Структура ЭВМ (по фон Нейману)

Структура ЭВМ (по фон Нейману)

 

Алгоритм – это конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством конечного количества операций. В памяти ЭВМ он хранится в виде двоичных кодов команд.

Программа – описание алгоритма в форме, воспринимаемой ЭВМ. Программа состоит из отдельных команд. Каждая команда предписывает определенное действие и указывает, над какими данными (операндами) !!!

 

Принцип действия ЭВМ

 

Перед началом решения задачи в ЗУ (запоминающее устройство)  через УВВ записываются в кодированном виде программа и подлежащие обработке данные. В ходе вычислительного процесса при выполнении очередной команды из ЗУ считывается эта команда.

По адресной части команды определяется местонахождение обрабатываемых данных, они извлекаются из ЗУ, процессор выполняет над ними указанную в коде команда операцию и записывает результат на хранение в ЗУ. Затем определяется местонахождение следующей команды программы и снова повторяется аналогичный цикл.

 

Устройство ввода (Увв)

Перед началом решения задачи программа и исходные данные, подлежащие обработке, через устройство ввода – в автоматическом режиме или с пульта управления (ПУ) – в ручном режиме вводятся в память ВМ.

Память

Введенная информация сначала запоминается в основной (оперативной) памяти (ОП), а затем переносится на вторичную (внешнюю) память, для длительного хранения.

ОП предназначена для хранения алгоритма обработки данных (программ) и самих данных. Она состоит из набора ячеек памяти, каждая из которых используется для запоминания одного n-разрядного двоичного числа.

Запись и чтение данных осуществляется только при указании места их хранения. Для долговременного хранения больших программ и массивов данных в ВМ обычно имеется дополнительная память, которая называется вторичной и является энергонезависимой.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ)

Выполняет арифметические и логические операции над поступающими в него двоичными кодами команд и данных. Каждый процессор выполняет ограниченный набор команд, образующий систему команд ЭВМ. Помимо результата операции АЛУ формирует ряд признаков результата (флагов), которые характеризуют полученный результат (равенство нулю, знак, четность, переполнение И так далее).

Устройство управления (УУ)

Предназначено для автоматического управления всеми устройствами ЭВМ в соответствии с кодом операции посредством своевременной выдачи на них управляющих сигналов.

УУ предписывает АЛУ в какой последовательности следует выполнять конкретную операцию, откуда брать исходную информацию и куда направлять результат под воздействием поступающих данных.

Устройство вывода (УВыв)

Результаты решения задач выводятся из ЭВМ с помощью устройство вывода.

Обмен информацией (данными, командами, управляющими сигналами) между устройствами ЭВМ осуществляется с помощью устройства обмена (УО). Для связи с ним каждое устройство имеет специальную схему сопряжения – контроллер (К).

Центральный процессор (ЦП)

АЛУ, УУ и СОЗУ образуют центральный процессор.

Центральный процессор и основная память образуют ядро ЭВМ.

Для устройств, не входящих в состав ядра, вводится понятие «внешние устройства».

Признаки архитектуры фон Неймана:

· Ядро ЭВМ образуют процессор и память, причем процессор является единственным вычислительным устройством в ее структуре, а в памяти хранятся как данные, так и команды без каких-либо различий между ними в режиме и способе доступа

· Все команды выполняются последовательно друг за другом и процессом их выполнения управляет одно устройство управления.

 

«Недостатки» архитектуры фон Неймана:

· Последовательное выполнение команд

· Хранение данных и программы в одном ОЗУ

· Один канал связи

 

Пути развития архитектуры фон Неймана:

· Совершенствование СБИС-технологий

· Развитие программного обеспечения

· Поиск новых архитектурных решений

 

Закон Мура:

Эмпирическое наблюдение, сделанное в 1965 году (через шесть лет после изобретения интегральной схемы), в процессе подготовки выступления Гордоном Муром (одним из основателей Intel).

Мур высказал предложение, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 24 месяца.

 

Усовершенствование ПО:

· Языки программирования ВУ

· Компиляторы

· Библиотеки подпрограмм

· Параллельные языки программирования

 

Архитектурные усовершенствования:

Оптимизация подсистемы памяти:

· Контроллер памяти

· Высокоскоростная шина

· Кэш и иерархия памяти

· Аппаратная предвыборка данных и команд

Оптимизация выполнения команд:

· Конвейеризация

· Упрощение набора команд

· Истинный параллелизм:

o Данные

o Инструкции

o Потоки

o Программы

 

Основные характеристики ЭВМ

· Быстродействие (измеряется в мегафлопсах) – количество элементарных операций, выполняемых в единицу времени. В качестве таких операций  рассматривают короткие (требующие минимального времени) операции типа сложения. Единица измерения – миллион операций с плавающей точкой в секунду (Million Floating Point Operations Per Second – MFLOPS).

· Производительность

· Емкость запоминающих устройств

· Надежность

· Разрядность

· Стоимость

 

 

1947 г. – Шокли и другие изобрели транзистор.

В 1956 г. Шокли, Бардин и Браттейн были удостоены Нобелевской премии по физии «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта».