Архитектура фон Неймана
Архитектура фон Неймана (англ. von Neumann architecture) — широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана», однако, соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.
Наличие заданного набора исполняемых команд и программ было характерной чертой первых компьютерных систем. Сегодня подобный дизайн применяют с целью упрощения конструкции вычислительного устройства. Так, настольные калькуляторы, в принципе, являются устройствами с фиксированным набором выполняемых программ. Их можно использовать для математических расчётов, но невозможно применить для обработки текста и компьютерных игр, для просмотра графических изображений или видео. Изменение встроенной программы для такого рода устройств требует практически полной их переделки, и в большинстве случаев невозможно. Впрочем, перепрограммирование ранних компьютерных систем всё-таки выполнялось, однако требовало огромного объёма ручной работы по подготовке новой документации, перекоммутации и перестройки блоков и устройств и т. п. Всё изменила идея хранения компьютерных программ в общей памяти. Ко времени её появления использование архитектур, основанных на наборах исполняемых инструкций, и представление вычислительного процесса как процесса выполнения инструкций, записанных в программе, чрезвычайно увеличило гибкость вычислительных систем в плане обработки данных. Один и тот же подход к рассмотрению данных и инструкций сделал лёгкой задачу изменения самих программ.
В настоящее время фон-неймановской архитектурой называется организация ЭВМ, при которой вычислительная машина состоит из двух основных частей — линейно-адресуемой памяти, слова которой хранят команды и элементы данных, и процессора, выполняющего эти команды. В основе модели вычислений фон Неймана лежат принцип последовательной передачи управления (счётчик команд) и концепция переменной (идентификатор).
05.2022
Ежегодный Форум «XI Telecom & Finance LOYALTY FORUM 2022»
Читать далее
происхождения
Работа, проделанная в Гарвардском университете в 1940-х годах под руководством Говарда Эйкена, позволила создать оригинальный релейный компьютер, названный Harvard Mark I, что является термином, из которого возникла концепция архитектуры Гарварда.
Этот компьютер использовал отдельные блоки памяти для хранения данных и инструкций. Затем произошли значительные изменения в этой архитектуре.
Айкен поощрял использование отдельной памяти для данных и программных инструкций, с отдельными шинами для каждой.
Первоначальная архитектура Гарварда обычно хранила инструкции на перфолентах и данные на электромеханических счетчиках.
Хранение данных на этих ранних машинах полностью находилось в центральном процессоре. С другой стороны, они не давали доступа к хранению инструкций в виде данных. Оператор должен был загрузить программы.
Гарвардская архитектура может обрабатывать данные и выполнять инструкции одновременно, поскольку каждая из них имеет собственную адресную шину.
Почему он используется в CPU и GPU?
Основная причина заключается в том, что увеличение количества шин означает увеличение периметра самого процессора, так как для связи с внешней памятью необходимо, чтобы интерфейс находился снаружи от нее. Это приводит к созданию гораздо более крупных и дорогих процессоров. Итак, главная причина стандартизации архитектуры фон Неймана — это стоимость.
Вторая причина заключается в том, что две ячейки памяти необходимо синхронизировать, чтобы инструкция не применялась к ошибочным данным. Это приводит к необходимости создания систем координации между обеими ячейками памяти. Конечно, значительную часть узких мест можно было бы устранить, разделив оба автобуса. Но это не уменьшило бы полностью узкое место фон Неймана.
Это связано с тем, что узкое место фон Неймана, несмотря на то, что оно является следствием хранения данных и инструкций в одной и той же памяти, также может возникать в архитектуре Гарварда, если оно недостаточно быстрое для питания процессора. Вот почему архитектуры Гарварда были сокращены особенно до микроконтроллеров и DSP. В то время как фон Нейман часто встречается на процессорах и GPU / ГРАФИЧЕСКИЙ ПРОЦЕССОР
Разработка концепции хранимой в памяти программы
Математик Алан Тьюринг, который испытывал интерес к проблеме математической логики после лекции Макса Ньюмана в Кембриджском университете, написал статью в 1936 году, она была опубликована в издании Лондонского математического общества. В ней он описал гипотетическую машину, которую назвал «универсальной вычислительной машиной», и которая теперь известна как универсальная машина Тьюринга. Она имела бесконечное хранилище (в современной терминологии — память), которое содержало как инструкции, так и данные, для чего и создавалась данная архитектура. Фон Нейман познакомился с Тьюрингом в то время, когда он был приглашенным профессором в Кембридже в 1935 году, а также в ходе защиты докторской диссертации Тьюринга в Институте перспективных исследований в Принстоне (штат Нью-Джерси) в 1936-1937 годах.
