1946 yilda Jon fon Neyman (hammualliflar bilan) ba'zi bir mavhum kalkulyatorning arxitekturasini tasvirlab berdi, bu endi keng tarqalgan fon Neyman mashinasi ... Ushbu mashina mavhum modelBiroq, asosiy ramka bu abstraktsiya algoritmlarning mavhum ijrochilaridan farq qiladi (masalan, Turing mashinalari). Agar Turing mashinasini arxitekturasiga kiritilgan cheksiz lenta tufayli amalga oshirish imkonsiz bo'lsa, unda fon Neyman mashinasini amalga oshirish mumkin emas, chunki ushbu mashinaning me'morchiligidagi ko'plab tafsilotlar ko'rsatilmagan... Bu yangi kompyuterlarni ishlab chiqaruvchi muhandislar orasida biznesga ijodiy yondashishni cheklamaslik uchun atayin qilingan.
Bir ma'noda fon Neyman mashinasi shunga o'xshash mavhum ma'lumotlar tuzilmalari, Siz o'tgan semestrda o'qigansiz. Esingizda bo'lganidek, bunday ma'lumotlar tuzilmalari uchun ulardan foydalanish uchun ma'lumotlar tuzilmalarini saqlash xaritasini tuzish va ushbu ma'lumotlarga tegishli operatsiyalarni bajarish zarur edi.
Fon Neyman mashinasida ushbu mavhum mashina mualliflarining fikriga ko'ra barcha kompyuterlarga u yoki bu darajada xos bo'lishi kerak bo'lgan me'moriy xususiyatlar mavjud deb aytishimiz mumkin. Albatta, deyarli barcha zamonaviy kompyuterlar o'zining arxitekturasi bilan fon Neyman mashinasidan farq qiladi, ammo bu farqlarni aynan shunday o'rganish qulay farqlarfon Neyman mashinasi bilan taqqoslash va taqqoslash. Ushbu mashinani ko'rib chiqishda fon Neyman mashinasi va zamonaviy kompyuterlarning arxitekturasi o'rtasidagi farqlarga e'tibor qaratiladi. Fon Neyman mashinasi arxitekturasining asosiy xususiyatlari quyidagicha shakllantiriladi fon Neyman printsiplari... Ko'p yillar davomida ushbu printsiplar bir necha avlod kompyuterlari arxitekturasining asosiy xususiyatlarini aniqlab berdi.
Shakl. 2.1-da fon Neumann mashinasining diagrammasi ko'rsatilgan, chunki u kompyuter arxitekturasi bo'yicha aksariyat darsliklarda tasvirlangan. Ushbu rasmda qalin o'qlar ko'rsatilgan buyruqlar va ma'lumotlar oqimlari, va ingichka - qurilmalar o'rtasida uzatish boshqarish signallari... Fon Neyman mashinasi xotira, kirish / chiqish qurilmalari va markaziy protsessor (MARKAZIY PROTSESSOR). Markaziy protsessor o'z navbatida quyidagilardan iborat boshqarish moslamalari (UU) va arifmetik mantiqiy birlik (ALU). Fon Neumann mashinasining qurilmalari va ular bajaradigan funktsiyalarni ketma-ket ko'rib chiqamiz.
Xotira
Xotiraning chiziqliligi va bir xilligi printsipi.
Xotira - chaqirilgan ba'zi elementlarning chiziqli (tartibli) bir hil ketma-ketligi hujayralar... Mashinaning boshqa qurilmalari (qalin o'qlar bo'ylab) har qanday xotira katakchasiga ma'lumot yozishi va o'qishi mumkin, va har qanday katakchadan o'qish vaqti barcha hujayralar uchun bir xil bo'ladi. Har qanday katakchada ro'yxatdan o'tish vaqti ham bir xil (bu tamoyil bir xillik xotira). Zamonaviy kompyuterlarda bunday xotira deyiladi tasodifiy kirish xotirasi (Tasodifiy kirish xotirasi, RAM). Amalda, ko'plab kompyuterlarda har xil turdagi xotira bo'limlari bo'lishi mumkin, ularning ba'zilari faqat o'qish ma'lumotlarini qo'llab-quvvatlaydi (Read Read Memory, ROM), boshqalari yozishga ruxsat berishi mumkin, ammo qolgan xotiradan uzoqroq vaqt davomida (bu shunday ataladi) yarim doimiy xotira) va boshqalar.
Von Neyman mashinasidagi xotira xujayralari noldan bir nechta musbat N gacha raqamlangan, bu odatda ikkitadan iborat. Uyali manzil uning raqamiga qo'ng'iroq qildi. Har bir hujayra kichikroq qismlardan iborat chiqindilar va shuningdek, noldan ma'lum raqamgacha raqamlangan. Yacheykadagi raqamlar soni xotira hajmi... Har bir raqam ma'lum bir raqamlar tizimida raqamni saqlashi mumkin. Ko'pgina kompyuterlar ikkilik sanoq tizimidan foydalanadi, chunki apparatni amalga oshirish nuqtai nazaridan foydaliroq, bu holda har bir bit bittadan saqlaydi bit ma `lumot. Sakkiz bit bitta bayt.
Hujayraning tarkibi deyiladi mashina so'zi... Me'moriy nuqtai nazardan, mashina so'zi - bu turli xil mashina tugunlari o'rtasida almashinadigan ma'lumotlarning minimal miqdori (shu bilan birga, ingichka o'qlar bo'ylab boshqarish signallarini uzatishni unutmaslik kerak). Har bir xotira katakchasini o'qish mumkin nusxa ko'chirish kompyuter so'zi va uni xotiraning boshqa qismiga o'tkazing, asl nusxasi esa o'zgarmaydi. Xotiraga yozishda katakning eski tarkibi yo'qoladi va uning o'rniga yangi mashina so'zi keladi.
Amalda, ba'zi bir xotira turlari uchun hujayradan o'qiyotganda asl mashina so'zini saqlab qolish muammosini hal qilish ahamiyatsiz emas, aksincha ko'p vaqt talab etadi, chunki bu xotirada (u shunday deyiladi) dinamik xotira) asl nusxasi o'qilganda yo'q qilinadi. Mana bir nechta odatiy narsalar xotira xususiyatlarizamonaviy kompyuterlar.
