Kakvo je načelo von Neumannove arhitekture? Kako von Neumannov stroj radi?

Danas je teško vjerovati, ali računala, bez kojih mnogi više ne mogu zamisliti svoje živote, pojavili su se tek prije nekih 70 godina. Jedan od onih koji su odlučujući doprinos njihovom stvaranju bio je američki znanstvenik John von Neumann. Predložio je načela na kojima većina računala i danas rade. Razmotrite kako von Neumann stroj radi.

Kratka biografska bilješka

Janos Neiman rođen je 1930. u Budimpešti, u vrlo bogatoj židovskoj obitelji, koja je kasnije uspjela dobiti titulu plemića. Od djetinjstva bio je prepoznatljiv po svojim izvanrednim sposobnostima na svim poljima. U dobi od 23 godine, Neiman je već obranio doktorsku disertaciju u eksperimentalnoj fizici i kemiji. Godine 1930., Mlada je znanstvenica pozvana da radi u Sjedinjenim Državama, u Zagrebu Sveučilište Princeton. Istovremeno, Neiman je postao jedan od prvih zaposlenika Instituta za napredne studije, gdje je radio kao profesor do kraja svog života. Neumannovi znanstveni interesi bili su vrlo opsežni. Konkretno, on je jedan od stvoritelja matematike kvantne mehanike i koncepta staničnih automata.

Doprinos informatici

Prije nego saznamo koji se princip ne podudara s von Neumannovom arhitekturom, bit će zanimljivo naučiti kako je znanstvenik došao do ideje stvaranja modernog računala.

Budući da je stručnjak u području matematike eksplozija i udarnih valova, početkom 1940-ih von Neumann bio je znanstveni savjetnik u jednom od laboratorija Ureda za vojnu armiju Sjedinjenih Država. U jesen 1943. stigao je u Los Alamos da sudjeluje u razvoju projekta Manhattan na osobnom pozivu svog vođe Robert Oppenheimer. Pred njim je bio zadatak izračunavanja sile implozijske kompresije naboja atomske bombe na kritičnu masu. Da bi se to riješilo, potrebne su velike izračune, koje su se prvo provodile na kalkulatore na ruku, a kasnije i mehaničkim tabulatorima IBM-a, koristeći kartice za bušenje.

Von Neumann Upoznala sam se s informacijama o napretku stvaranja elektronički-mehaničkih i potpuno elektroničkih računala. Uskoro je privukla razvoju EDVAC i ENIAC računala, što je rezultiralo u radu je počeo pisati „Prvi nacrt izvještaja o EDVAC», ostala nedovršena, u kojoj je predstavljen znanstvene zajednice posve novu ideju, što bi trebalo biti računalo arhitekture.

Von Neumannova načela

Informatika kao znanost do 1945. došla je na mrtvu točku, jer sve računala pohranjuju u njihovu memoriju obrađeni brojevi u 10. obliku, a programi za izvođenje operacija postavljeni su instaliranjem skakača na ploču s oznakom.

To je uvelike ograničilo mogućnosti računala. Pravi proboj postao je načelo von Neumann. Ukratko, oni se mogu izraziti u jednoj rečenici: prijelaz na sustav binarnog broja i princip pohranjenog programa.

analiza

Razmislimo o načelima klasične strukture von Neumann stroja:

1. Prijelaz na binarni sustav iz decimalnog

Ovo načelo Neumannove arhitekture omogućuje nam da koristimo prilično jednostavne logičke uređaje.

2. Upravljanje softverom elektroničkog računala

Rad računala reguliran je skupom uputa izvršenih sukcesivno jedna za drugom. Razvoj prvih strojeva s programom koji je pohranjen u memoriji postavio je temelje modernom programiranju.

3. Podaci i programi u memoriji računala spremaju se zajedno.

U tom slučaju, i podaci i programske naredbe imaju isti način pisanja u binarnom sustavu, tako da je u određenim situacijama moguće izvršiti iste akcije kao gore na podacima.

istraga

Osim toga, arhitektura Fonnemann stroja ima sljedeće značajke:

1. Memorijske ćelije imaju adrese koje su označene redoslijedom

Zahvaljujući primjeni ovog načela, postalo je moguće koristiti varijable u programiranju. Konkretno, u bilo kojem trenutku možete se uputiti na određeno mjesto na svojoj adresi.

