В статье авторы рассказывают про архитектуры ПК и про принципы Джона фон Неймана, а также приводят направления критики его принципов.
Ключевые слова: архитектура, вычислительная машина, принципы фон Неймана.
В сегодняшний день персональные компьютеры используются в основной массе областей работы. В частности, их главное назначение — осуществление стандартных действий, таких как: получение и сохранение данных, формирование разной документации, реализация коммуникаций в текстовый формате, а также в аудио/видео формате, а кроме того, большое число других наиболее узкоспециализированных действий, которых огромное количество.
Кроме этого, в этот период промышленность девайсов личных ПК формируется с огромной скоростью. Новейшие серии видеокарт, все без исключения крупные размеры памяти таких как в внутренних твердых дисках, а также в наружных накопителях памяти. Все без исключения приводит к тому, что ПК имеет необходимость в стабильной модернизации, с целью поддерживания наибольшего темпа работы. А в отсутствии познания архитектуры компьютера, совершить данное нельзя.
Под архитектурой компьютера понимаются все закономерные элементы, средства, а также текстуры, разрешающие уменьшить, а также стимулировать время, затрачиваемое на обрабатывание других действий вычислительной машиной.
Однако в наше время закономерные компоненты компьютера действуют согласно основам положенным венгеро-североамериканским физиком, а также математиком Джоном Фон — Нейманом (1903–1957), который привнес колоссальное вложение в развитие и модернизацию компьютера. Отличием считаются только лишь в отдельности принятые виды концепций с целью синхронных вычислений, при которых отсутствует счетчик команд, никак не выполнен традиционный смысл неустойчивой, а также присутствуют другие значимые базисные отличия с общепризнанной модификации (равно как образец имеют все шансы являться потоковая, а также редукционная ЭВМ). Его принципы гласили:
Принцип однородности памяти.
Сведения и указания, пребывают в одной и той же памяти, а также никак не различимы по внешнему виду. Их возможно распознать только согласно способу применения; в таком случае имеется одна непосредственно присвоенная роль в ячейке памяти допустимо применять и также как сведения указание и местоположение, данное находится в зависимости от способа вращения. Это соответствует тому, что существует вероятность осуществлять вместе с правилами все процедуры, вместе с количествами, а также, отталкиваясь от этого, раскрывает определенные способности. Таким образом, циклически подбирая (целе)направленную доля указания, существует вероятность гарантировать заявление к поочередным составляющим массива действий. Этот метод имеет название «модификации команд», а также в соответствии с нынешним программированием никак не обладает огромный важности и никак не приветствуется. Более нужным считается другой результат принципа однородности памяти, если команды одной имеют все шансы являться итогом выполнения иной программы. Эта возможность находится в базе трансляции — перехода текстовый доли программы с языка высокой степени на язык вычислительной машины. [1]
Принцип адресности.
Структура основной памяти вычислительной машины заключается в нумерации ячеек, кроме того, процессору в любое момент времени доступна совершенно каждая. Бинарный код команд делится на информационные единицы, называемые словами, которые находятся в ячейках памяти, а для получения доступа к ним, применяются номера нужных ячеек, называемые адресами.
Принцип программного управления.
Все расчеты, предусмотренные алгоритмом постановки задачи, должны быть презентованы в форме программы, представляющей собой последовательность управляющий слов, называемыми командами. Любая определенная команда указывает на конкретную операцию из пакета возможных операций, выполняемых вычислительной машиной. Команды программы находятся в поочередных ячейках памяти вычислительной машины и выполняются по очереди, в порядке их расположения в программе. В случае если возникает необходимость, с помощью конкретных команд, эту очередность возможно изменить. Желание о изменении порядка выполнения программы состоит из оценки результатов, либо же безусловно. [2]
Наиболее подробно о принципах Неймана рассказывается в его труде «Первый программу».