1. Xotira miqdori yuzlab million hujayradan iborat (odatda sakkiz bitli).
2. Xotira tezligi: kirish vaqti (so'zni o'qish uchun minimal kechikish) va tsikl vaqti (bitta hujayradan ikkita so'zni o'qish uchun minimal kechikish) birliklar va o'nlab nanosekundalar tartibida (1 soniya \u003d 10 9 nanosekund). E'tibor bering, yuqorida aytib o'tilgan uyum uchun tsikl vaqti ko'proqkirish vaqtidan ko'ra, chunki o'qish paytida yo'q qilingan hujayraning tarkibini tiklash hali ham zarur.
3. Narx. Kompyuterning asosiy xotirasi uchun shuni bilish kifoya: bunday xotira qanchalik tez bo'lsa, tabiiyki, u qanchalik qimmatga tushadi. Bizning ma'ruzalarimiz davomida xotira narxining o'ziga xos qiymatlari qiziq emas.
Buyruqlar va ma'lumotlarning farqlanmasligi printsipi. Kompyuter so'zi bu buyruq yoki ishlov beriladigan ma'lumotlar (raqam, ramziy ma'lumot, rasm elementi va boshqalar). Qisqartirish uchun quyidagi ma'lumotni biz "raqamlar" deb ataymiz. Ushbu fon Neyman printsipi bu raqamlar va buyruqlar ajratib bo'lmaydigan bir-biridan - xotirada ikkalasi ham ma'lum bitlar to'plami bilan ifodalanadi va mashina so'zining paydo bo'lishi bilan nimani anglatishini aniqlash mumkin emas - buyruq yoki raqam.
Ushbu tamoyildan aniq natijalar kelib chiqadi - saqlangan dastur printsipi ... Ushbu tamoyil juda muhim, uning mohiyati shundan iboratki, dastur xotirada raqamlar bilan birga saqlanadi, ya'ni bu dasturni hisoblash paytida o'zgarishi mumkin. Shuningdek, dastur mumkin deb aytilgan o'z-o'zini o'zgartirish hisoblash paytida. E'tibor bering, fon Neyman o'z asarini yozganda, o'sha paytdagi aksariyat kompyuterlar dasturlarni bir turdagi xotirada, raqamlarni esa boshqa turdagi xotirada saqlashgan. Zamonaviy kompyuterlarda ikkala dastur va ma'lumotlar bir xil xotirada saqlanadi.
Kompyuter arxitekturasi nazariyasining asoslarini taniqli amerikalik matematik Jon Fon Neyman yaratdi. U 1944 yilda dunyodagi birinchi naychali kompyuterni (ENIAC) yaratishga qo'shildi, uning dizayni allaqachon tanlangan edi. O'zining ish paytida, hamkasblari G.Goldshteyn va A.Berks bilan ko'plab munozaralar paytida fon Neyman printsipial jihatdan yangi kompyuter g'oyasini ifoda etdi. 1946 yilda olimlar kompyuterlarni qurish printsiplarini hozirgi klassik "Elektron hisoblash moslamasining mantiqiy dizaynini oldindan ko'rib chiqish" maqolasida bayon qildilar. O'shandan beri yarim asr o'tdi, ammo unda keltirilgan qoidalar bugungi kunda ham dolzarb bo'lib qolmoqda.
Maqola raqamlarni ko'rsatish uchun ikkilik tizimdan foydalanishni ishonchli tarzda asoslab beradi (ilgari barcha kompyuterlar qayta ishlangan raqamlarni o'nli shaklda saqlaganligini esga olish kerak). Mualliflar ikkilik tizimning texnik tatbiq etishning afzalliklarini, undagi arifmetik va mantiqiy amallarni bajarish qulayligi va soddaligini ishonchli tarzda namoyish etishdi. Kelajakda kompyuterlar raqamli bo'lmagan ma'lumotlarni - matnli, grafik, tovushli va boshqalarni qayta ishlashni boshladilar, ammo ma'lumotlarning ikkilik kodlashi har qanday zamonaviy kompyuterning axborot asosini tashkil qiladi.
Qiymatini baholash qiyin bo'lgan yana bir chinakam inqilobiy g'oya - bu Neyman tomonidan taklif qilingan "saqlangan dastur" tamoyilidir. Dastlab, dastur maxsus patch panelida o'tish moslamalarini o'rnatish orqali o'rnatildi. Bu juda mashaqqatli vazifa edi: masalan, ENIAC mashinasining dasturini o'zgartirish uchun bir necha kun kerak bo'ldi (haqiqiy hisoblash bir necha daqiqadan ko'proq davom etishi mumkin emas edi - lampalar ishlamay qoldi). Dasturni birinchi bo'lib nol va birliklar to'plami sifatida, va u ishlov beradigan raqamlar bilan bir xil xotirada saqlash mumkin, deb birinchi bo'lib taxmin qilgan Neymon. Dastur va ma'lumotlar o'rtasida tubdan farqning yo'qligi kompyuterga hisoblashlar natijalariga muvofiq o'zi uchun dastur tuzish imkoniyatini yaratdi.
Fon Neyman nafaqat kompyuterning mantiqiy qurilmasining asosiy tamoyillarini ilgari suribgina qolmay, balki uning dastlabki ikki avlodi davrida ishlab chiqarilgan uning tuzilishini ham taklif qildi. Neymanning fikriga ko'ra, asosiy bloklar boshqaruv bloki (CU) va arifmetik mantiqiy birlik (ALU) (odatda markaziy protsessorga birlashtirilgan), xotira, tashqi xotira, kirish va chiqish qurilmalari. Bunday kompyuterning diagrammasi shakl. 1. Ta'kidlash joizki, tashqi xotira kirish va chiqish qurilmalaridan farq qiladi, chunki ma'lumotlar unga kompyuter uchun qulay, ammo insonni bevosita idrok etish uchun erishib bo'lmaydigan shaklda kiritiladi. Shunday qilib, magnit disk drayveri tashqi xotiraga ishora qiladi, va klaviatura kirish moslamasi, displey va bosib chiqarish - bu chiqish moslamasi.
Shakl: 1. Fon Neyman printsiplari asosida qurilgan kompyuter arxitekturasi. Oklari bo'lgan qattiq chiziqlar ma'lumot oqimining yo'nalishini, kesilgan chiziqlarni - protsessordan kompyuter tugunlarining qolgan qismiga boshqarish signallarini bildiradi.
Zamonaviy kompyuterlarda boshqaruv bloki va arifmetik-mantiqiy birlik bir birlikka - protsessorga birlashtirilib, u xotiradan va tashqi qurilmalardan keladigan ma'lumotni konvertori (bu xotiradan ko'rsatmalar olish, kodlash va dekodlash, turli operatsiyalarni bajarish, jumladan arifmetik, kompyuter tugunlari ishini muvofiqlashtirish). Protsessor funktsiyalari quyida batafsilroq muhokama qilinadi.
Xotira (xotira) ma'lumot (ma'lumotlar) va dasturlarni saqlaydi. Zamonaviy kompyuterlarni saqlash moslamasi "ko'p bosqichli" bo'lib, unga kompyuter ma'lum bir vaqtda bevosita ishlaydigan ma'lumotni (bajariladigan dastur, unga zarur bo'lgan ma'lumotlarning bir qismi, ba'zi boshqarish dasturlari) va tashqi xotira qurilmalarini (VCD) saqlashni o'z ichiga olgan tezkor xotira (RAM) kiradi. ) RAMga qaraganda ancha katta quvvatga ega. ammo kirish imkoniyati ancha sekin (va 1 bayt saqlanadigan ma'lumot uchun narx ancha past). Xotira qurilmalarini tasnifi RAM va VZU bilan tugamaydi - ba'zi funktsiyalar RAM (super operativ xotira), ham ROM (faqat o'qish uchun mo'ljallangan xotira) va boshqa kompyuter xotiralari tomonidan bajariladi.
Ta'riflangan sxema bo'yicha qurilgan kompyuterda buyruqlar ketma-ket xotiradan o'qiladi va bajariladi. Keyingi xotira katakchasining raqami (manzili). undan dasturning keyingi buyrug'i olinadigan maxsus moslama - boshqaruv blokidagi buyruq hisoblagichi ko'rsatiladi. Uning mavjudligi, shuningdek, ko'rib chiqilayotgan me'morchilikning o'ziga xos xususiyatlaridan biridir.
Fon Neyman tomonidan ishlab chiqilgan hisoblash moslamalari me'morchiligining asoslari shu qadar asosli bo'lib chiqdiki, ular adabiyotda "fon Neyman me'morchiligi" deb nomlandi. Hozirgi kunda kompyuterlarning katta qismi fon Neumann mashinalari. Yagona istisnolar - bu parallel hisoblash uchun tizimlarning ayrim turlari, ularda ko'rsatmalar hisoblagichi mavjud emas, o'zgaruvchining klassik kontseptsiyasi amalga oshirilmagan va klassik modeldan boshqa muhim tub farqlar mavjud (misollar oqim va qisqartiruvchi kompyuterlar).
Ko'rinib turibdiki, fon Neyman arxitekturasidan sezilarli og'ish beshinchi avlod mashinalari g'oyasining rivojlanishi natijasida yuzaga keladi, unda axborotni qayta ishlash hisob-kitoblarga emas, balki mantiqiy xulosalarga asoslanadi.
Nostalji kabi bir narsa: fon Neyman tamoyillari
Kompyuter arxitekturasi bo'yicha ma'ruzalarning birinchi qismi bo'lgan daftarni topolmadim, shuning uchun ma'lumotlarni boshqa manbalardan olish kerak edi.
1945 yilda Vengriyada tug'ilgan fizik va matematik Jon Von Neyman, AQShda ENIAC loyihasida ishlagan, kompyuter qurishning asosiy tamoyillari bayon qilingan ma'ruzasini e'lon qildi. Hisobotda keltirilgan qoidalar "Fon Neyman printsiplari" deb nomlandi.
1. Dasturlashtirilgan boshqaruv tamoyili.
Dastur protsessor tomonidan ketma-ket bajariladigan ko'rsatmalar to'plamidan iborat. Dasturni xotiradan olish buyruq hisoblagich yordamida amalga oshiriladi. Buyruqlarni xotiradan olish "to'xtatish" buyrug'iga erishilganda va bajarilgandan so'ng tugaydi.
Bu shuni ko'rsatadiki, dasturdagi buyruqlar va dasturlarning o'zi ketma-ket ketma-ket bajariladi. Shuningdek, fon Neumann arxitekturasi, agar bajarilgan buyruqdan so'ng darhol emas, balki boshqa xotira joyida joylashgan buyruqni bajarish zarur bo'lsa, shartli va shartsiz sakrashni amalga oshirishga imkon beradi. Ammo bu buyruqlar bajarilishining ketma-ket printsipini buzmaydi, chunki bir vaqtning o'zida bitta buyruq bajarilishi mumkin.
2. Xotiraning bir xilligi printsipi.
Dasturlar va ma'lumotlar ikkilik kod bilan kodlanadi va bir xil xotirada saqlanadi. Ma'lumotlar kabi buyruqlar ustida bir xil amallarni bajarishingiz mumkin.
Shunday qilib, xotira uchun berilgan katakchada nima saqlanishi muhim emas - ma'lumotlar yoki ko'rsatmalar. Shuningdek, ushbu printsip dasturni bajarilish paytida o'zini ishlashga bo'ysundirishga imkon beradi (dasturda tsikllar va pastki dasturlarning bajarilishi shunday tashkil qilingan). Bitta dasturning buyruqlari boshqa dasturning bajarilishi natijasi sifatida qabul qilinishi mumkin. Tarjima usullari ushbu printsipga asoslanadi - dastur matnini yuqori darajadagi dasturlash tilidan ma'lum bir mashinaning buyruq tiliga tarjima qilish.
Ma'lumotlarning har xil turlarini, o'z navbatida, formatlarga ko'ra ajratish mumkin.
3. Maqsadni belgilash printsipi.
Strukturaviy ravishda asosiy xotira (RAM) raqamlangan hujayralardan iborat. Har qanday hujayra istalgan vaqtda protsessor uchun mavjud.
RAM, xuddi go'yo, belgilangan uzunlikdagi katakchalarga bo'linadi. Kajaya, bunday katakchada manzil (aslida raqam) mavjud bo'lib, unga hujayraning tarkibini olishingiz mumkin.
Uzoq vaqt davomida ushbu printsiplar kompyuterlarning rivojlanishida aniqlanib bordi. Faqat 60-yillarda fon Neyman printsiplaridan tashqariga chiqadigan hisoblash tizimlari nazariyasi paydo bo'ldi (asosiy farq hisoblashlarning parallelligi edi). Ammo bu katta professional kompyuterlarga taalluqli edi va shaxsiy kompyuterlar ushbu printsiplarni yaqin vaqtgacha ishlatib kelmoqdalar. Bizning kompyuter arxitekturasi o'qituvchimiz Igor Yusupovich bizga Vonneumannning kompyuteri deyarli charchaganligini aytdi. Keyin men buning natijasi nima bo'lishini bilmas edim, ammo hozir ikkita va to'rt yadroli protsessorlar odatiy holga aylandi
Barcha zamonaviy kompyuterlar, ko'p vaqt o'tganiga qaramay, amerikalik matematik Jon fon Neyman (1903 - 1957) taklif qilgan printsiplar asosida ishlaydi. Shuningdek, u kompyuterlarning rivojlanishi va ulardan foydalanishga katta hissa qo'shdi. U birinchi bo'lib kompyuter ishlaydigan printsiplarga asos solgan:
1. Ikkilik kodlash printsipi: kompyuterdagi barcha ma'lumotlar ikkilik shaklda, 0 va 1 kombinatsiyasi bilan taqdim etiladi.
2. Xotiraning bir xilligi printsipi: ikkala dastur ham, ma'lumotlar ham bir xil xotirada saqlanadi.Shuning uchun kompyuter bu xotira yacheykasida saqlanadigan narsani tan olmaydi, ammo raqamlar, matn, buyruq va hk bo'lishi mumkin. Buyruqlar ustida bir xil amallarni bajarishingiz mumkin. ma'lumotlar yuqoridagi kabi.
3. Xotiraning manzilliligi printsipi: sxematik ravishda, OP (asosiy xotira) raqamlangan hujayralardan, CPU (markaziy protsessor) istalgan vaqtda, mavjud bo'lgan har qanday xotira yacheykasidan iborat. Shuning uchun, OP va protsessor o'rtasida qulayroq ta'sir o'tkazish uchun xotira bloklariga nomlarni berish mumkin.
4. Dasturni ketma-ket boshqarish printsipi: dastur CPU tomonidan ketma-ket ketma-ket bajariladigan buyruqlar to'plamidan iborat.
5. Shartli sakrash printsipi: buyruqlar birma-bir bajarilishi har doim ham sodir bo'lavermaydi, shuning uchun saqlangan ma'lumotlarning qiymatiga qarab buyruqlarning ketma-ket bajarilishini o'zgartiradigan shartli sakrash buyrug'i mavjud bo'lishi mumkin.
... Zamonaviy kompyuterlarning tasnifi.
Zamonaviy kompyuterichki qismga bo'linadi mikroprotsessorlar, mikrokompyuter (shaxsiy kompyuterlar), meynframlar va superkompyuter - bir nechta protsessorli kompyuter kompleksi.
Mikroprotsess - sifatida amalga oshirilgan protsessorlar ajralmas elektron mikrosxemalar... Mikroprotsessorlarni telefonlar, televizorlar va boshqa maishiy texnika, mashinalar va qurilmalarga joylashtirish mumkin.
Integral mikrosxemalarda protsessorlar va barcha zamonaviy mikrokompyuterlarning, shuningdek, barcha asosiy meynfram va superkompyuterlarning bloklari hamda barcha dasturlashtiriladigan qurilmalar xotirasi.
Mikroprotsessorning ishlashibir nechta million operatsiyalar sekundiga, va tasodifiy kirish xotirasining zamonaviy bloklari hajmi bir necha million baytni tashkil qiladi.
Mikrokompyuter -bular to'la hisoblash mashinalar, nafaqat ma'lumotlarni qayta ishlash uchun protsessor va tasodifiy kirish xotirasiga, balki kirish-chiqarish qurilmalariga va axborotni saqlashga ega.
Shaxsiy kompyuterlar -bu mikrokompyuterelektron ekranlarda namoyish qilish uchun qurilmalar, shuningdek, klaviatura ko'rinishidagi kirish-chiqish moslamalari va ehtimol kompyuter tarmoqlariga ulanish uchun qurilmalar mavjud.
Mikro-kompyuter arxitekturasitizim magistralidan foydalanishga asoslangan - protsessorlar va RAM bloklari ulangan interfeys qurilmasi, shuningdek barcha ma'lumotlarni kiritish-chiqarish moslamalari.
Magistraldan foydalanisho'zgarishga imkon beradi tuzilishi va tuzilishi mikrokompyuter - qo'shimcha kiritish-chiqarish moslamalarini qo'shish va kompyuterlarning ish faoliyatini oshirish.
Uzoq muddatli saqlash zamonaviy kompyuterlardagi ma'lumotlar elektron, magnit va optik vositalar - magnit disklar, optik disklar va flesh xotira bloklari yordamida amalga oshiriladi.
Zamonaviy kompyuterlarning arxitekturasifayllar, dasturiy ta'minot paketlari, ma'lumotlar bazalari va operatsion tizimlar joylashgan uzoq muddatli xotira mavjudligini taxmin qiladi.
Katta kompyuterlar -kompyuterlar yuqori hosildorlik katta hajmdagi tashqi xotira bilan. Katta kompyuterlar kompyuter tarmoqlari va katta hajmdagi ma'lumotlarni saqlash uchun server sifatida ishlatiladi.
Katta kompyuterlar tashkil etish uchun asos sifatida ishlatiladi korporativ ma `lumot tizimlarsanoat korporatsiyalari va davlat idoralariga xizmat ko'rsatish.
