Структура фон-неймановской архитектуры вычислительной машины

Фон Нейман первым пришел к мысли о необходимости представления программы в памяти компьютера в цифровой форме вместе с данными (т.е. машины с программой в памяти). Он предложил отказаться от десятичной арифметики и заменить её бинарной, определил основные устройства вычислительной машины, определил принципы построения ВМ. Большинство современных ВМ по своей структуре соответствует принципу программного управления. Типичная фон-неймановская ВМ (рис. 1.7) содержит: память, устройство управления, арифметико-логическое устройство и устройство ввода/вывода.

 

		Рис. 1.7. Структура фон – неймановской вычислительной машины

 

Информация поступает из подсоединённых к ВМ периферийных устройств (ПУ) ввода, запоминается в основной памяти, при необходимости переносится во вторичную память для длительного хранения. Команды и данные должны находится в основной памяти, так как центральный процессор по своим техническим характеристикам (в частности из-за высокого быстродействия) не может взаимодействовать с другими видами памяти кроме основной. Доступ к любым ячейкам запоминающего устройства основной памяти производится в произвольной последовательности, т.е. процессору в любой момент доступно содержимое любой ячейки памяти. Такой вид памяти называется памятью с произвольным доступом.

Основная память делится на:

· оперативную память, хранящую слова, используемые в вычислительном процессе. Она в основном состоит из полупроводниковых запоминающих устройств, работающих по чтению и записи, является энергозависимой, т.е. хранимая информация теряется при отключении электроэнергии;

· постоянную память, ячейки которой содержат информацию, предназначенную только для чтения и которая, как правило, не может быть изменена (перезаписана). Используется для энергонезависимого хранения информации такой как BIOS, таблица знакогенератора, информации о конфигурации ВМ и т.п.

Результаты вычислений процесса выводятся на периферийные устройства вывода. Связь и взаимодействие ВМ и ПУ обеспечивают порты ввода/вывода. Для долговременного хранения программ и массивов данных используется дополнительная вторичная память. Вторичная память реализована в виде накопителя на различных носителях, чаще всего на магнитных дисках. Эта память энергонезависима, отличается большим объемом и большим временем доступа. Информация в ней хранится в виде файлов.

Устройство управления (УУ) организует автоматическое выполнение программ путем реализации функций управления, что обеспечивает функционирование ВМ как единой системе. Пересылка информации между любыми элементами, структурами инициируется сигналами управления, которые формируются устройством управления. Сигнала управления используются для синхронизации и координации работы узлов и систем как самой ВМ, так и подключаемых периферийных устройств.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметическую и/или логическую обработку входных переменных, в результате которой формируется выходная переменная. Помимо результата операции АЛУ формирует ряд признаков результата (флагов), характеризующих полученный результат и события, произошедшие в ходе его получения (знак результата, равенство нулю, четность, перенос, переполнение и т.д.). Флаги используются устройством управления для анализа хода выполнения программы и изменения, при необходимости, естественной последовательности выполнения команд.

Устройство управления и АЛУ совместно образуют структуру, называемую центральным процессором (ЦП). В состав ЦП входит также набор регистров общего назначения (РОН), используемых для промежуточного хранения информации в процессе её обработки.