اصول فون نیومن در ساخت یک کامپیوتر الکترونیکی. ظهور کامپیوترها، اصول فون نویمان اصول ساخت کامپیوتر توسط جان فون نویمان

در سطح خانوار، اصطلاح «معماری» در بیشتر مردم به شدت با ساختمان‌های مختلف و سایر سازه‌های مهندسی مرتبط است. بنابراین، می توانیم در مورد معماری یک کلیسای جامع گوتیک، برج ایفل یا یک خانه اپرا صحبت کنیم. در سایر زمینه ها، این اصطلاح به ندرت استفاده می شود، با این حال، برای رایانه ها، مفهوم "معماری رایانه" (کامپیوتر الکترونیکی) قبلاً به طور محکم تثبیت شده است و از دهه 70 قرن گذشته به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته است. برای درک نحوه اجرای برنامه ها و اسکریپت ها بر روی کامپیوتر، ابتدا لازم است بدانیم که هر یک از اجزای آن چگونه کار می کند. پایه های دکترین معماری کامپیوترها که در درس مورد بحث قرار می گیرد توسط جان فون نویمان پایه گذاری شد. در این درس می‌توانید درباره گره‌های منطقی و همچنین اصل ترانک-مژولار معماری رایانه‌های شخصی مدرن بیشتر بدانید.

اصول زیربنای معماری کامپیوتر در سال 1945 توسط جان فون نویمان، که ایده های چارلز بابیج را توسعه داد، که عملکرد یک کامپیوتر را به عنوان عملکرد مجموعه ای از دستگاه ها نشان می دهد، فرموله شد: پردازش، کنترل، حافظه، ورودی-خروجی.

اصول فون نیومن

1. اصل همگنی حافظه. می‌توانید همان اعمالی را که روی داده‌ها انجام می‌شود روی دستورات انجام دهید.

2. اصل آدرس پذیری حافظه. حافظه اصلی از نظر ساختاری از سلول های شماره گذاری شده تشکیل شده است. هر سلولی در هر زمان در دسترس پردازنده است. این به معنای توانایی نامگذاری به مناطق حافظه است تا مقادیر ذخیره شده در آنها متعاقباً در حین اجرای برنامه با استفاده از نام های اختصاص داده شده قابل دسترسی یا تغییر باشند.

3. اصل کنترل برنامه متوالی. فرض می‌کند که برنامه شامل مجموعه‌ای از دستورالعمل‌ها است که به‌طور خودکار توسط پردازنده یکی پس از دیگری در یک دنباله خاص اجرا می‌شوند.

4. اصل صلبیت معماری. تغییر ناپذیری در فرآیند توپولوژی، معماری، لیست دستورات.

کامپیوترهایی که بر اساس اصول فون نویمان ساخته شده اند، معماری کلاسیک دارند، اما در کنار آن، انواع دیگری از معماری نیز وجود دارد. مثلا هاروارد. ویژگی های متمایز آن عبارتند از:

• ذخیره دستورالعمل و ذخیره داده دستگاه های فیزیکی متفاوتی هستند.
• کانال دستورالعمل و کانال داده نیز به صورت فیزیکی از هم جدا شده اند.

در تاریخ توسعه فناوری رایانه، تقریباً هر 10 سال یک جهش کیفی رخ می دهد. چنین جهشی با ظهور نسل جدیدی از رایانه ها ارتباط دارد. ایده ماشین های تقسیم کننده به این دلیل ظاهر شد که در طول تاریخ کوتاه توسعه خود، فناوری رایانه چه از نظر پایه عنصر (لامپ ها، ترانزیستورها، ریزمدارها و غیره) و چه از نظر تکامل زیادی داشته است. تغییر ساختار آن، ظهور فرصت های جدید، گسترش مناطق کاربرد و ماهیت استفاده. همه چیز با جزئیات بیشتر مراحل توسعه کامپیوتر در شکل نشان داده شده است. 2. برای درک چگونگی و چرایی جایگزینی یک نسل با نسل دیگر، لازم است معنای مفاهیمی مانند حافظه، سرعت، درجه یکپارچگی و غیره را بدانیم.

برنج. 2. نسل های کامپیوتر ()

در میان کامپیوترهایی که کلاسیک نیستند و معماری فون نویمان نیستند، می توان به اصطلاح کامپیوترهای عصبی را متمایز کرد. آنها کار سلول های مغز انسان، نورون ها و همچنین برخی از بخش های سیستم عصبی که قادر به تبادل سیگنال هستند را شبیه سازی می کنند.

هر گره منطقی کامپیوتر وظایف خاص خود را انجام می دهد. کارکرد پردازنده(شکل 3):

- پردازش داده ها (انجام عملیات حسابی و منطقی بر روی آنها).

- کنترل تمام دستگاه های کامپیوتری دیگر.

برنج. 3. واحد پردازش مرکزی کامپیوتر ()

این برنامه از دستورات جداگانه تشکیل شده است. این دستورالعمل شامل کد عملیات، آدرس عملوندها (مقادیر درگیر در عملیات) و آدرس نتیجه است.