Superkompyuter - bu ko'p protsessor kompyuter murakkab me'morchilikka ega, eng yuqori ko'rsatkichlarga ega va o'ta murakkab hisoblash muammolarini hal qilishda foydalaniladi.
Superkompyuterning ishlashi bu o'nlab va yuzlab ming milliard hisoblash operatsiyalar soniyada Shu bilan birga, superkompyuterda protsessorlar soni ko'paymoqda va kompyuter arxitekturasi murakkablashmoqda.
Kompyuterlar arxitekturasi nazariyasining asoslarini taniqli amerikalik matematik Jon fon Neyman yaratgan. U 1944 yilda dunyodagi birinchi naychali ENIAC kompyuterini yaratishga qo'shildi, uning dizayni allaqachon tanlangan edi. Faoliyati davomida hamkasblari G.Goldshteyn va A.Berks bilan ko'plab munozaralar paytida fon Neyman printsipial jihatdan yangi kompyuter g'oyasini ifoda etdi. 1946 yilda olimlar kompyuterlarni qurish uchun o'zlarining printsiplarini hozirgi klassik "Elektron hisoblash moslamasining mantiqiy dizaynini oldindan ko'rib chiqish" maqolasida bayon qildilar. O'shandan beri yarim asr o'tdi, ammo unda keltirilgan qoidalar bugungi kunda ham dolzarb bo'lib qolmoqda.
Maqola raqamlarni ko'rsatish uchun ikkilik tizimdan foydalanishni ishonchli tarzda asoslab beradi (ilgari barcha kompyuterlar qayta ishlangan raqamlarni o'nli shaklda saqlaganligini esga olish kerak). Mualliflar ikkilik tizimning texnik tatbiq etishning afzalliklarini, undagi arifmetik va mantiqiy amallarni bajarish qulayligi va soddaligini ishonchli tarzda namoyish etishdi. Kelajakda kompyuterlar raqamli bo'lmagan ma'lumotlarni - matnli, grafik, tovushli va boshqalarni qayta ishlashni boshladilar, ammo ma'lumotlarning ikkilik kodlashi har qanday zamonaviy kompyuterning axborot asosini tashkil qiladi.
Yana bir chinakam inqilobiy g'oya, uning ahamiyatini baholash qiyin, bu Neyman tomonidan taklif qilingan "saqlangan dastur" tamoyilidir. Dastlab, dastur maxsus patch panelida o'tish moslamalarini o'rnatish orqali o'rnatildi. Bu juda mashaqqatli vazifa edi: masalan, ENIAC mashinasining dasturini o'zgartirish uchun bir necha kun kerak bo'ldi (aslida hisoblash bir necha daqiqadan oshmasligi mumkin edi - lampalar yaroqsiz edi). Dasturni birinchi bo'lib nol va birliklar to'plami sifatida, va u ishlov beradigan raqamlar bilan bir xil xotirada saqlash mumkin, deb birinchi bo'lib taxmin qilgan Neymon. Dastur va ma'lumotlar o'rtasida tubdan farqning yo'qligi kompyuterga hisoblashlar natijalariga muvofiq o'zi uchun dastur tuzish imkoniyatini yaratdi.
Fon Neyman nafaqat kompyuterning mantiqiy qurilmasining asosiy tamoyillarini ilgari suribgina qolmay, balki uning dastlabki ikki avlodi davrida ishlab chiqarilgan uning tuzilishini ham taklif qildi. Neymanning fikriga ko'ra, asosiy bloklar boshqaruv bloki (CU) va arifmetik mantiqiy birlik (ALU) (odatda markaziy protsessorga birlashtirilgan), xotira, tashqi xotira, kirish va chiqish qurilmalari. Shuni ta'kidlash kerakki, tashqi xotira kirish va chiqish qurilmalaridan farq qiladi, chunki ma'lumotlar unga kompyuter uchun qulay, ammo insonni bevosita idrok etish uchun erishib bo'lmaydigan shaklda kiritiladi. Shunday qilib, magnit disk drayveri tashqi xotiraga ishora qiladi, va klaviatura kirish moslamasi, displey va bosib chiqarish - bu chiqish moslamasi.
Zamonaviy kompyuterlarda boshqaruv bloki va arifmetik-mantiqiy birlik bir birlikka - protsessorga, ya'ni xotiradan va tashqi qurilmalardan keladigan ma'lumotni konvertorga aylantiriladi (bunda xotiradan ko'rsatmalar olish, kodlash va dekodlash, turli operatsiyalarni bajarish, jumladan arifmetik, kompyuter tugunlari ishini muvofiqlashtirish). Protsessor funktsiyalari quyida batafsilroq muhokama qilinadi.
Xotira (xotira) ma'lumot (ma'lumotlar) va dasturlarni saqlaydi. Zamonaviy kompyuterlarni saqlash moslamasi "ko'p bosqichli" bo'lib, unga kompyuter bevosita ma'lum bir vaqtda ishlaydigan ma'lumotni (bajariladigan dastur, u uchun zarur bo'lgan ma'lumotlarning bir qismi, ba'zi boshqarish dasturlari) va tashqi xotira qurilmalarini (VCD) saqlashni o'z ichiga oluvchi tezkor xotira (RAM) kiradi. ) RAMga qaraganda ancha katta quvvatga ega. ammo kirish imkoniyati ancha sekin (va 1 bayt saqlanadigan ma'lumot uchun narx ancha past). Xotira qurilmalarini tasnifi RAM va VZU bilan tugamaydi - ba'zi funktsiyalar RAM (super operativ xotira), ham ROM (faqat o'qish uchun mo'ljallangan xotira) va boshqa kompyuter xotiralari tomonidan bajariladi.
Ta'riflangan sxema bo'yicha qurilgan kompyuterda buyruqlar ketma-ket xotiradan o'qiladi va bajariladi. Keyingi xotira katakchasining raqami (manzili). undan dasturning keyingi buyrug'i olinadigan maxsus moslama - boshqaruv blokidagi buyruq hisoblagichi ko'rsatiladi. Uning mavjudligi, shuningdek, ko'rib chiqilayotgan me'morchilikning o'ziga xos xususiyatlaridan biridir.