Независимо друг от друга Джи Преспер Эккерт и Джон Мочли, которые разрабатывали ENIAC в школе электротехники в Университете штата Пенсильвания, писали о концепции машины, хранящей программу в памяти в декабре 1943 года. При планировании новой машины, EDVAC, Эккерт писал в январе 1944 года, что она будут хранить данные и программы в новом устройстве с адресацией памяти с помощью задержки металлической ртути. Это был первый раз, когда было предложено строительство на практике машины, хранящей программу в памяти. В то же время он и Мочли не были осведомлены о работе Тьюринга (фото ниже).
Гибридные модификации с архитектурой фон Неймана
Существуют гибридные архитектуры, сочетающие достоинства как Гарвардской так и фон Неймановской архитектур. Современные CISC-процессоры обладают раздельной кэш-памятью 1-го уровня для инструкций и данных, что позволяет им за один рабочий такт получать одновременно и команду, и данные для её выполнения. То есть процессорное ядро, формально, является гарвардским, но программно оно фон Неймановское, что упрощает написание программ. Обычно в данных процессорах одна шина используется и для передачи команд, и для передачи данных, что упрощает конструкцию системы. Современные варианты таких процессоров могут иногда содержать встроенные контроллеры сразу нескольких разнотипных шин для работы с различными типами памяти — например, DDR RAM и Flash. Тем не менее, и в этом случае шины, как правило, используются и для передачи команд, и для передачи данных без разделения, что делает данные процессоры ещё более близкими к фон Неймановской архитектуре при сохранении плюсов Гарвардской архитектуры.
Первым компьютером, в котором была использована идея гарвардской архитектуры, был Марк I. Гарвардская архитектура используется в ПЛК и микроконтроллерах, таких, как Microchip PIC, Atmel AVR, Intel 4004, Intel 8051.
Основные характеристики компьютера
Производительность (быстродействие) компьютера– возможность компьютера обрабатывать большие объемы информации. Определяется быстродействием процессора, объемом ОП и скоростью доступа к ней (например, Pentium III обрабатывает информацию со скоростью в сотни миллионов операций в секунду)
Производительность (быстродействие) процессора – количество элементарных операций выполняемых за 1 секунду.
Тактовая частота процессора (частота синхронизации) — число тактов процессора в секунду, а такт – промежуток времени (микросекунды) за который выполняется элементарная операция (например сложение). Таким образом Тактовая частота — это число вырабатываемых за секунду импульсов, синхронизирующих работу узлов компьютера. Именно ТЧ определяет быстродействие компьютера
Задается ТЧ специальной микросхемой «генератор тактовой частота», который вырабатывает периодические импульсы. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Частота в 1Мгц = 1миллиону тактов в 1 секунду. Превышение порога тактовой частоты приводит к возникновению ошибок процессора и др. устройств. Поэтому существуют фиксированные величины тактовых частот для каждого типа процессоров, например: 2,8 ; 3,0 Ггц и тд
Разрядность процессора – max длина (кол-во разрядов) двоичного кода, который может обрабатываться и передаваться процессором целиком.
Разрядность связана с размером специальных ячеек памяти – регистрами. Регистр в 1байт (8бит) называют восьмиразрядным, в 2байта – 16-разрядным и тд. Высокопроизводительные компьютеры имеют 8-байтовые регистры (64разряда)
Количество и объемы кешей процессора — это внутренняя память процессора, которая ускоряет процесс обработки часто выполняемых операций для ПК. Есть 3 уровня, которые различают по объему памяти на ядро :
- 1L — самый быстрый и самый маленький объем кэша (до 128 Кб).
- 2L — более медленный, но с большим объемом (256 Кб — 1 Мб)
- 3L — еще больше (2-8 Мб) и более.
Кэш-память значительно быстрее оперативной .