اجرای دستور به مراحل زیر تقسیم می شود:

· انتخاب فرمان؛

• تشکیل آدرس دستور بعدی؛
• رمزگشایی فرمان؛
• محاسبه آدرس عملوندها؛
• انتخاب عملوندها؛
• اجرای عملیات؛
• شکل گیری نشانه ای از نتیجه؛
• رکورد نتیجه

هنگام اجرای هر دستوری (بسته به نوع دستور) همه مراحل وجود ندارد، اما مراحل واکشی، رمزگشایی، تولید آدرس دستور بعدی و اجرای عملیات همیشه انجام می شود. در شرایط خاص، دو مرحله دیگر ممکن است:

• آدرس دهی غیر مستقیم؛
• پاسخ قطع

رم(شکل 4) به صورت زیر مرتب شده است:

• دریافت اطلاعات از دستگاه های دیگر؛
• به خاطر سپردن اطلاعات؛
• انتقال اطلاعات در صورت درخواست به سایر دستگاه های کامپیوتری

برنج. 4. رم (حافظه دسترسی تصادفی) کامپیوتر ()

معماری کامپیوترهای مدرن بر اساس اصل تنه مدولار(شکل 5). اصل ماژولار به شما این امکان را می دهد که پیکربندی مورد نظر را تکمیل کرده و ارتقاهای لازم را انجام دهید. این بر اساس اصل اتوبوس تبادل اطلاعات بین ماژول ها است. گذرگاه سیستم یا ستون فقرات یک کامپیوتر شامل چندین اتوبوس برای اهداف مختلف است. صندوق عقب شامل سه اتوبوس چند بیتی است:

• گذرگاه داده؛
• اتوبوس آدرس؛
• اتوبوس کنترل

برنج. 5. اصل ترانک-مژولار ساخت کامپیوتر

گذرگاه داده برای انتقال داده های مختلف بین دستگاه های کامپیوتری استفاده می شود. گذرگاه آدرس برای آدرس دادن به داده های منتقل شده، یعنی تعیین مکان آنها در حافظه یا دستگاه های ورودی / خروجی استفاده می شود. گذرگاه کنترل شامل سیگنال های کنترلی است که برای هماهنگی زمان عملکرد دستگاه های مختلف رایانه ای، تعیین جهت انتقال داده ها، تعیین فرمت های داده های ارسال شده و غیره خدمت می کنند.

این اصل برای رایانه های مختلف معتبر است که می توان آنها را به سه گروه تقسیم کرد:

• ثابت؛
• فشرده (لپ تاپ، نت بوک و غیره)؛
• جیب (گوشی های هوشمند و غیره).

در واحد سیستم یک رایانه ثابت یا در یک مورد فشرده، گره های منطقی اصلی وجود دارد - این یک مادربرد با پردازنده، منبع تغذیه، درایوهای حافظه خارجی و غیره است.

کتابشناسی - فهرست کتب

1. Bosova L.L. انفورماتیک و فناوری اطلاعات و ارتباطات: کتاب درسی پایه هشتم. - M.: BINOM. آزمایشگاه دانش، 2012.

2. Bosova L.L. انفورماتیک: کتاب کار برای پایه هشتم. - M.: BINOM. آزمایشگاه دانش، 2010.

3. Astafieva N.E., Rakitina E.A., Informatics in schemes. - M.: BINOM. آزمایشگاه دانش، 2010.

4. Tannenbaum E. معماری کامپیوتر. - ویرایش پنجم - سن پترزبورگ: پیتر، 2007. - 844 ص.

1. پورتال اینترنتی "همه نکات" ()

2. پورتال اینترنتی "دایره المعارف الکترونیکی "کامپیوتر" ()

3. پورتال اینترنتی "apparatnoe.narod.ru" ()

مشق شب

1. فصل 2، §2.1، 2.2. Bosova L.L. انفورماتیک و فناوری اطلاعات و ارتباطات: کتاب درسی پایه هشتم. - M.: BINOM. آزمایشگاه دانش، 2012.

2. مخفف کامپیوتر چگونه است؟

3. اصطلاح "معماری کامپیوتر" به چه معناست؟

4. چه کسی اصول اساسی زیربنای معماری کامپیوتر را فرموله کرد؟

5. معماری کامپیوترهای مدرن بر چه اساسی استوار است؟

6. وظایف اصلی پردازنده مرکزی و رم یک رایانه شخصی چیست؟

معماری کامپیوتر و اصول فون نویمان

اصطلاح "معماری" برای توصیف اصل عملکرد، پیکربندی و اتصال گره های منطقی اصلی یک کامپیوتر استفاده می شود. معماری- این یک سلسله مراتب چند سطحی از سخت افزار و نرم افزار است که یک کامپیوتر از آن ساخته شده است.

پایه های دکترین معماری کامپیوتر توسط ریاضیدان برجسته آمریکایی جان فون نویمان گذاشته شد. اولین کامپیوتر "انیاک"در سال 1946 در ایالات متحده آمریکا ایجاد شد. گروه سازندگان شامل فون نویمان، که پیشنهاد داد اصول اولیه ساخت کامپیوتر: انتقال به سیستم اعداد باینری برای نمایش اطلاعات و اصل برنامه ذخیره شده.