Fon Neyman tomonidan ishlab chiqilgan hisoblash moslamalari me'morchiligining asoslari shu qadar asosli bo'lib chiqdiki, ular adabiyotda "fon Neyman me'morchiligi" deb nomlandi. Hozirgi kunda kompyuterlarning katta qismi fon Neumann mashinalari. Yagona istisnolar - bu parallel hisoblash uchun tizimlarning ayrim turlari, ularda ko'rsatmalar hisoblagichi mavjud emas, o'zgaruvchining klassik kontseptsiyasi amalga oshirilmagan va klassik modeldan boshqa muhim tub farqlar mavjud (misollar oqim va qisqartiruvchi kompyuterlar).
Ko'rinishidan, fon Neumann me'morchiligidan sezilarli og'ish beshinchi avlod mashinalari g'oyasining rivojlanishi natijasida yuzaga keladi, bunda axborotni qayta ishlash hisob-kitoblarga emas, balki mantiqiy xulosalarga asoslanadi.
Fon Neyman printsiplari
Xotiraning bir xilligi printsipi - Ko'rsatmalar va ma'lumotlar bir xil xotirada saqlanadi va xotirada tashqi jihatdan farq qilmaydi. Ularni faqat ishlatilish usuli bilan tanib olish mumkin; ya'ni xotira yacheykasidagi bir xil qiymat faqat unga kirish uslubiga qarab ma'lumotlar sifatida, buyruq sifatida va manzil sifatida ishlatilishi mumkin. Bu sizga buyruqlar bo'yicha raqamlarda bo'lgani kabi bir xil operatsiyalarni bajarishga imkon beradi va shunga mos ravishda bir qator imkoniyatlarni ochadi. Shunday qilib, buyruqning manzil qismini davriy ravishda o'zgartirib, ma'lumotlar qatorining ketma-ket elementlariga kirishni ta'minlay olasiz. Ushbu uslub buyruqlarni o'zgartirish deb nomlanadi va zamonaviy dasturlash nuqtai nazaridan tavsiya etilmaydi. Bir xillik printsipining yana bir natijasi ko'proq foydali, chunki boshqa dasturning bajarilishi natijasida bitta dasturdan ko'rsatmalar olinishi mumkin. Ushbu qobiliyat tarjimaning asosidir - dastur matnini yuqori darajadagi tildan ma'lum bir kompyuter tiliga tarjima qilish.
Adres printsipi - Strukturaviy ravishda, asosiy xotira raqamlangan hujayralardan iborat va har qanday hujayra istalgan vaqtda protsessor uchun mavjud. Buyruqlar va ma'lumotlarning ikkilik kodlari so'zlar deb nomlangan ma'lumotlarning bo'linmalariga bo'linadi va xotira hujayralarida saqlanadi va ularga kirish uchun mos keladigan katakchalar - manzillar raqamlari ishlatiladi.
Dasturlashtirilgan boshqarish printsipi - Muammoni hal qilish algoritmi tomonidan taqdim etilgan barcha hisob-kitoblar boshqaruv so'zlari - buyruqlar ketma-ketligidan iborat dastur shaklida taqdim etilishi kerak. Har bir buyruq ba'zi bir operatsiyalarni kompyuter tomonidan bajariladigan operatsiyalar to'plamidan belgilaydi. Dastur ko'rsatmalari kompyuterning ketma-ket xotira yacheykalarida saqlanadi va tabiiy ketma-ketlikda, ya'ni dasturdagi o'rni tartibida bajariladi. Agar kerak bo'lsa, maxsus buyruqlar yordamida ushbu ketma-ketlikni o'zgartirish mumkin. Dastur buyruqlarini bajarish tartibini o'zgartirish to'g'risida qaror avvalgi hisob-kitoblar natijalarini tahlil qilish asosida yoki shartsiz qabul qilinadi.
Ikkilik kodlash printsipi - Ushbu printsipga muvofiq barcha ma'lumotlar, ham ma'lumotlar, ham buyruqlar, 0 va 1 ikkilik raqamlari bilan kodlangan. Har bir ma'lumot turi ikkilik ketma-ketlik bilan ifodalanadi va o'z formatiga ega. Maxsus ma'noga ega bo'lgan formatdagi bitlar ketma-ketligi maydon deb ataladi. Raqamli ma'lumotlarda odatda belgi maydoni va muhim bit maydoni ajratiladi. Buyruq formatida ikkita maydonni ajratish mumkin: operatsion kod maydoni va manzil maydoni.
· Ikkilik kodlash printsipi
· Ushbu printsipga ko'ra, kompyuterga kiradigan barcha ma'lumotlar ikkilik signallar (ikkilangan raqamlar, bitlar) yordamida kodlanadi va so'zlar deb nomlangan birliklarga bo'linadi.
· Xotiraning bir xilligi printsipi
· Dasturlar va ma'lumotlar bir xil xotirada saqlanadi. Shuning uchun kompyuter berilgan xotira yacheykasida saqlanadigan narsani - son, matn yoki buyruqni ajratib ko'rsatmaydi. Ma'lumotlar kabi buyruqlar ustida bir xil amallarni bajarishingiz mumkin.
· Xotiraning manzilliligi printsipi
· Strukturaviy ravishda asosiy xotira raqamlangan hujayralardan iborat; har qanday hujayra istalgan vaqtda protsessor uchun mavjud. Demak, xotira maydonlariga nomlarni berish mumkin, shunda ularda saqlanadigan qiymatlarga keyinchalik kirish yoki tayinlangan nomlar yordamida dasturni bajarish paytida o'zgartirish mumkin.
· Dasturni ketma-ket boshqarish printsipi
· Dastur ma'lum bir ketma-ketlikda avtomatik ravishda protsessor tomonidan bajariladigan ko'rsatmalar to'plamidan iborat deb taxmin qiladi.
· Arxitektura qat'iyligi printsipi
· Topologiya, arxitektura, buyruqlar ro'yxati jarayonida o'zgarmaslik.
· Ushbu printsiplar asosida qurilgan kompyuterlar fon Neymannikiga kiradi.
· Ushbu tamoyillarning eng muhim natijasi deb aytish mumkin, endi dastur endi mashinaning doimiy qismi bo'lmadi (kalkulyator kabi). Dasturni o'zgartirish oson bo'ldi. Ammo uskunalar, albatta, o'zgarishsiz va juda sodda bo'lib qolmoqda.