Отталкиваясь от принципов, фон Неймана компьютер включает в себя:
АЛУ — Арифметико-логический прибор, реализующий логические и математические процессы;
УУ — Прибор управления, назначением которого считается формирование исполнения программы;
ЗУ — Запоминающее прибор, в том числе ОЗУ — оперативное запоминающее устройство и также ВЗУ — внешнее запоминающее устройство;
Внешние приборы с целью ввода — вывода данных.
Архитектура ЭВМ сформирована, согласно принципам, фон — Неймана и ее принято считать классической, на ее основе создано подавляющее большинство компьютеров. Как правило, под архитектурой фон — Неймана подразумевается материальное отделение устройств с целью записи программ и данных от процессорного модуля.
Первоначально системы компьютера отличались строго указанными комплектами выполняемых команд и программ. В качестве образца такого рода вычислительных приборов можно назвать калькуляторы. Идея содержания компьютерных программ внутри единой памяти предоставляла возможность преобразовывать вычислительные машины в разносторонние приборы, обладающие возможностью реализовывать массу задач.
Программы и данные записываются в память с помощью устройств ввода арифметико-логический прибор. Все без исключения команды программы записываются в прилегающие ячейки памяти, а информация для обработки может находится в рандомных ячейках. У любой программы последняя команда обязана быть командой завершения работы.
Команда состоит из приказов, какую процедуру следует осуществить и адресов ячеек памяти, где находятся данные, над которыми следует осуществить определенную процедуру, а также ячейки, в которые необходимо внести результат.
Из арифметико-логичного устройства результаты вносятся в память, либо вводятся через устройство вывода. Главное различие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в устройствах вывода данные прибывает в виде удобного для людей восприятия, а в ЗУ сведения пребывают в формате применимом для компьютера.
УУ командует абсолютно всеми комплектующими ПК. Из управляющего устройства в другие приборы прибывают сигналы, предписывающие нужное действие, а с иных устройств УУ составляет данные о их состоянии.
Управляющее устройство состоит из «счетчика команд», представляющего собою особый регистр (ячейку). Уже после того, как загружаются программы и данные в памяти счетчика команд, сохранятся адрес нахождения команды программы. УУ обнаруживает в памяти то, что находится в ячейке памяти, той, адрес которой сохранился счетчик команд, и располагает его в особом приборе — «Регистре команд». УУ распознаёт процедуру команды, «помечает» в памяти данные, у которых адреса помечены в команде, а также сопутствует выполнению всей команды. Саму процедуру делает АЛУ, либо все аппаратные ресурсы компьютера. [3]
Как результат окончания выполнения каждый в отдельности, взятой счетчик команд меняет собственное значение на единицу и, отталкиваясь от данного, показывает в дальнейшую команду программы. В момент, требующий выполнения команды, которая не следует за выполненной, а в ту, что, отрывается от нынешней в n-ное количество адресов, в таком случае специальная команда перехода обладает адресом ячейки, в которую следует передать управление.
Архитектура фон — Неймана не всегда всем приходилась по вкусу и нередко подвергалось рецензии (на самом деле, впечатляет живучесть данной архитектуры, так как подавляющее количество аналогов уже отошли сторону и считаются либо прототипами, либо находятся в музеях в качестве обломка истории в формировании компьютера).
Имеется несколько направлений критики:
«Семантический разрыв».
Это направление никак не относится непосредственно к принципам фон Неймана, однако в основном касаются непосредственно его архитектуры. В этом направлении осуждают непосредственно довольно простой и низкоуровневый комплект команд. Эта структура, отталкиваясь от взглядов критиков, предельно никак не отвечает нынешнему расположению дел в индустрии программного обеспечения, в особенности в наличии высокого уровня, в результате которых, безгранично увеличивается эффективность разработчика программного обеспечения, так как он получает доступ к значительно огромным высокоуровневым абстракциям, а тут ведь необходимы сотни, а иногда и тыс. механических команд, взамен применения одной команды языка высокого уровня. [5]
Эту непостоянность возможно благополучно корректировать на программном уровне, с целью для такого используются компиляторы, однако в интервале 60–70 лет XX столетия было весьма большое количество прообразов, реализовывающих разрешение этой проблемы аппаратно. Равно как наш пример возможно отметить вычислительные марки «МИР». Кроме того, попыткой увеличить семантический уровень, возможно считать CISC-архитектуру системы команд, пускай в период оно и выглядело многообещающим, но обнаружилось непосредственно противоположное направление наибольшей «примитивизации» комплекта команд, выполненных в RISC –архитектурах.