برنامه محاسبه پیشنهاد شد که در یک دستگاه ذخیره سازی رایانه قرار داده شود که حالت خودکاری را برای اجرای دستورات و در نتیجه افزایش سرعت رایانه فراهم می کند. (به یاد بیاورید که قبلاً همه رایانه‌ها اعداد پردازش شده را به صورت اعشاری ذخیره می‌کردند و برنامه‌ها با نصب جامپرها روی یک پچ پانل ویژه تنظیم می‌شدند.) نیومن اولین کسی بود که حدس زد که یک برنامه را می‌توان به‌عنوان مجموعه‌ای از صفر و یک نیز ذخیره کرد. در همان حافظه که و اعدادی که آن را مدیریت می کند.

اصول اولیه ساخت کامپیوتر:

1. هر رایانه ای از سه جزء اصلی تشکیل می شود: پردازنده، حافظه و دستگاه ها. ورودی-خروجی (I/O).

2. اطلاعاتی که کامپیوتر با آن کار می کند به دو نوع تقسیم می شود:

مجموعه ای از دستورات پردازش (برنامه ها)؛ داده هایی که باید پردازش شوند

3. هم دستورات و هم داده ها به حافظه (RAM) وارد می شوند - اصل برنامه ذخیره شده .

4. پردازنده پردازش را کنترل می کند که واحد کنترل (CU) آن دستورات را از رم انتخاب کرده و اجرای آنها را سازماندهی می کند و واحد منطق حسابی (ALU) عملیات حسابی و منطقی روی داده ها انجام می دهد.

5. دستگاه های ورودی/خروجی (I/O) با پردازنده و رم مرتبط هستند.

فون نیومن نه تنها اصول اساسی دستگاه منطقی رایانه را مطرح کرد، بلکه ساختاری را پیشنهاد کرد که در دو نسل اول رایانه ها بازتولید شد.

دستگاه ذخیره سازی خارجی (OVD)

برنج. 1. معماری کامپیوتر پایان فرم،

حافظه با دسترسی تصادفی (RAM)

بر اساس اصول ساخته شده است

فون نویمان

- جهت جریان اطلاعات؛ - جهت سیگنال های کنترلی از پردازنده به سایر گره های کامپیوتری

مبانی معماری دستگاه‌های محاسباتی توسعه‌یافته توسط فون نویمان آنقدر اساسی بود که نام «معماری فون نویمان» را در ادبیات دریافت کردند. اکثریت قریب به اتفاق ماشین های مجازی امروزی هستند ماشین های فون نویمان.

ظهور نسل سوم کامپیوترها به دلیل انتقال از ترانزیستور به مدارهای مجتمع بود که منجر به افزایش سرعت پردازنده شد. اکنون پردازنده مجبور به بیکار شد و منتظر اطلاعات دستگاه های ورودی / خروجی کندتر بود و این کارایی کل رایانه را به طور کلی کاهش داد. برای حل این مشکل، طرح های ویژه ای برای کنترل عملکرد دستگاه های خارجی یا به سادگی ایجاد شد کنترل کننده ها.

معماری کامپیوترهای شخصی مدرن بر اساس اصل تنه مدولار. ارتباط اطلاعات بین دستگاه های کامپیوتری از طریق انجام می شود اتوبوس سیستم(نام دیگر بزرگراه سیستم است).

اتوبوس کابلی است که از تعداد زیادی هادی تشکیل شده است. یک گروه از هادی ها - گذرگاه دادهاطلاعات پردازش شده منتقل می شود، از سوی دیگر - اتوبوس آدرس- آدرس حافظه یا دستگاه های خارجی که پردازنده به آنها دسترسی دارد. قسمت سوم بزرگراه - اتوبوس کنترل، سیگنال های کنترلی از طریق آن منتقل می شود (به عنوان مثال سیگنال آماده بودن دستگاه برای کار، سیگنال راه اندازی دستگاه و ...).

گذرگاه سیستم چگونه کار می کند؟ قبلاً گفتیم که بیت های یک و صفر فقط در ذهن برنامه نویسان وجود دارد. برای پردازنده، فقط ولتاژ روی کنتاکت های آن واقعی است. هر پین مربوط به یک بیت است و پردازنده فقط باید بین دو سطح ولتاژ تمایز قائل شود: بله-خیر، بالا-پایین. بنابراین، آدرس برای پردازنده، دنباله ای از ولتاژها بر روی پایه های خاص است که گذرگاه آدرس نامیده می شود. می توان تصور کرد که پس از تنظیم ولتاژ روی کنتاکت های گذرگاه آدرس، ولتاژهایی بر روی کنتاکت های گذرگاه داده ظاهر می شود و شماره ذخیره شده در آدرس مشخص شده را رمزگذاری می کند. این تصویر بسیار خشن است زیرا بازیابی داده ها از حافظه زمان می برد. برای اینکه گیج نشوید، یک ژنراتور ساعت ویژه عملکرد پردازنده را کنترل می کند. پالس هایی تولید می کند که کار پردازنده را به مراحل جداگانه تقسیم می کند. واحد زمان پردازنده یک سیکل است، یعنی فاصله بین دو پالس ژنراتور ساعت.

ولتاژهایی که در گذرگاه آدرس پردازنده ظاهر می شوند، آدرس فیزیکی نامیده می شوند. در حالت واقعی، پردازنده فقط با آدرس های فیزیکی کار می کند. برعکس، حالت محافظت شده پردازنده از این جهت جالب است که برنامه با آدرس های منطقی کار می کند و پردازنده به صورت نامرئی آنها را به آدرس های فیزیکی تبدیل می کند. ویندوز از حالت پردازنده محافظت شده استفاده می کند. سیستم عامل ها و برنامه های مدرن به حافظه زیادی نیاز دارند که حالت محافظت شده پردازنده بسیار بیشتر از حالت واقعی آن "واقعی" شده است.

