЛУпересылает копию регистра S в ячейку памяти с адресом z.1 Ниже приведена иллюстрация описанного примера на языке Паскаль, где R1, R2 и S – переменные, обозначающие регистры АЛУ, ПАМ –массив ячеек, условно обозначающий память ЭВМ, а  – бинарная операция (в нашем случае этосложение, т.е.

Характеристики

Список файлов книги