Распределение операционного устройства и памяти.
Этот период является значимым минусом обычной архитектуры фон Неймана. В влиятельных сферах предпочитают затрагивать таким образом именуемое «бутылочное горлышко» — ограниченное место фон-неймановской архитектуры. Это ограниченное место образуется между микропроцессором и памятью, так как присутствует заметная разница между быстротой обработки данных в процессоре и скоростью работы их сохранения.
Темп обработки значительно больше и от этого образуется простой, так как память никак не успевает обеспечивать микропроцессор нужным числом пакетов данных вовремя. Это неудобство возможно решить путем формирования наиболее трудной иерархии памяти, в частности созданием кэш-памяти, представляющей наиболее высокую скорость и в ней находится данные, которые зачастую применяются в вычислениях, чтобы никак не прибегать из-за ними к основной памяти, в соответствии с этим не утрачивать в скорости работы.
Имеются также радикальные предложения, реализовываемые в минувшие года в обиход, и присутствуют в формировании «умной памяти», интегрирующей через фиксацию ячеек со схемами обработки данных.
Еще один известный пример неполного решения этой проблемы гарвардская архитектура, в ней память данных команд разбита. Это содействует повышению обмена между запоминающим устройством и ЦП.
Последовательный принцип выполнения.
Примером последовательной архитектуры оказалось архитектура фон Неймана. И это является уменьшающим обстоятельством в увеличении быстродействия машин с данной организацией. Согласно огромной доле — данное проблема никак не промышленная, а общефилософская и объединяющая с самой парадигмой программирования для фон-Неймановской машины. Вследствие этому параллельные вычисляемые машины никак не могут уцелеть эту привычную архитектуру, при условии, что они хорошо выполняют собственное предназначение.
Почти все ЭВМ общего назначения считаются фон Неймановскими, их нередкого используют с целью вычисления, но данное выходит косвенно, в степени внутренней организации процессора.
Подобного рода «скрытность» считается базисной. В реальности, фон-Неймановской в современных ЭВМ остаётся только архитектура вычислительной машины, то есть программная организация. Внутренняя организация современных процессоров в абсолютной мере обращается к фон-Неймановским принципам выполнения команд, однако «вывода» эти принципы в архитектуру компьютера не имеют, поэтому представлялось бы, разумнее их открытие для программистов, в реальности их может ликвидировать индустрию целиком, в этом сущность красоты архитектуры фон Неймана.
В реальности, эта концепция дает разработчику программного обеспечения весьма простую, а также поочередную форму выполнения программы, которая идентична с образом мышления подавляющего программиста, этот облик считается преобладающим в создании программ. Очевидное параллельное программирование — весьма тяжелое разветвление, для которого нужна абсолютная модификация мышления разработчика программного обеспечения, манипуляции трудными абстракциями, а кроме того, использование совершенно других алгоритмов и структур данных. Таким образом, сохранение фон-неймановской архитектуры является полностью принципиальным фактором для создателей ЭВМ общего пользования.
Литература:
- Гражданский кодекс Российской Федерации (часть первая) от 30.11.1994 N 51-ФЗ (ред. от 23.05.2016) // «Собрание законодательства РФ», 05.12.1994, N 32, ст. 3301,
- Алгазинов, Э. К. Анализ и компьютерное моделирование информационных процессов и систем / Э. К. Алгазинов, А. А. Сирота. — М.: Диалог-Мифи, 2016. — 416 c
- Архитектура информационных систем / Б. Я. Советов и др. — М.: Academia, 2012. — 288 c.
- Богомолова, О. Б. Программуные работы с использованием электронных таблиц MS Excel / О. Б. Богомолова. — М.: Бином. Лаборатория знаний, 2019. — 369 c.