گذرگاه سیستم مشخص می شود ساعت فرکانس و عمق بیتتعداد بیت های ارسال شده به طور همزمان در گذرگاه نامیده می شود عرض اتوبوس. فرکانس ساعتتعداد عملیات انتقال داده اولیه در هر ثانیه را مشخص می کند. عرض باس بر حسب بیت و فرکانس ساعت با مگاهرتز اندازه گیری می شود.

هر گونه اطلاعاتی که از پردازنده به دستگاه های دیگر در گذرگاه داده منتقل می شود همراه است نشانیاز طریق گذرگاه آدرس منتقل می شود. این ممکن است آدرس یک مکان حافظه یا آدرس یک دستگاه جانبی باشد. لازم است که عرض گذرگاه به شما امکان انتقال آدرس سلول حافظه را بدهد. بنابراین، در کلمات، عرض گذرگاه مقدار RAM کامپیوتر را محدود می‌کند، نمی‌تواند بیشتر از، که n عرض گذرگاه است. مهم است که عملکرد تمام دستگاه های متصل به باس ثابت باشد. داشتن پردازنده سریع و حافظه کند یا پردازنده و حافظه سریع اما هارد دیسک کند غیر منطقی است.

برنج. 2. طرح دستگاه یک کامپیوتر ساخته شده بر اساس اصل اصلی

در کامپیوترهای مدرن پیاده سازی شده است اصل معماری باز،به کاربر اجازه می دهد پیکربندی رایانه مورد نیاز خود را تکمیل کند و در صورت لزوم آن را ارتقا دهد.

پیکربندیکامپیوتر به مجموعه واقعی اجزای کامپیوتری اطلاق می شود که یک کامپیوتر را تشکیل می دهند. اصل معماری باز به شما امکان می دهد ترکیب دستگاه های رایانه ای را تغییر دهید. دستگاه های جانبی اضافی را می توان به بزرگراه اطلاعات متصل کرد، برخی از مدل های دستگاه را می توان با مدل های دیگر جایگزین کرد.

اتصال سخت افزاری یک دستگاه جانبی به اتوبوس در سطح فیزیکی از طریق یک بلوک ویژه انجام می شود - کنترل کننده(اسامی دیگر آداپتور، تخته، کارت). اتصالات مخصوصی برای نصب کنترلرها روی مادربرد وجود دارد - اسلات ها.

کنترل نرم افزاری عملکرد دستگاه جانبی از طریق برنامه انجام می شود - راننده، که جزء سیستم عامل است. از آنجایی که تعداد زیادی دستگاه مختلف قابل نصب در رایانه وجود دارد، هر دستگاه معمولاً دارای یک درایور است که مستقیماً با این دستگاه تعامل دارد.

کامپیوتر با دستگاه های خارجی از طریق ارتباط برقرار می کند پورت ها- کانکتورهای مخصوص در پشت کامپیوتر. تمیز دادن متوالیو موازیپورت ها سریال (پورت های COM) برای اتصال دستکاری ها، یک مودم و انتقال مقادیر کمی از اطلاعات در فواصل طولانی استفاده می شود. موازی (LPT - پورت ها) برای اتصال چاپگرها، اسکنرها و انتقال مقادیر زیادی اطلاعات در فواصل کوتاه استفاده می شود. اخیراً پورت های یونیورسال سریال (USB) گسترده شده اند که می توانید دستگاه های مختلفی را به آنها متصل کنید.

همه رایانه های مدرن، علیرغم اینکه زمان زیادی سپری شده است، بر روی اصول پیشنهاد شده توسط ریاضیدان آمریکایی جان فون نویمان (1903 - 1957) کار می کنند. او همچنین سهم بسزایی در توسعه و استفاده از رایانه داشت. او اولین کسی بود که اصولی را که کامپیوتر بر اساس آن کار می کند پایه گذاری کرد:

1. اصل کدگذاری باینری: تمام اطلاعات موجود در رایانه به صورت باینری، ترکیبی از 0 و 1 ارائه می شود.

2. اصل همگنی حافظه: هم برنامه ها و هم داده ها در یک حافظه ذخیره می شوند.بنابراین کامپیوتر آنچه را که در این سلول حافظه ذخیره شده است تشخیص نمی دهد و می توان اعداد، متن، دستورات و ... را در آنجا قرار داد. اقدامات را می توان بر روی دستورات انجام داد، که داده های اضافی است.

3. اصل آدرس پذیری حافظه: از نظر شماتیک، OP (حافظه اصلی) از سلول های شماره گذاری شده تشکیل شده است، CPU (واحد پردازش مرکزی) در هر زمانی که هر سلول حافظه در دسترس باشد. بنابراین، برای تعامل راحت‌تر بین OP و CPU، می‌توان نام‌هایی را به بلوک‌های حافظه اختصاص داد.

4. اصل کنترل برنامه متوالی: برنامه شامل مجموعه ای از دستورالعمل ها است که توسط CPU به صورت متوالی یکی پس از دیگری اجرا می شود.

