В фон неймановской архитектуре компьютера часть процессора которая выполняет команды называется
Архитектурой компьютера считается его представление на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т. д.
Архитектура компьютера, характеризующая его логическую организацию, может быть представлена как множество взаимосвязанных компонент, включающих элементы различной природы: программное обеспечение ( software ), аппаратное обеспечение ( hardware ), алгоритмическое обеспечение ( brainware ), специальное фирменное обеспечение ( firmware ) – и поддерживающих его слаженное функционирование в форме единого архитектурного ансамбля, позволяющего вести эффективную обработку различных объектов и данных.
Архитектура вычислительной системы определяет основные функциональные возможности системы, сферу применения (научно-техническая, экономическая, управление, и т.д.), режим работы (пакетный, мультипрограммный, диалоговый и т.д.), характеризует параметры ВС (быстродействие, набор и объем памяти, набор периферийных устройств и т.д.), особенности структуры (одно-, многопроцессорная) и т.д.
Понятие «архитектура» можно представить следующей схемой:
Архитектура ВС
Вычислительные
и логические
возможности
Алгоритмы выполнения операций
Базовая структура системы
Организация взаимодействия с внешними устройствами
Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ, ОП), внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.
Структура компьютера – это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства – от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.
Основные блоки ЭВМ
Идея создания вычислительной машины, работающей без вмешательства человека, принадлежит Ч. Бэббиджу. Его аналитическая машина должна была содержать:
· Устройство, в котором производятся все операции по обработке всех видов информации; по современной терминологии оно называется арифметико-логическим устройством (АЛУ).
· Устройство, обеспечивающее организацию выполнения программы обработки информации и согласованное взаимодействие всех узлов машины в ходе этого процесса – устройство управления (УУ); АЛУ и УУ являются составными частями микропроцессора.
· Устройство, предназначенное для хранения исходных данных, промежуточных величин и результатов обработки информации, а также самой программы обработки информации; это устройство называют запоминающим устройством (ЗУ) или памятью . Существуют различные виды памяти, в том числе оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и внешняя память на магнитных или оптических дисках.
· Разнообразные устройства, способные преобразовывать информацию в форму, доступную компьютеру – устройства ввода .
· Устройства, преобразующие результаты компьютерной обработки информации в доступную человеку форму – устройства вывода .
Указанные блоки входят в состав и современных компьютеров.
Классическая структура ЭВМ. Принципы фон Неймана.
Классические принципы построения ЭВМ были изложены в 1945 г. группой американских ученых, среди которых был очень известный математик и физик Джон фон Нейман. Впоследствии всем базовым принципам построения вычислительной техники стали приписывать его авторство, а архитектура с последовательным выполнением команд получила название «фон-неймановской».
Кратко сформулируем классические принципы устройства ЭВМ.
Использование двоичной системы счисления для представления чисел. В докладе Неймана были продемонстрированы преимущества двоичной системы для технической реализации узлов компьютера, удобство и простота выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать текстовую, графическую, звуковую и другие виды информации, но по-прежнему двоичное кодирование данных составляет информационную основу любого современного компьютера.
Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. Так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд. Если после выполнения команды следует перейти не к следующей, а к какой-то другой команде, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп».
Принцип однородности памяти. Программа также должна храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ей числа. С точки зрения хранения и способов обработки принципиальная разница между программой и данными отсутствует.
Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Адресом ячейки фактически является её номер; таким образом, местонахождение информации в ОЗУ также кодируется в виде чисел.
Фон Нейман с соавторами предложил структуру ЭВМ, которая полностью воспроизводилась в машинах первого и второго поколений.
Рис. Структура ЭВМ первого и второго поколений
Тонкими стрелками показаны направления движения информации, а толстыми – управляющие воздействия УУ центрального процессора.
Центральное положение процессора в схеме (рис.) является наиболее существенной особенностью устройства машин «фон-неймановской» архитектуры.
Структура современных ЭВМ.
