Принципи побудови і функціонування ПК. Архітектура фон Ноймана.

Принципи побудови і функціонування цифрового комп'ютера, сформульовані Дж. фон Нейманом у 1945-46 рр., надовго визначили магістральний шлях розвитку комп'ютерної техніки. Базові принципи зберігають актуальність і сьогодні. У 50-х - 60-х роках ХХ століття стало ясно, що класична фон-нейманівська архітектура має багато "вузьких місць". Стали говорити про необхідність її модифікації, а також про необхідність відходу від неї. З'явився новий термін - ненейманівська машина, тобто машина, побудована за принципами, відмінними від фон-нейманівських.

 

Принцип функціонування

Після завантаження програми (алгоритму й даних для обробки) в запам'ятовуючий пристрій, машина фон-Неймана може працювати автоматично, без втручання оператора. Кожна комірка пам'яті машини має унікальний номер - адресу, а спеціальний механізм, частіше всього - лічильник команд - забезпечує автоматичне виконання необхідної послідовності команд, і визначає на кожному етапі адресу комірки, з якої необхідно завантажити наступну команду.

Перед початком виконання програми в лічильник записується адреса її першої команди. Визначення адреси наступної команди відбувається за одним з наступних сценаріїв:

1.Якщо поточна команда не є командою передачі управління (тобто це просто арифметична або логічна операція над даними), то до поточного значення лічильника додається число, яке дорівнює довжині поточної команди в мінімально адресованих одиницях інформації (зрозуміло, що це можливо за умови, якщо звичайні команди в блоках, не розділених командами передачі управління, розташовуються послідовно в пам'яті, інакше адреса наступної команди може зберігатись, наприклад, безпосередньо в команді)

2.Якщо поточна команда - команда передачі управління (команда умовного або безумовного переходу), яка змінює послідовний хід виконання програми, то в лічильник примусово записується адреса тої команди, яка була замовлена при виконанні переходу, де б вона не знаходилась.

 

 

Кардинальний відхід від фон-нейманівської архітектури пов'язується з появою багатопроцесорних машин, здатних здійснювати паралельні обчислення. Нові архітектури вимагали розробки спеціальних методик організації взаємодії між процесорами та керування ними. В основі ж однопроцесорних комп'ютерних систем, як і раніше, лежать принципи фон-Неймана, хоча і значно модифіковані.

 

Основні пристрої, які входять до складу комп'ютера

керуючий пристрій (КП) - керує всіма процесами, що відбуваються в комп'ютері;

арифметико-логічний пристрій (АЛП) -здійснює всі операції з даними;

оперативна пам'ять - пам'ять в якій зберігаються результати проміжних обчислень і програма, яка виконується;

зовнішня пам'ять - різноманітні носії інформації, які можуть існувати окремо від комп'ютера;

пристрій введення - здійснює введення інформації в комп'ютер;

пристрій виведення - виводить результати обчислення.

 

Пристрої введення-виведення, а також пристрої для попередньої підготовки інформації та її зберігання прийнято називатипериферійними пристроями.Відомо, що цей базовий перелік зазнав певних змін. Так, у сучасних персональних комп'ютерах арифметико-логічний і керуючий пристрій об'єднані в один пристрій, який називається центральним процесором.

Типова схема фон-нейманівського комп'ютера

 

 

Основні риси фон-нейманівської архітектури:

 

· використовується двійкова система числення;

· централізоване керування всіма процесами, які відбуваються в комп'ютері;

· програма, яка визначає дії комп'ютера, являє собою послідовність елементарних команд. Після виконання однієї команди починає виконуватися наступна;

· команди зберігаються в оперативній пам'яті разом з даними;

· лінійний принцип організації пам'яті, тобто оперативна пам'ять фон-нейманівського комп'ютера являє собою послідовність однотипних комірок;

· доступ до даних, які знаходяться в оперативній пам'яті, здійснюється за адресою; грубо кажучи, для того, щоб записати будь-яке дане до деякої комірки або зчитати дане з будь-якої комірки, програма повинна вказати номер цієї комірки;будь-яка програма має вільний доступ до будь-якої комірки пам'яті.

Класична фон-нейманівська архітектура надає програмістові надто багато свободи, а вимоги надійності і безпеки програмного забезпечення змушують ставити питання про обмеження цієї свободи шляхом введення різного роду контролюючих механізмів. Такий контроль може, зокрема, здійснюватися операційною системою.