5. اصل پرش شرطی: همیشه این اتفاق نمی افتد که دستورات یک به یک اجرا شوند، بنابراین ممکن است یک دستور پرش شرطی وجود داشته باشد که اجرای دستورات را به صورت متوالی بسته به مقدار داده های ذخیره شده تغییر می دهد.

. طبقه بندی کامپیوترهای مدرن

نوین کامپیوتربه تعبیه شده تقسیم می شود ریزپردازنده ها, میکرو کامپیوتر(کامپیوترهای شخصی)، مین فریم هاو ابر رایانه- یک مجموعه کامپیوتری با چندین پردازنده.

ریز فرآیندها- پردازنده های پیاده سازی شده در فرم انتگرال الکترونیکی ریزتراشه ها. ریزپردازنده ها را می توان در تلفن، تلویزیون و سایر دستگاه ها، ماشین ها و دستگاه ها تعبیه کرد.

در مدارهای مجتمعپردازنده ها و رم تمام ریز رایانه های مدرن و همچنین تمام بلوک های رایانه های بزرگ و ابر رایانه ها و همچنین تمام دستگاه های قابل برنامه ریزی پیاده سازی شده است.

عملکرد ریزپردازندهچند است میلیون عملیاتدر هر ثانیه و حجم بلوک های رم مدرن چند میلیون بایت است.

میکرو کامپیوتر -تمام عیار است محاسبه ماشین هاکه نه تنها دارای پردازنده و رم برای پردازش داده ها هستند، بلکه دارای دستگاه های ورودی-خروجی و ذخیره سازی اطلاعات هستند.

کامپیوترهای شخصی -این هست میکرو کامپیوترداشتن دستگاه های نمایش بر روی صفحه نمایش های الکترونیکی و همچنین دستگاه های ورودی-خروجی داده به شکل صفحه کلید و احتمالاً دستگاه هایی برای اتصال به شبکه های رایانه ای.

معماری میکرو کامپیوتراین مبتنی بر استفاده از ستون فقرات سیستم است - یک دستگاه رابط که پردازنده ها و واحدهای RAM و همچنین تمام دستگاه های ورودی-خروجی اطلاعات به آن متصل هستند.

استفاده از تنهبه شما اجازه تغییر می دهد ترکیبو ساختار میکرو کامپیوتر- اضافه کردن دستگاه های ورودی-خروجی اضافی و افزایش عملکرد رایانه ها.

ذخیره سازی طولانی مدتاطلاعات در رایانه های مدرن با استفاده از رسانه های الکترونیکی، مغناطیسی و نوری - دیسک های مغناطیسی، دیسک های نوری و بلوک های حافظه فلش انجام می شود.

معماری کامپیوترهای مدرنحضور اجباری حافظه بلند مدت را فرض می کند، جایی که فایل ها، بسته های نرم افزاری، پایگاه های داده و سیستم عامل های کنترلی قرار دارند.

پردازنده مرکزی -کامپیوترها بالا کاراییبا مقدار زیادی حافظه خارجی کامپیوترهای بزرگ به عنوان سرور برای شبکه های کامپیوتری و ذخیره سازی داده های بزرگ استفاده می شوند.

مین فریم هابه عنوان مبنایی برای سازماندهی استفاده می شود شرکت های بزرگ، دارای شخصیت حقوقی اطلاعات سیستم هایخدمت به شرکت های صنعتی و مقامات دولتی.

ابر رایانه- این هست چند پردازنده کامپیوتربا معماری پیچیده، با بالاترین عملکرد و برای حل مسائل محاسباتی فوق پیچیده استفاده می شود.

عملکرد سوپرکامپیوتراست ده هاو صدها هزار میلیاردمحاسبه عملیاتدر هر ثانیه همزمان، تعداد پردازنده‌ها در ابررایانه‌ها در حال افزایش است و معماری کامپیوتر پیچیده‌تر می‌شود.

در سال 1946، D. von Neumann، G. Goldstein و A. Berks در مقاله مشترک خود اصول جدیدی را برای ساخت و راه اندازی کامپیوترها بیان کردند. پس از آن، دو نسل اول کامپیوترها بر اساس این اصول تولید شدند. در نسل های بعدی تغییراتی رخ داده است، اگرچه اصول نویمان هنوز هم امروزی است.

در واقع، نویمان موفق شد پیشرفت‌ها و اکتشافات علمی بسیاری از دانشمندان دیگر را تعمیم دهد و اساساً جدیدی را بر اساس آنها تدوین کند.

اصول فون نیومن

1. استفاده از سیستم اعداد باینری در کامپیوتر. مزیت نسبت به سیستم اعشاری این است که دستگاه ها را می توان بسیار ساده ساخت، عملیات حسابی و منطقی در سیستم باینری نیز بسیار ساده است.
2. کنترل نرم افزار کامپیوتری. عملکرد کامپیوتر توسط برنامه ای متشکل از مجموعه ای از دستورالعمل ها کنترل می شود. دستورات به صورت متوالی یکی پس از دیگری اجرا می شوند. ایجاد ماشینی با یک برنامه ذخیره شده در حافظه، آغاز چیزی بود که ما امروزه برنامه نویسی می نامیم.
3. حافظه کامپیوتر نه تنها برای ذخیره داده ها، بلکه برنامه ها نیز استفاده می شود. در این حالت، هم دستورات برنامه و هم داده ها در سیستم اعداد باینری کدگذاری می شوند، یعنی. شیوه نوشتن آنها یکی است. بنابراین، در شرایط خاص، می توانید همان اقداماتی را که روی داده ها انجام می شود، روی دستورات انجام دهید.
4. سلول های حافظه کامپیوتر آدرس هایی دارند که به ترتیب شماره گذاری می شوند. در هر زمان، شما می توانید به هر سلول حافظه با آدرس آن دسترسی داشته باشید. این اصل امکان استفاده از متغیرها را در برنامه نویسی باز کرد.
5. امکان پرش شرطی در حین اجرای برنامه. با وجود این واقعیت که دستورات به صورت متوالی اجرا می شوند، برنامه ها می توانند توانایی پرش به هر بخش از کد را پیاده سازی کنند.