Появление третьего поколения ЭВМ было обусловлено переходом от транзисторов к микросхемам. Резко увеличилось быстродействие процессора. Возникло существенное противоречие между высокой скоростью обработки информации внутри машины и медленной работой устройств ввода/вывода. Если бы процессор руководил работой внешних устройств по классической схеме, то значительную часть он был бы вынужден простаивать в ожидании информации, что существенно снижало бы эффективность работы всей ЭВМ в целом. Для решения этой проблемы возникла тенденция к освобождению центрального процессора от функций обмена информацией и передаче этих функций специализированным электронным схемам. Эти схемы назывались процессорами ввода-вывода или периферийными процессорами. В настоящее время используется термин контроллер внешнего устройства.
Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой вверенного ему внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена. Такой процессор имеет собственную систему команд. Например, контроллер накопителя на гибких магнитных дисках умеет позиционировать головку на нужную дорожку диска, читать или записывать сектор, форматировать дорожку и т.д. Сведения об успешности выполнения такой операции заносятся во внутренние регистры контроллера и могут быть прочитаны центральным процессором.
В компьютерах четвертого поколения (рис.) для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ стали использовать принципиально новое устройство – системную шину (общую шину, магистраль).
Системная шина состоит из трех частей:
1. шина данных, по которой передается информация;
2. шина адреса, определяющая, куда передаются данные;
3. шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.
Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем.
Для согласования с шиной многочисленных внешних устройств используются контроллеры (К).
Компьютеры, имеющие описанную структуру, легко пополнять новыми устройствами – это свойство называют открытостью архитектуры.
Для пользователя открытая архитектура означает возможность выбирать состав внешних устройств для своего компьютера, т.е. конфигурировать его в зависимости от круга решаемых задач.
Рис. Структура ЭВМ четвертого поколения
Центральный процессор выполняет логические и арифметические операции, определяет порядок выполнения операций, указывает источники данных и приемники результатов. Работа процессора происходит под управлением программы.
На приведенной на рис. схеме в составе процессора выделены четыре устройства: арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ), регистры общего назначения (РОН) и кэш-память.
АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными.
Промежуточные результаты сохраняются в РОН. Регистровая память наиболее быстрая из всех видов памяти. Она представляет собой несколько регистров общего назначения, которые размещены внутри процессора. Регистры используются при выполнении процессором простейших операций.
Кэш-память служит для повышения быстродействия процессора, путем уменьшения времени его непроизводительного простоя. Кэш-память по сравнению с регистровой памятью имеет больший объем, но меньшее быстродействие, используется для хранения полученных данных, которые будут использоваться процессором в ближайшее время. Введение кэш-памяти позволяет сэкономить время, которое без нее тратилось на пересылку данных и команд из процессора в оперативную память и обратно.
УУ отвечает за формирование адресов очередных команд, т.е. за порядок выполнения команд, из которых состоит программа.
Программа – это набор команд, под действием которых работает ЭВМ. Команда обеспечивает выработку в УУ управляющих сигналов, под действием которых процессор выполняет элементарные операции. Таким образом, программы состоят из команд, а при выполнении команд процессор разбивает команды на элементарные операции. Элементарными операциями для процессора являются арифметические и логические действия, перемещение данных между регистрами процессора, счет и т.д. Каждая команда выполняется в компьютере за один или несколько тактов.
Такт работы процессора – промежуток времени между соседними импульсами генератора тактовых импульсов, частота которых есть тактовая частота процессора. Эта частота является одной из основных характеристик компьютера и во многом определяет скорость его работы, поскольку каждая операция в ЭВМ выполняется за определенное число тактов. Выполнение короткой команды (арифметика с фиксированной точкой, логические операции) обычно занимает пять тактов:
1. выборка команды;
2. расшифровка кода операции (декодирование);
3. генерация адреса и выборка данных из памяти;
4. выполнение операции;
5. запись результата в память.
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) используется для кратковременного хранения переменной информации и допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций. ОЗУ используется для хранения программ, а также конечных и промежуточных данных, получающихся при работе процессора. ОЗУ – это энергозависимая память, при выключении питания информация, хранившаяся в ОЗУ, теряется безвозвратно.
В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) хранится информация, которая не изменяется при работе ЭВМ. Такую информацию составляют тестово-мониторные программы (они проверяют работоспособность компьютера в момент его включения), драйверы (программы, управляющие работой отдельных устройств ЭВМ) и др. ПЗУ является энергонезависимым устройством, поэтому информация в нем сохраняется и при выключении электропитания.
