Фон-неймановская система архитектуры ЭВМ Джон фон Не

Фон-неймановская система архитектуры ЭВМ

Джон фон Не йман Венгроамериканский математик, сделавший важный вклад в квантовую физику, квантовую логику, функциональный анализ, теорию множеств, информатику, экономику и другие отрасли науки.

Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметикологическое устройство (АЛУ) (обычно объединяемые в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода.

Положения фон Неймана: · Компьютер состоит из нескольких основных устройств (арифметико-логическое устройство, управляющее устройство, память, внешняя память, устройства ввода и вывода) · Арифметико-логическое устройство – выполняет логические и арифметические действия, необходимые для переработки информации, хранящейся в памяти · Управляющее устройство – обеспечивает управление и контроль всех устройств компьютера (управляющие сигналы указаны пунктирными стрелками) · Данные, которые хранятся в запоминающем устройстве, представлены в двоичной форме · Программа, которая задает работу компьютера, и данные хранятся в одном и том же запоминающем устройстве · Для ввода и вывода информации используются устройства ввода и вывода

Сравнительные характеристики первых цифровых ЭВМ в 1940 -х годах Название Первый Система Вычислитель Программирование запуск счислен ный ия механизм Zuse Z 3 Май 1941 Двоичная Электромеханичес кий Программно-управляемый с перфорированной киноплёнки Компьютер Атанасова— Берри 1942 Двоичная Электронный Не программируемый — специального назначения Colossus Mark 1 Февраль 1944 Двоичная Электронный Программно-управляемый коммутацией кабелей и переключателей Гарвардский Марк I — IBM ASCC Май 1944 Десятичная Электромеханичес кий Программно-управляемый 24 канальной перфолентой Двоичная Электронный Программно-управляемый коммутацией кабелей и переключателей Colossus Mark 2 Июнь 1944

Название Первый запуск Система счисления Вычислительный механизм Программирование ENIAC Июль 1946 Десятичная Электронный Программноуправляемый коммутацией кабелей и переключателей Манчестерская Июнь 1948 малая экспериментал ьная машина Двоичная Электронный Хранимая программа в памяти на трубках Вильямса EDSAC Май 1949 Двоичная Электронный Хранимая программа в памяти на ртутных линиях задержки Манчестерский Октябрь Марк I 1949 Двоичная Электронный Хранимая программа в памяти на трубках Вильямса и магнитном барабане CSIRAC Двоичная Электронный Хранимая программа в памяти на ртутных линиях задержки Ноябрь 1949

Принципы фон Неймана 1. Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов (двоичных цифр, битов) и разделяется на единицы, называемые словами. 2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. 3. Принцип адресуемости памяти. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к хранящимся в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен. 4. Принцип последовательного программного управления. предполагает, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. 5 Принцип жесткости архитектуры. Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.

Компьютеры, построенные на принципах фон Неймана 1. Манчестерский Марк I. Прототип — Манчестерская малая экспериментальная машина. Университет Манчестера (англ. The University of Manchester), Великобритания, 21 июня 1948 года; 2. EDSAC. Кембриджский университет (англ. The Cambridge University), Великобритания, 6 мая 1949 года; 3. BINAC. США, апрель или август 1949 года; 4. CSIR Mk 1. Австралия, ноябрь 1949 года; 5. SEAC. США, 9 мая 1950 года

Манчестерская малая экспериментальная машина Характеристики Память: 32 32 -битных слова; реализована при помощи одной трубки Уильямса Процессор: 7 инструкций, аккумуляторная архитектура, быстродействие 0, 00083 MIPS

EDSAC Компьютер состоял из примерно 3000 электронных ламп. Основная память компьютера состояла из 32 ртутных ультразвуковых линий задержки (РУЛЗ), каждая из которых хранила 32 слова по 17 бит, включая бит знака — всего это даёт 1024 ячеек памяти. Была возможность включить дополнительные линии задержки, что позволяло работать со словами в 35 двоичных разрядов (включая бит знака). Вычисления производились в двоичной системе со скоростью от 100 до 15 000 операций в секунду. Потребляемая мощность — 12 к. Вт, занимаемая площадь — 20 м².

BINAC мог принимать данные с клавиатуры электрической пишущей машинки или с магнитной ленты. Устройства ввода на магнитной ленте, применявшиеся в некоторых калькуляторах до создания цифрового компьютера, действовали по тому же принципу, что и популярные тогда магнитофоны: тонкая пластмассовая лента покрывалась слоем специального магнитного материала, на котором информация записывалась методом магнитной индукции - наведения магнитного поля электрическими сигналами.

CSIRAC Машина является характерным представителем первого лампового поколения компьютеров. В качестве основного хранилища данных использовались ртутные линии задержки, с типичной ёмкостью в 768 20 -битных слов (позже удвоенной) дополненной параллельными дисковым запоминающим устройством с общей ёмкостью в 1024 -слова и временем доступа 10 мс. Память работала на частоте 1000 Гц, а устройство управления, синхронизированное с частотой, требовало 2 цикла для выполнения команды (позднее скорость была удвоена до 1 цикла на команду). Шина, называвшаяся в этом проекте «цифровой магистралью» , примечательна по сравнению с большинством компьютеров тем, что была последовательной, то есть передавала один бит за раз. Система команд была минимальной, но поддерживала основные арифметические и логические операции, а также условный и безусловный переходы, что делало возможным написание библиотеки подпрограмм.

SEAC, созданный на основе EDVAC, использовал 747 вакуумных ламп, количество которых со временем было увеличено до 1500 штук, и 10500 германиевых диодов, количество которых со временем было увеличено до 16000. В нём не использовались транзисторы, так как все логические схемы нормально работали на диодах, что делало его первым компьютером с логическими схемами, полностью состоящими из полупроводниковых устройств. Лампы использовались исключительно в качестве усилителей сигналов. Компьютер использовал в качестве основной память на основе 64 линий задержки, хранивших 512 слов, каждое по 45 бит. Тактовая частота была достаточно низкой и составляла 1 к. Гц.