· Taqqoslash uchun ENIAC kompyuter dasturi (xotirada hech qanday dastur saqlanmagan) paneldagi maxsus o'tish moslamalari tomonidan aniqlandi. Mashinani qayta dasturlash uchun bir kundan ko'proq vaqt ketishi mumkin (o'tish moslamalarini boshqacha qilib qo'ying). Zamonaviy kompyuterlar uchun dasturlarni yozish bir necha yillarni talab qilishi mumkin bo'lsa-da, ular qattiq diskka bir necha daqiqadan so'ng o'rnatilgandan so'ng millionlab kompyuterlarda ishlaydi.
· 
· Von Neyman mashinasi saqlash qurilmasi (xotira) - xotira, arifmetik mantiqiy moslama - ALU, boshqarish moslamasi - UU, shuningdek kirish va chiqish qurilmalaridan iborat.
· Dasturlar va ma'lumotlar arifmetik mantiqiy qurilma orqali kirish moslamasidan xotiraga kiritiladi. Barcha dastur buyruqlari qo'shni xotira katakchalariga yoziladi va ishlov berish uchun ma'lumotlar ixtiyoriy katakchalarda bo'lishi mumkin. Har qanday dastur uchun oxirgi buyruq o'chirish buyrug'i bo'lishi kerak.
· Buyruq qaysi operatsiyani bajarish kerakligini (ma'lum bir apparatdagi mumkin bo'lgan operatsiyalardan) va ko'rsatilgan operatsiya bajarilishi kerak bo'lgan ma'lumotlar saqlanadigan xotira hujayralarining manzillaridan, shuningdek, natija yozilishi kerak bo'lgan katakning manzilidan (agar uni saqlash kerak bo'lsa) iborat xotirada).
· Arifmetik mantiqiy birlik ko'rsatilgan ma'lumotlarga buyruqlar bilan ko'rsatilgan operatsiyalarni bajaradi.
· Arifmetik mantiqiy birlikdan natijalar xotiraga yoki chiqadigan qurilmaga beriladi. Xotira va chiqish moslamasining tub farqi shundaki, ma'lumotlar xotirada kompyuter tomonidan ishlash uchun qulay bo'lgan shaklda saqlanadi va chiqish moslamalari (printer, monitor va boshqalar) odam uchun qulay bo'lganligi sababli qabul qilinadi.
· UU kompyuterning barcha qismlarini boshqaradi. Boshqaruv moslamasidan boshqa qurilmalarga "nima qilish kerak" degan signallar keladi va boshqa qurilmalardan CU ularning holati to'g'risida ma'lumot oladi.
· Boshqarish moslamasida "buyruq hisoblagichi" deb nomlangan maxsus registr (hujayra) mavjud. Dastur va ma'lumotlarni xotiraga yuklagandan so'ng, buyruqlar hisoblagichiga birinchi dastur buyrug'ining manzili yoziladi. UU xotira yacheykasining tarkibini, uning manzili buyruq hisoblagichida o'qiydi va uni maxsus moslama - "Buyruqlar registri" ga joylashtiradi. UU buyruqning ishlashini aniqlaydi, manzillari buyruqda ko'rsatilgan xotiradagi ma'lumotlarni "belgilaydi" va buyruqning bajarilishini nazorat qiladi. Amaliyot ALU yoki kompyuter texnikasi tomonidan amalga oshiriladi.
· Har qanday buyruqning bajarilishi natijasida buyruq hisoblagichi bittaga o'zgaradi va shu sababli dasturning keyingi buyrug'iga ishora qiladi. Amaldagi buyrug'i uchun navbatdagi emas, balki berilganlardan ma'lum bir sonli manzil oralig'ida joylashgan buyruqni bajarish zarur bo'lganda, maxsus o'tish buyrug'i boshqaruv uzatilishi kerak bo'lgan katakning manzilini o'z ichiga oladi.
16) Hisoblash tizimining tuzilishi va arxitekturasi
Tizim (yunoncha systema - butunlik, qismlardan tashkil topgan birikma) - bu bir-biri bilan o'zaro ta'sir qiluvchi, ma'lum bir butunlikni, birlikni tashkil etuvchi elementlarning yig'indisi.
Hisoblash tizimi bu bir yoki bir nechta kompyuterlar yoki protsessorlar to'plami, axborot va hisoblash jarayonlarini birgalikda bajarish uchun tashkil etilgan dasturiy ta'minot va periferik uskunalar.
VS ning kompyuterlarga nisbatan o'ziga xos xususiyati shundaki, ularda parallel ishlov berishni amalga oshiradigan bir nechta kompyuterlar mavjud.
Samolyot yaratishda belgilangan qurilishning asosiy tamoyillari:
turli xil rejimlarda ishlash qobiliyati;
hisoblash tizimlarini tub o'zgarishsiz takomillashtirish va modernizatsiyalashga imkon beradigan apparat va dasturiy ta'minot strukturasining modulligi;
texnik va dasturiy echimlarni birlashtirish va standartlashtirish;
jarayonlarni boshqarishni tashkil qilishda ierarxiya;
tizimlarning moslashishi, o'zini o'zi sozlashi va o'zini o'zi tashkil qilishi qobiliyati;
hisob-kitoblarni amalga oshirishda foydalanuvchilarga zarur xizmatni taqdim etish
Uchrashuv bo'yicha samolyot bo'linadi
universal,
muammoga yo'naltirilgan
ixtisoslashgan.
Universal bo'lganlar keng sinf muammolarini hal qilishga mo'ljallangan. Muammoga yo'naltirilgan, nisbatan tor sohada ma'lum bir qator muammolarni hal qilish uchun foydalaniladi. Ixtisoslashganlar tor doiradagi muammolarni hal qilishga yo'naltirilgan
Turi bo'yicha samolyotlar farq qiladi
ko'p mashinali
ko'p protsessor.
Hisoblash tizimi butun kompyuterlar asosida (ko'p mashinali o'zgaruvchan tok), yoki alohida protsessorlar asosida (ko'p protsessorli AC) qurilishi mumkin.