2. mogućnost uvjetnog prijenosa tijekom izvršenja programa

Kao što je već spomenuto, naredbe u programima moraju biti izvršene uzastopce. Međutim, postoji prilika za prijelaz na bilo koji odjeljak koda.

Kako von Neumann radi

Takav matematički model sastoji se od memorije (memorije), aritmetičke logičke jedinice (ALU), upravljačkog uređaja, kao i ulaznih i izlaznih uređaja. Sve upute programa zapisuju se u memorijskim ćelijama koje se nalaze u susjedstvu, a podaci za njihovu obradu su u proizvoljnim ćelijama.

Svaki tim treba biti:

• Navedite koju operaciju treba izvršiti;
• adrese memorijskih ćelija u kojima su pohranjeni izvorni podaci zahvaćeni navedenom operacijom;
• adrese ćelija na koje treba napisati rezultat.

Te naredbe posebne operacije na ALU ulaznih podataka izvršena, a rezultati su zapisane u memorijskim stanicama, tj. E. Pohranjeno u obliku prikladnom za daljnju obradu stroj ili prenosi na izlazni uređaj (monitor, pisač, itd), a na raspolaganju čovjeku.

CU upravlja svim dijelovima računala. Od nje do drugih uređaja prima signale - nalaže "što učiniti", a s drugih uređaja prima informacije o tome u kojoj su državi.

Upravljački uređaj ima poseban registar zvan "naredbeni brojač" SC-a. Nakon učitavanja izvornih podataka i programa u memoriju, SC bilježi adresu svoje 1. naredbe. UU čita sadržaj ćelije iz memorije računala, njezina adresa nalazi se u SC i stavlja je u "Zapisnički zapisnik". Upravljački uređaj određuje rad koji odgovara određenoj naredbi, a "oznake" u memoriji računala čije su adrese navedene u njemu. Nadalje, ALU ili računalni hardver nastavljaju s operacijom, nakon čega se sadržaj SC izmjenjuje u jednu, tj. Označava sljedeću naredbu.

kritika

Nedostaci i moderne perspektive von Neumannove arhitekture i dalje su predmet rasprava. Činjenica da su strojevi stvoreni na principima koje je razvio ovaj izvanredni znanstvenik nisu savršeni, primijećeno je vrlo davno.

Stoga, na ispitu ulaznica na računalnu znanost često se može naći pitanje "što princip von Neumannove arhitekture ne odgovara i kakve nedostatke ima".

Pri odgovoru na svoj drugi dio, potrebno je naznačiti:

• zbog prisutnosti semantičkog jaza između visokih programskih jezika i zapovjednog sustava;
• o problemu usklađivanja OP-a i širine pojasa procesora;
• o novoj softverskoj krizi, uzrokovanih činjenicom da je trošak njegovog stvaranja znatno niži od troškova razvoja hardvera i nema mogućnosti potpunog testiranja programa;
• nedostatak izgleda u smislu brzine, budući da je njezino teoretsko ograničenje već postignuto.

S obzirom na to koji se princip ne podudara s von Neumannovom arhitekturom, riječ je o paralelnoj organizaciji velikog broja tokova podataka i naredbi inherentnih u multiprocesorskoj arhitekturi.

zaključak

Sada znate što ne odgovara von Neumann arhitekturi. Očigledno, znanost i tehnologija ne stoje mirno, a možda i vrlo brzo će se u svakoj kući pojaviti računala potpuno novog tipa, zahvaljujući kojima će čovječanstvo doseći novu razinu svog razvoja. Usput, simulator program "Von Neumann Architecture" pomoći će pripremiti za ispit. Takvi digitalni obrazovni resursi olakšavaju učenje materijala i pružaju priliku za vrednovanje vašeg znanja.