مهمترین پیامد این اصول را می توان این واقعیت نامید که اکنون برنامه دیگر بخشی دائمی از ماشین نیست (مثلاً با یک ماشین حساب). تغییر برنامه آسان شده است. اما تجهیزات، البته، بدون تغییر، و بسیار ساده باقی مانده است.

در مقایسه، برنامه کامپیوتر ENIAC (جایی که هیچ برنامه ای در حافظه ذخیره نشده بود) توسط پرش های مخصوص روی پانل تعیین شد. برنامه ریزی مجدد دستگاه ممکن است بیش از یک روز طول بکشد (پرش ها را متفاوت تنظیم کنید). و اگرچه نوشتن برنامه‌های رایانه‌های مدرن ممکن است سال‌ها طول بکشد، اما پس از چند دقیقه نصب بر روی هارد دیسک، روی میلیون‌ها رایانه اجرا می‌شوند.

ماشین فون نویمان چگونه کار می کند

دستگاه فون نویمان از یک دستگاه ذخیره سازی (حافظه) - حافظه، یک واحد منطق حسابی - ALU، یک دستگاه کنترل - CU و همچنین دستگاه های ورودی و خروجی تشکیل شده است.

برنامه ها و داده ها از دستگاه ورودی از طریق واحد منطق حسابی وارد حافظه می شوند. تمام دستورات برنامه در سلول های حافظه مجاور نوشته می شوند و داده های پردازش می توانند در سلول های دلخواه قرار گیرند. برای هر برنامه ای آخرین دستور باید دستور shutdown باشد.

این دستور شامل نشانی است که کدام عملیات باید انجام شود (خارج از عملیات ممکن بر روی این سخت افزار) و آدرس سلول های حافظه که در آن داده ها ذخیره می شود و عملیات مشخص شده باید روی آنها انجام شود و همچنین آدرس سلول. جایی که نتیجه باید نوشته شود (در صورت نیاز به ذخیره در حافظه).

واحد منطق حسابی عملیات مشخص شده توسط دستورات را روی داده های مشخص شده انجام می دهد.

از واحد منطق حسابی، نتایج به حافظه یا یک دستگاه خروجی ارسال می شود. تفاوت اساسی بین حافظه و دستگاه خروجی این است که داده ها در حافظه به شکلی مناسب برای پردازش کامپیوتری ذخیره می شوند و دستگاه های خروجی (چاپگر، مانیتور و غیره) به روشی که برای شخص مناسب است پردازش می شوند. .

CU تمام قسمت های کامپیوتر را کنترل می کند. سیگنال‌های "چه باید کرد" از دستگاه کنترل به دستگاه‌های دیگر ارسال می‌شوند و واحد کنترل اطلاعات مربوط به وضعیت آنها را از دستگاه‌های دیگر دریافت می‌کند.

دستگاه کنترل شامل یک رجیستر (سلول) ویژه ای به نام « شمارنده برنامه» است. پس از بارگذاری برنامه و داده ها در حافظه، آدرس اولین دستور در برنامه در شمارنده برنامه نوشته می شود. CU محتویات سلول حافظه را که آدرس آن در شمارنده برنامه است از حافظه می خواند و آن را در یک دستگاه خاص - "ثبت دستورات" قرار می دهد. CU عملکرد فرمان را تعیین می کند، داده هایی را که آدرس آنها در دستور مشخص شده است را در حافظه علامت گذاری می کند و اجرای دستور را کنترل می کند. عملیات توسط ALU یا سخت افزار کامپیوتر انجام می شود.

در نتیجه اجرای هر دستوری، شمارنده برنامه یک عدد تغییر می کند و بنابراین به دستور برنامه بعدی اشاره می کند. هنگامی که لازم است دستوری اجرا شود که به ترتیب از دستور فعلی پیروی نمی کند، اما با تعداد مشخصی آدرس از دستور داده شده جدا شده است، دستور پرش ویژه حاوی آدرس سلولی است که کنترل باید در آن منتقل شود.

معماری کامپیوترنمایش آن در برخی از سطوح کلی در نظر گرفته می شود، از جمله شرح قابلیت های برنامه نویسی کاربر، سیستم های فرمان، سیستم های آدرس دهی، سازماندهی حافظه و غیره.این معماری اصول عملکرد، پیوندهای اطلاعاتی و اتصال گره های منطقی اصلی یک کامپیوتر را تعریف می کند: پردازنده، حافظه دسترسی تصادفی (RAM، RAM)، حافظه خارجی و دستگاه های جانبی.