Kompyuter yoki protsessor turiga ko'ra, mavjud
bir hil - bir xil turdagi kompyuterlar yoki protsessorlarga asoslangan.
heterojen tizimlar - har xil turdagi kompyuterlar yoki protsessorlarni o'z ichiga oladi.
Geografik jihatdan Qurolli Kuchlar quyidagilarga bo'linadi.
birlashtirilgan (barcha komponentlar bir-biriga yaqin joylashgan);
taqsimlangan (komponentlar ancha masofada joylashgan bo'lishi mumkin, masalan, kompyuter tarmoqlari);
Samolyot elementlarini boshqarish usullariga ko'ra, mavjud
markazlashtirilgan,
markazlashtirilmagan
aralash nazorat bilan.
Samolyotning ishlash rejimiga ko'ra, ishlaydigan tizimlar ajralib turadi
operatsion
ishlamaydigan vaqt rejimlari.
Bundan tashqari, miloddan avvalgi tuzilish bo'lishi mumkin
bir darajali (ma'lumotlarni qayta ishlashning faqat bitta umumiy darajasi mavjud);
Ko'p darajali (ierarxik) tuzilmalar. Ierarxik VS-da mashinalar yoki protsessorlar turli darajadagi ma'lumotlarni qayta ishlashga taqsimlanadi; ba'zi mashinalar (protsessorlar) ma'lum funktsiyalarni bajarishga ixtisoslashishi mumkin.
Hisoblash tizimining tuzilishi.
Miloddan avvalgi tuzilishi murakkab elementlar va ularning bog'lanishlari to'plamidir. Alohida kompyuterlar va protsessorlar samolyot elementlari sifatida ishlaydi.
Ta'riflangan ko'p darajali tuzilish samolyotning klassik Fonneumann tashkilotini amalga oshiradi va oldindan tuzilgan dasturga muvofiq ma'lumotlarni ketma-ket qayta ishlashni o'z ichiga oladi.
Hisoblash tizimlari arxitekturasi. Hisoblash tizimlarining arxitekturalari tasnifi.
Tizim arxitekturasi - foydalanish uchun zarur bo'lgan tizim xususiyatlarining to'plami.
Kompyuterning arxitekturasi - bu uning ba'zi bir umumiy darajadagi tavsifi, shu jumladan foydalanuvchi dasturlash imkoniyatlarini tavsifi, ko'rsatmalar to'plami, adreslash tizimi, xotirani tashkil etish va boshqalar.
Klassik arxitektura (fon Neyman arxitekturasi) - bu ma'lumotlar oqimi o'tadigan bitta arifmetik mantiqiy birlik (ALU) va ko'rsatmalar oqimi o'tadigan bitta boshqaruv bo'limi (CU) - dastur. Bu bitta protsessorli kompyuter.
Ko'p mashinali hisoblash tizimi. Bu erda hisoblash tizimiga kiritilgan bir nechta protsessorlar umumiy RAMga ega emas, ammo ularning har biri o'ziga xos (mahalliy) protsessorga ega. Ko'p mashinali tizimdagi har bir kompyuter klassik arxitekturaga ega va bunday tizim keng qo'llaniladi.
Eng qadimgi va eng mashhuri 1966 yilda M. Flinn tomonidan taklif qilingan hisoblash tizimlari arxitekturasining tasnifi.
· Tasniflash oqim tushunchasiga asoslangan bo'lib, u protsessor tomonidan qayta ishlangan elementlar, buyruqlar yoki ma'lumotlar ketma-ketligi sifatida tushuniladi. Buyruqlar oqimlari va ma'lumotlar oqimlari soniga ko'ra, Flinn to'rt xil arxitektura sinfini ajratadi: SISD, MISD, SIMD, MIMD.
SISD (bitta buyruq oqimi / bitta ma'lumot oqimi) - bu bitta buyruq oqimi va bitta ma'lumotlar oqimi. Bu sinfga, avvalambor, klassik ketma-ketlikdagi mashinalar yoki boshqa yo'llar bilan fon Neumann tipidagi mashinalar kiradi, masalan, PDP-11 yoki VAX 11/780. Bunday mashinalarda faqat bitta buyruqlar oqimi mavjud, barcha buyruqlar ketma-ket ketma-ket qayta ishlanadi va har bir buyruq ma'lumotlar oqimi bilan bitta operatsiyani boshlaydi. Buyruqlarni qayta ishlash tezligini va arifmetik operatsiyalarni bajarish tezligini oshirish uchun truboprovoddan foydalanishning ahamiyati yo'q - ikkalasi ham skaler funktsional birliklari bo'lgan CDC 6600 mashinasi va quvurli funktsiyalari bo'lgan CDC 7600 mashinasi bu sinfga kiradi.
SIMD (bitta ko'rsatma oqimi / bir nechta ma'lumotlar oqimi) - bitta buyruq oqimi va bir nechta ma'lumotlar oqimi. Ushbu turdagi me'morchilikda bitta ko'rsatma oqimi saqlanadi, shu jumladan oldingi sinfdan farqli o'laroq, vektor ko'rsatmalari. Bu sizga bir vaqtning o'zida ko'plab arifmetik operatsiyalarni bajarishga imkon beradi - vektor elementlari. Vektorli operatsiyalarni bajarish usuli nazarda tutilmagan, shuning uchun vektor elementlarini qayta ishlash ILLIAC IV da bo'lgani kabi protsessor matritsasi orqali yoki masalan, CRAY-1 mashinasida bo'lgani kabi quvur liniyasi yordamida ham amalga oshirilishi mumkin.
MISD (bir nechta ko'rsatmalar oqimi / bitta ma'lumot oqimi) - bir nechta ko'rsatmalar oqimi va bitta ma'lumotlar oqimi. Ta'rif, arxitekturada bir xil ma'lumot oqimini qayta ishlaydigan ko'plab protsessorlar mavjudligini taxmin qiladi. Biroq, Flinn ham, boshqa kompyuter arxitektorlari ham ushbu printsip asosida qurilgan haqiqiy hisoblash tizimining ishonchli namunasini taqdim eta olishmadi. Bir qator tadqiqotchilar bunga konveyer mashinalarini bog'lashadi
