Тема 2. Поняття архітектури комп’ютера Лекція № 7-8

Фон-Нейманівська архітектура. Алгоритмічна універсальність.

Шинна архітектура. Набір мікросхем chipset . Шини даних і адреси.

3.1. Фон-Нейманівська архітектура

Під архітектурою комп’ютера розуміється особливості його логічної структури, які впливають на проходження програм. Це поняття охоплює формати команд, форми зображення даних, методи адресації, управління операціями введення-виведення, структуру пам'яті, інтерфейси всіх рівнів, реалізацію зовнішніх пристроїв та ін. В той же час такі характеристики ЕОМ, як швидкодія, надійність, елементна база, енергоспоживання та подібні, не розглядаються як складові архітектури.

В основу більшості сучасних комп’ютерів покладено принципи, які в 1946 році були сформовані Джоном фон Нейманом і його колегами і знайшли розповсюдження в літературі під терміном „фон-нейманівської архітектури”.

Основні принципи архітектури фон Неймана такі:

• використання двійкової системи для кодування інформації в комп’ютері

• збереження програм і даних в загальній пам'яті комп’ютера

• адресація пам'яті

• програмне керування роботою комп’ютера

• послідовне виконання команд програми з реалізацією умовних периходів

В 1946 году трое учёных — Артур Бёркс , Герман Голдстайн и Джон фон Нейман — опубликовали статью «Предварительное рассмотрение логического конструирования электронного вычислительного устройства» . В статье обосновывалось использование двоичной системы для представления данных в ЭВМ (преимущественно для технической реализации, простота выполнения арифметических и логических операций — до этого машины хранили данные в десятичном виде), выдвигалась идея использования общей памяти для программы и данных. Имя фон Неймана было достаточно широко известно в науке того времени, что отодвинуло на второй план его соавторов, и данные идеи получили название «принципы фон Неймана».

1. Принцип двоичности.

Для представления данных и команд используется двоичная система счисления.

2. Принцип программного управления.

Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определённой последовательности.

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. . Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды “стоп”. Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека

Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода, — тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды останова или переключение в режим обработки прерывания.

.

3. Принцип однородности памяти.

Как программы (команды), так и данные хранятся в одной и той же памяти (и кодируются в одной и той же системе счисления — чаще всего двоичной). Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм).

4. Принцип адресуемости памяти.

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

5. Принцип последовательного программного управления.

Все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения другой.

6. Принцип условного перехода.

Kоманды из программы не всегда выполняются одна за другой. Возможно присутствие в программе команд условного перехода, которые изменяют последовательность выполнения команд в зависимости от значений данных. (Сам принцип был сформулирован задолго до фон Неймана Адой Лавлейс и Чарльзом Бэббиджем, однако он логически включен в фоннеймановский набор как дополняющий предыдущий принцип.

Архітектура комп’ютера фон Неймана

Всі операції в комп’ютері виконуються за певними алгоритмами, які реалізовані у вигляді програм.

Алгоритм – це формалізована методика, визначаюча порядок виконання дій над даними з метою одержання бажаючого результату.

Алгоритм розрахований на формального виконавця, з погляду якого вказівки мають бути елементарними, тобто такими, що можуть бути виконані безпосередньо, без додаткового тлумачення.

Алгоритм має задовольняти певним вимогам, серед яких потрібно виділити найважливіші:

• визначеність – кожен крок алгоритму має інтерпретуватись однозначно

• результативність – за скінчену кількість кроків алгоритм має приводити до розв’язання задачі або зупинятись через неможливість її розв’язання

• дискретність – дії алгоритму виконатись по крокам

• масовість – алгоритм повинен спрацьовувати з будь-якими даними з області застосування алгоритму

Існує декілька способів запису алгоритмів: словесний, алгоритмічна мова, набір формул, графічний у вигляді блок-схем та ін.

Приклад.

Дана послідовність с n чисел х₁, х₂, ..., х_і, ..., x_n. Необхідно знайти суму додатних та від’ємних чисел.

Позначимо Р – сума додатних, а N – сума від'ємних чисел, і – індекс. Введемо оператор надання ( := ), з допомогою якого змінній величині надається значення, яке стоїть після цього оператора. Числами з дужкою будемо позначати кроки алгоритму.

Тоді алгоритм вирішення даної задачі запишуться в такій формі:

1. P_i := 0, N_i := 0

2. i := 1

3. якщо x_i ≥ 0, то перейти до 4), інакше перейти до 6)

4. P_i := P_i + x_i

5. Перейти до 7)

6. N_i = N_i + x_i

7. якщо i < n, то перейти до 8), інакше перейти до10)

8. i := i + 1

9. перейти до 3)

10. кінець

Той же самий алгоритм у графічному зображені, Рис.3.1.

Рис.3.1