اجزای معماری کامپیوترعبارتند از: محاسبات و قابلیت های منطقی، سخت افزار و نرم افزار.

ساختار کامپیوترمجموعه ای از عناصر عملکردی آن و ارتباطات بین آنهاست. عناصر می توانند معمولی ترین دستگاه ها باشند - از گره های منطقی اصلی یک کامپیوتر تا ساده ترین مدارها. ساختار یک کامپیوتر به صورت گرافیکی در قالب بلوک دیاگرام ها نمایش داده می شود که با کمک آنها می توان آن را در هر سطح از جزئیات توصیف کرد.

معماری یک کامپیوتر را باید از ساختار آن متمایز کرد. این ساختار مجموعه خاصی از دستگاه‌ها، بلوک‌ها، گره‌ها را که کامپیوتر را تشکیل می‌دهند، تعریف می‌کند، در حالی که معماری قوانینی را برای تعامل اجزای کامپیوتر تعریف می‌کند.

اصول (معماری) فون نویمان. ساخت اکثر کامپیوترها بر اساس اصول کلی زیر است که در سال 1945 توسط دانشمند آمریکایی جان فون نویمان فرموله شد.

1. اصل کنترل برنامه. از آن نتیجه می شود که برنامه شامل مجموعه ای از دستورالعمل ها است که به طور خودکار توسط پردازنده یکی پس از دیگری در یک دنباله خاص اجرا می شود.

برنامه با استفاده از شمارنده برنامه از حافظه گرفته می شود. این رجیستر پردازنده به صورت متوالی آدرس دستور بعدی ذخیره شده در آن را با طول دستورالعمل افزایش می دهد. از آنجایی که دستورالعمل‌های برنامه یکی پس از دیگری در حافظه قرار می‌گیرند، مجموعه‌ای از زنجیره‌ای از دستورالعمل‌ها از سلول‌های حافظه که به صورت متوالی قرار دارند، سازماندهی می‌شوند.

ساختار یک فرمان منفرد به صورت زیر است:

<код операции> <операнды>,

جایی که<код операции>تعیین می کند که کدام عملیات باید انجام شود؛

<операнды>- فهرستی (احتمالاً تک تنی) از آن ثابت ها، آدرس ها یا نام متغیرهایی که عملیات داده شده بر روی آنها انجام می شود.

بسته به تعداد عملوندها، دستورالعمل های ماشین یک، دو و سه نشانی متمایز می شوند. هر فرمان مقدار مشخصی دارد که در بایت اندازه گیری می شود.

2. اصل انتقال مشروط.اگر پس از اجرای دستور، نه به دستور بعدی، بلکه به دستور دیگری بروید، از دستورات پرش شرطی یا بدون قید و شرط (انشعاب) استفاده می شود که شماره سلول حافظه حاوی دستور بعدی را در شمارنده فرمان وارد می کند. واکشی دستورات از حافظه پس از رسیدن به دستور توقف و اجرای آن متوقف می شود.

بنابراین، پردازنده برنامه را به طور خودکار و بدون دخالت انسان اجرا می کند.

3. اصل همگنی حافظه. برنامه ها و داده ها در یک حافظه ذخیره می شوند. بنابراین، رایانه بین آنچه در یک سلول حافظه داده شده - یک عدد، متن یا یک فرمان - ذخیره شده است، تمایز قائل نمی شود. می‌توانید همان اعمالی را که روی داده‌ها انجام می‌شود روی دستورات انجام دهید. این طیف وسیعی از احتمالات را باز می کند. به عنوان مثال، یک برنامه همچنین می تواند در حین اجرای خود تحت پردازش قرار گیرد که به شما امکان می دهد قوانین به دست آوردن برخی از قسمت های آن را در خود برنامه تنظیم کنید (به این ترتیب اجرای چرخه ها و زیر روال ها در برنامه سازماندهی می شود). علاوه بر این، دستورات یک برنامه را می توان به عنوان نتایج اجرای برنامه دیگر دریافت کرد. روش های ترجمه بر اساس این اصل است - ترجمه متن برنامه از یک زبان برنامه نویسی سطح بالا به زبان یک ماشین خاص.

4. اصل قرار دادن برنامه در حافظه. برنامه مورد نیاز برای عملکرد کامپیوتر قبلا در حافظه کامپیوتر قرار می گیرد و دستور پس از آن وارد نمی شود.

5. اصل هدف گذاری. از نظر ساختاری، حافظه اصلی از سلول های شماره گذاری شده تشکیل شده است. هر سلولی در هر زمان در دسترس پردازنده است. از این رو می توان به مناطقی از حافظه نام داد تا بعداً بتوان به مقادیر ذخیره شده در آنها در حین اجرای برنامه ها با استفاده از نام های اختصاص داده شده دسترسی پیدا کرد یا تغییر داد.

6. اصل سلسله مراتب حافظه. حافظه کامپیوتر ناهمگن است. به داده هایی که مکرر دسترسی دارند حافظه کوچکتر اما سریع تری اختصاص داده می شود. برای داده هایی که به ندرت استفاده می شوند، حافظه بیشتری تخصیص داده می شود، اما عملکرد کمتری دارد.

7. اصل سیستم اعداد باینری. برای نمایش داخلی داده ها و برنامه ها در حافظه رایانه، از یک سیستم اعداد باینری استفاده می شود که از نظر فنی می تواند اجرای آن آسان تر باشد.