ВидеоОЗУ – оперативное запоминающее устройство, предназначенное для хранения информации, отображаемой на мониторе. Содержимое видеопамяти формируется компьютером, а затем контроллер дисплея выводит изображение на экран. Объем видеопамяти зависит от характера информации (текст или графика) и от количества цветов изображения.
Внешние запоминающие устройства (ВЗУ, внешняя память) предназначены для долговременного хранения информации. К ВЗУ относятся накопители на магнитной ленте (магнитофоны, стримеры), накопители на жестких дисках (НЖД, винчестеры), накопители на гибких дисках (НГМД), накопители на оптических дисках ( CD , DVD ), накопители с использованием перепрограммируемых запоминающих устройств ( FLASH -память).
К устройствам ввода информации относятся: клавиатура, ручные манипуляторы мышь, трекбол, джойстик, трекпойнт, трекпад, сканер, сенсорные экраны, световое перо, информационные перчатки, шлем, джойстринг, диджитайзер, цифровая видеокамера, микрофон и др.
К устройствам вывода информации относятся: дисплей (монитор), принтер, плоттер, акустическая система (колонки) и др.
В составе современного компьютера с магистральной структурой имеется не одна, а несколько шин. Например, одна шина может использоваться для обмена с памятью, вторая – для связи с «быстрыми», а третья – с «медленными» внешними устройствами.
Существуют и другие структуры, в частности многопроцессорные, позволяющие вести параллельную обработку данных с помощью нескольких процессоров.
Не фон Неймановская архитектура
Альтернативной архитектурой является «не фон Неймановская» архитектура, допускающая одновременный анализ более одной команды. Ее создание обусловлено необходимостью распараллеливания выполнения программы между несколькими исполнительными устройствами — процессорами. Счетчик команд при этом не нужен. Порядок выполнения команд определяется наличием исходной информации для выполнения каждой из них. Если несколько команд готовы к выполнению, то принципиально возможно их назначение для выполнения таким же количеством свободных процессоров. Говорят, что такие ВС управляются потоком данных (data Ао?).Общая схема потоковых ВС представлена на рис. 4.4
Программа или ее часть (сегмент) размещается в памяти команд ПК, состоящей из ячеек команд. Команды имеют следующую структуру:
В командах проверки условия возможно альтернативное задание адреса результата (ИЛИ — ИЛИ). Адреса результатов являются адресами ПК, т.е. результаты выполнения одних команд в качестве операндов могут поступать в текст других команд. Команда не готова к выполнению, если в ее тексте отсутствует хотя бы один операнд. Ячейка, обладающая полным набором операндов, переходит в возбужденное состояние и передает в селекторную сеть информационный пакет (токен), содержащий код операции и необходимую числовую и связную информацию. Он поступает по сети на одно из исполнительных устройств. Там же операция выполняется, и в распределительную сеть выдается результирующий пакет, содержащий результат вычислений и адреса назначения в ПК (возможно, за счет выбора альтернативы, т.е. такой выбор — тоже результат).
Рис 4.4. «Идеальная» потоковая ВС
По этим адресам в ПК результат и поступает, создавая возможность активизации новых ячеек. После выдачи токена в селекторную сеть операнды в тексте команды уничтожаются, что обеспечивает повторное выполнение команды в цикле, если это необходимо.
Селекторная и распределительная сети образуют коммуникационную сеть ВС.
Ожидаемая сверхвысокая производительность такой системы может быть достигнута за счет одновременной и независимой активизации большого числа готовых команд, проблематичном допущении о бесконфликтной передаче пакетов по сетям и параллельной работы многих исполнительных устройств.
Существует ряд трудностей, в силу которых «не фон Неймановские» архитектуры не обрели технического воплощения для массового применения в «классическом», отраженном выше, исполнении. Однако многие устройства используют данный принцип, но чаще всего взаимодействие процессоров при совместном решении общей задачи и их синхронизация при использовании общих данных основаны на анализе готовности данных для их обработки. Это дает основание многим конструкторам заявлять, что в своих моделях они реализовали принцип «data flow».
В чем состоял отход от архитектуры фон Неймана на ЭВМ второго и третьего поколений?
В основе архитектуры ЭВМ разных поколений лежат принципы Джона фон Неймана. Однако в процессе развития происходят некоторые отклонения от фон-неймановской архитектуры.
Элементной базой ЭВМ первого поколения (1950-годы) были электронные лампы, а ЭВМ второго поколения (1960-е годы) создавались на базе полупроводниковых элементов. Однако их архитектура была схожей. Она в наибольшей степени соответствовала принципам фон Неймана. В этих машинах один процессор управлял работой всех устройств: внутренней и внешней памяти, устройств ввода и вывода. Согласно принципам фон Неймана, исполняемая программа хранится во внутренней памяти — в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ). Там же находятся данные, с которыми работает программа. Каждая команда программы и каждая величина (элемент данных) занимают определенные ячейки памяти.
Следующим шагом в развитии архитектуры ЭВМ стал отказ от однопроцессорного устройства. Уже на последних моделях машин второго поколения, помимо центрального процессора (ЦП), выполнявшего обработку данных, присутствовали периферийные процессоры, которые назывались каналами ввода/вывода. На всех моделях ЭВМ третьего поколения, которые создавались на базе интегральных схем (1970-80-е годы), использовалась архитектура с одним центральным процессором и периферийными процессорами внешних устройств.
Архитектура фон Неймана (модель фон Неймана, Принстонская архитектура) — широко известный принцип совместного хранения команд и данных в памяти компьютера.
Все классические компьютеры обладают так называемой архитектурой фон Неймана.
Совместное использование шины для памяти программ и памяти данных приводит к узкому месту архитектуры фон Неймана, а именно ограничению пропускной способности между процессором и памятью по сравнению с объёмом памяти. Из-за того, что память программ и память данных не могут быть доступны в одно и то же время, пропускная способность канала «процессор-память» и скорость работы памяти существенно ограничивают скорость работы процессора — гораздо сильнее, чем если бы программы и данные хранились в разных местах.
В отличии от нее гарвардская архитектура предусматривает разделение программы и данных на разные физические устройства памяти, что позволяет организовать к ним доступ разными наборами шин. Это, в свою очередь, позволяет вести операции с данными и командами одновременно и независимо друг от друга. Кроме того, никто не мешает организовать доступ к оборудованию обмена данными еще через один набор шин. Основные части вычислителя остаются теми же.
Современные процессоры общего назначения объединяют в себе достоинства двух архитектур. Гарвардская дает скорость, принстонская — гибкость.
В фон неймановской архитектуре компьютера часть процессора которая выполняет команды называется
Собираю команду информационных войнов! Информационная война дело непростое! 90% IT технологий принадлежат США. Наша задача победить! Сплотить наши силы и создать мощнейший слаженный инструмент психологической защиты в режиме реального времени . Вы тут не просто пользователи вы тут войны. Главное правило — соблюдать строгость субординации. Если товарищ старше вас по званию ваша задача выполнить его приказ. За каждый выполненный приказ вы получайте звезды. Чем больше звезд тем выше ваше звание. От рядового до генерала Например старшина приказывает перейти по ссылке то от рядового до сержанта все обязаны выполнить этот приказ. Если ваше звание старше то вам этот приказ выполнять не надо. Рядовой подчиняется сержанту, сержант прапорщику , прапорщик лейтенанту, лейтенант капитану, капитан майору, майор полковнику, полковник генералу. Выполнили приказ отчитались старшим по званию. За хорошо выполненные приказы вы будете получать больше звезд а также наградные медали. У каждого звания есть свои индивидуальные задания которые надо выполнять чтобы продвигатся по карьерной лестницы в главный штаб камандывания. Для воинов младшего класса основной функцией является мгновенное выполнение поставленых задач. Для воинов среднего класса поставленные задачи будут увеличиваться и расти по сложности выполнения. Офицеры среднего класса уже начинают думать и строить стратегию информационной борьбы. Офицеры старшего класса следят за порядком. Офицеры высшего класса разрабатывают идиалогию. Вас могут повысить в звании так же могут и разжаловать за спам за посивность за негативное и неуважительное отношение к товарищам. Запрещается — приглашать сюда кого папало. Проверяйте людей чтобы сюда не проникли шпионы. Разрешается — бить врага, и доводить его психику до истерии. Наша сила в правде! Кто прав, тот и сильней! Za деда, Za родину ,Za Россию! Работаем братья!