Количесво ядер процессора процессоры с количеством ядер от 2 до 8 и больше. Наличие нескольких ядер — не единственное, от чего зависит работа ПК. Важно и количество потоко
Время доступа — Быстродействие модулей оперативно , это период времени, необходимый для считывание min порции информации из ячеек памяти или записи в память. Современные модули обладают скоростью доступа свыше 10нс (1нс=10-9с)
Объем памяти (емкость) – max объем информации, который может храниться в ней.
Плотность записи – объем информации, записанной на единице длины дорожки (бит/мм)
Скорость обмена информации – скорость записи/считывания на носитель, которая определяется скоростью вращения и перемещения этого носителя в устройстве.
Оперативная (внутренняя) память. RAM Оперативная память представляет собой множество ячеек, причем каждая ячейка имеет свой уникальный двоичный адрес. Каждая ячейка памяти имеет объем 1 байт.
В персональных компьютерах величина адресного пространства процессора и величина фактически установленной оперативной памяти практически всегда различаются.
Оперативная память аппаратно реализуется в виде модулей памяти различных типов (SIMM, DIMM) и разного объема (от 1 до 256 Мбайт). Модули различаются по своим геометрическим размерам: устаревшие модули SIMM имеют 30 или 72 контакта, а современные модули DIMM — 168 контактов.
Долговременная (постоянная) память ROM. В качестве внешней памяти используются носители информации различной информационной емкости:
- жесткие диски винчестеры HDD (до несколтких террабайт) кроме объема — важные характесистики скорость чтения, записси. поиска информации, скорость вращения шпиндельного двигателя, время наработки на отказ,
- жесткие твердотелые диски SSD (до несколтких гигабайт), основные харакретискитикроме оюема общее количество зависанных байт до откаа, бщее количество перезаписей, наработка на отказ
- флеш память (до некольких гигабайт) — скорость чтени и записи, колво циклов перезаписи
- оптические диски CD-ROM (650 Мбайт) и DVD (до 10 Гбайт) BlueRay . в настоящее время не используются
- гибкие диски (1,44 Мбайт), в настоящее время не используются
Частота системно шины Front Side Bus (FSB, системная шина) — шина, обеспечивающая соединение между x86/x86-64-совместимым центральным процессором и внутренними устройствами.
Как правило, современный персональный компьютер на базе x86- и x64-совместимого микропроцессора устроен следующим образом:
- Микропроцессор через FSB подключается к системному контроллеру, который обычно называют «северным мостом», (англ. Northbridge).
- Системный контроллер имеет в своем составе контроллер ОЗУ (в некоторых современных персональных компьютерах контроллер ОЗУ встроен в микропроцессор), а также контроллеры шин, к которым подключаются периферийные устройства.
Поскольку процессор работает с памятью через FSB, то производительность FSB является одним из важнейших параметров такой системы.
жесткие диски (до несколтких террабайт),
03.2020
Бэкап: облака или софт?
Читать далее
Считаем эффективность ИТ-проектов
Читать далее
Чат-бот CallShark не требует зарплаты, а работает круглосуточно
Читать далее
Развитие созданных моделей
IBM SSEC имел возможность рассматривать инструкции как данные и был публично продемонстрирован 27 января 1948 года. Эта способность утверждалась в патенте США. Однако это была частично электромеханическая машина, а не полностью электронная. На практике инструкции были прочитаны с бумажной ленты из-за его ограниченной памяти.
Baby был первым полностью электронным компьютером для запуска сохраненных программ. Он запускал программу факторинга в течение 52 минут 21 июня 1948 года после запуска простого вычисления деления и расчета, который показывает, что два числа являются взаимно простыми.
ENIAC был изменен, чтобы работать в качестве примитивной ЭВМ только для чтения, но по той же архитектуре, и был продемонстрирован 16 сентября 1948 года, а запуск программы Адель Гольдштейн организовала с помощью фон Неймана.
BINAC провел несколько тестовых программ в феврале, марте и апреле 1949 года, хотя и не был завершен до сентября 1949 года. Кроме того, осуществлялись тестовые запуски (некоторые успешные) других электронно-вычислительных машин, для которых свойственна данная архитектура. Фон Нейман, к слову, продолжал работу и над проектом «Манхеттен». Вот такой универсальный человек.