کامپیوترهای ساخته شده بر اساس این اصول از نوع فون نویمان هستند. کلاس های دیگری از کامپیوترها وجود دارند که اساساً با فون نویمان تفاوت دارند. در اینجا، برای مثال، اصل کنترل برنامه ممکن است برآورده نشود، یعنی. آنها می توانند بدون شمارنده برنامه (رجیستر آدرس) که به دستور برنامه در حال اجرا اشاره می کند، کار کنند. برای اشاره به یک متغیر ذخیره شده در حافظه، این رایانه ها مجبور نیستند نامی برای آن بگذارند. چنین کامپیوترهایی را کامپیوترهای غیر فون نویمان می نامند.

ماشین فون نویمان شامل یک حافظه بود که مجموعه ای از ثبات ها، یک ALU، یک دستگاه ورودی-خروجی و یک دستگاه کنترل بود (شکل 3.7).

دستگاه ورودی دستورات و داده‌ها را به ALU منتقل می‌کرد و از آنجا به حافظه نوشته می‌شد. همه تیم ها, که به مجموع آن برنامه می گویند، در سلول های مجاور به ترتیب صعودی آدرس هایشان در حافظه نوشته می شوند و داده هایی که باید پردازش شوند در سلول هایی با آدرس های دلخواه نوشته می شوند. آخرین دستور برنامه الزاماً دستور توقف است. هر دستور شامل کد عملیاتی است که باید انجام شود و آدرس سلول هایی که حاوی داده های پردازش شده توسط این دستور هستند. کنترل کننده حاوی یک ثبات خاص به نام " شمارنده فرمان". پس از بارگذاری برنامه و داده ها در حافظه، آدرس اولین دستور در برنامه در شمارنده برنامه نوشته می شود. پس از آن، کامپیوتر به حالت اجرای خودکار برنامه سوئیچ می کند.

برنج. 3.7. ماشین فون نیومن

دستگاه کنترل محتویات سلول حافظه را که آدرس آن در شمارنده برنامه است از حافظه می خواند و آن را در یک دستگاه مخصوص قرار می دهد - " ثبت فرمان". ثبت دستورالعمل دستورالعمل را در حین اجرا ذخیره می کند. دستگاه کنترل نوع عملیات فرمان را رمزگشایی می کند، داده ها را از حافظه که آدرس آن در دستور مشخص شده است می خواند و اقدام به اجرای آن می کند. برای هر فرمان، دستگاه کنترل دارای الگوریتم پردازش خاص خود است که شامل تولید سیگنال های کنترلی برای سایر دستگاه های دستگاه است. این الگوریتم را می‌توان بر اساس مدارهای منطقی ترکیبی یا با کمک حافظه داخلی ویژه پیاده‌سازی کرد، جایی که این الگوریتم‌ها به شکل دستورات ریز که در ریزبرنامه‌ها ترکیب می‌شوند نوشته می‌شوند. اجرای ریزبرنامه طبق همان اصل برنامه های موجود در حافظه اصلی انجام می شود، یعنی. طبق اصل فون نویمان هر ریز دستورالعمل شامل مجموعه ای از سیگنال های کنترلی برای دستگاه های ماشینی است. توجه داشته باشید که دستگاه های کنترلی برای اجرای دستورات پردازنده در سیستم های کامپیوتری مدرن نیز بر اساس اصل مدارهای ترکیبی یا اتومات های میکروبرنامه ساخته شده اند که بر اساس آن به دو دسته تقسیم می شوند. RISCو CISCپردازنده ها که در ادامه مورد بحث قرار خواهند گرفت.

سیستم عامل برای اجرای هر دستور لزوماً حاوی سیگنال هایی است که محتویات شمارنده برنامه را یک بار تغییر می دهد. بدین ترتیب پس از اتمام اجرای دستور بعدی، شمارنده برنامه به سلول حافظه بعدی اشاره کرد که دستور بعدی برنامه در آن قرار داشت. کنترلر دستورالعملی را که آدرس آن در شمارنده برنامه است می خواند، آن را در ثبات دستورالعمل قرار می دهد و غیره. این روند تا زمانی ادامه می یابد که دستور اجرایی بعدی دستور توقف اجرای برنامه باشد. جالب است بدانید که هم دستورالعمل ها و هم داده های موجود در حافظه، مجموعه های باینری اعداد صحیح هستند. دستگاه کنترل نمی تواند دستور را از داده ها تشخیص دهد، بنابراین اگر برنامه نویس فراموش کند برنامه را با دستور توقف پایان دهد، دستگاه کنترل سلول های حافظه بعدی را که دیگر حاوی دستورات برنامه نیستند می خواند و سعی می کند آنها را به عنوان دستور تفسیر کند.

دستورات شاخه بدون شرط یا شرطی را می توان به عنوان یک مورد خاص در نظر گرفت، زمانی که نیاز به اجرای دستوری است که به ترتیب از دستور فعلی پیروی نمی کند، اما با تعداد مشخصی آدرس از دستور داده شده جدا شده است. در این مورد، دستور پرش حاوی آدرس سلولی است که می خواهید کنترل را در آن منتقل کنید. این آدرس توسط دستگاه کنترل مستقیماً در شمارنده برنامه نوشته می شود و به دستورالعمل برنامه مربوطه می پرد.