Principi di Von Neumann per la costruzione di un calcolatore elettronico. L'emergere dei computer, i principi di von Neumann Principi di costruzione dei computer di John von Neumann

A livello quotidiano, la maggior parte delle persone associa fortemente il termine “architettura” a vari edifici e altre strutture ingegneristiche. Quindi possiamo parlare dell'architettura di una cattedrale gotica, della Torre Eiffel o di un teatro dell'opera. In altri settori questo termine è usato abbastanza raramente, ma per i computer il concetto di “architettura informatica” (computer elettronico) è già saldamente stabilito ed è stato ampiamente utilizzato dagli anni '70 del secolo scorso. Per capire come vengono eseguiti i programmi e gli script su un computer, devi prima sapere come funziona ciascuno dei suoi componenti. Le basi della dottrina dell'architettura dei computer, discusse nella lezione, furono gettate da John von Neumann. In questa lezione puoi imparare di più sui nodi logici, nonché sul principio modulare della dorsale dell'architettura dei moderni personal computer.

I principi alla base dell'architettura del computer furono formulati nel 1945 da John von Neumann, che sviluppò le idee di Charles Babbage, che rappresentava il funzionamento di un computer come il funzionamento di un insieme di dispositivi: elaborazione, controllo, memoria, input-output.

I principi di von Neumann.

1. Il principio di omogeneità della memoria. È possibile eseguire le stesse azioni sui comandi e sui dati.

2. Il principio di indirizzabilità della memoria. La memoria principale è strutturalmente composta da celle numerate; Qualsiasi cella è disponibile per il processore in qualsiasi momento. Ciò implica la possibilità di nominare le aree di memoria in modo che i valori in esse memorizzati possano essere successivamente accessibili o modificati durante l'esecuzione del programma utilizzando i nomi assegnati.

3. Il principio di sequenzialità controllo del programma. Si presuppone che un programma sia costituito da un insieme di comandi che vengono eseguiti automaticamente dal processore uno dopo l'altro in una determinata sequenza.

4. Il principio di rigidità architettonica. Immutabilità della topologia, dell'architettura e dell'elenco dei comandi durante il funzionamento.

I computer costruiti secondo i principi di von Neumann hanno un'architettura classica, ma oltre ad essa esistono altri tipi di architettura. Ad esempio, Harvard. Le sue caratteristiche distintive sono:

• l'archivio istruzioni e l'archivio dati sono dispositivi fisici diversi;
• Anche il canale delle istruzioni e il canale dei dati sono fisicamente separati.

Nella storia dello sviluppo informatica un salto qualitativo si verificava circa ogni 10 anni. Questo salto è associato all'avvento di una nuova generazione di computer. L'idea di dividere le auto è apparsa a causa del fatto che durante la breve storia del suo sviluppo informatica ha subito una grande evoluzione sia in termini di base dell'elemento(lampade, transistor, microcircuiti, ecc.), e nel senso di cambiarne la struttura, l'emergere di nuove opportunità, ampliando la portata delle applicazioni e la natura dell'uso. Più dettagli fasi dello sviluppo informatico mostrato in Fig. 2. Per capire come e perché una generazione è stata sostituita da un'altra, è necessario conoscere il significato di concetti come memoria, velocità, grado di integrazione, ecc.

Riso. 2. Generazioni informatiche ()

Tra i computer che non sono classici, non di architettura von Neumann, possiamo distinguere i cosiddetti neurocomputer. Simulano il lavoro delle cellule cerebrali umane, dei neuroni e di alcune parti del sistema nervoso in grado di scambiare segnali.

Ogni nodo logico del computer esegue le proprie funzioni. Funzioni processore(figura 3):

- elaborazione dei dati (effettuare operazioni aritmetiche e logiche su di essi);

- controllo di tutti gli altri dispositivi informatici.

Riso. 3. Unità centrale di elaborazione informatica ()

Il programma è composto da comandi separati. Il comando comprende il codice dell'operazione, gli indirizzi degli operandi (le grandezze che partecipano all'operazione) e l'indirizzo del risultato.

L'esecuzione del comando è suddivisa nelle seguenti fasi:

· selezione della squadra;

• generare l'indirizzo del comando successivo;
• decodifica dei comandi;
• calcolo degli indirizzi degli operandi;
• selezione degli operandi;
• esecuzione dell'operazione;
• formazione di un segno di risultato;
• registrando il risultato.

Non tutte le fasi sono presenti durante l'esecuzione di un'istruzione (a seconda del tipo di istruzione), ma le fasi di recupero, decodifica, generazione dell'indirizzo dell'istruzione successiva ed esecuzione dell'operazione hanno sempre luogo. In alcune situazioni sono possibili altri due passaggi:

• indirizzamento indiretto;
• risposta all'interruzione.

RAM(Fig. 4) è così organizzato:

• ricevere informazioni da altri dispositivi;
• ricordare informazioni;
• trasferimento delle informazioni su richiesta ad altri dispositivi informatici.

Riso. 4. RAM (Random Access Memory) del computer ()

L'architettura dei computer moderni si basa su principio modulare della dorsale(Fig. 5). Il principio modulare consente di completare la configurazione desiderata ed effettuare gli aggiornamenti necessari. Si basa sul principio del bus per lo scambio di informazioni tra i moduli. Il bus di sistema o bus del computer comprende diversi bus per vari scopi. La dorsale comprende tre bus multi-bit:

• bus dati;
• bus degli indirizzi;
• autobus di controllo.

Riso. 5. Principio modulare della dorsale della costruzione del PC

Il bus dati viene utilizzato per trasferire vari dati tra dispositivi informatici; il bus indirizzi viene utilizzato per indirizzare i dati trasferiti, cioè per determinarne la posizione in memoria o nei dispositivi di ingresso/uscita; Il bus di controllo include segnali di controllo che servono a coordinare temporaneamente il funzionamento vari dispositivi computer, per determinare la direzione del trasferimento dei dati, per determinare i formati dei dati trasferiti, ecc.

Questo principio vale per vari computer, che possono essere suddivisi in tre gruppi:

• stazionario;
• compatti (laptop, netbook, ecc.);
• tasca (smartphone, ecc.).

IN unità di sistema computer desktop oppure un case compatto contiene le principali unità logiche: si tratta di una scheda madre con un processore, un alimentatore, unità memoria esterna eccetera.

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1. Portale Internet “Tutti i suggerimenti” ()

2. Portale Internet “Enciclopedia elettronica “Computer”” ()

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Compiti a casa

1. Capitolo 2, §2.1, 2.2. Bosova L.L. Informatica e ICT: libro di testo per la terza media. - M.: BINOM. Laboratorio della Conoscenza, 2012.

2. Cosa significa l'abbreviazione COMPUTER?

3. Cosa significa il termine “Architettura del computer”?

4. Chi ha formulato i principi di base alla base dell'architettura dei computer?

5. Su cosa si basa l'architettura dei computer moderni?

6. Nominare le funzioni principali del processore centrale e memoria ad accesso casuale computer.

Architettura del calcolatore e principi di von Neumann

Il termine "architettura" viene utilizzato per descrivere il principio di funzionamento, configurazione e interconnessione dei principali nodi logici di un computer. Architetturaè una gerarchia multilivello di hardware e software da cui è costruito un computer.

Le basi della dottrina dell'architettura dei computer furono gettate dall'eccezionale matematico americano John von Neumann. Il primo computer Eniakè stato creato negli Stati Uniti nel 1946. Il gruppo di creatori incluso von Neumann, che ha suggerito principi di base della costruzione del computer: transizione al sistema numerico binario per rappresentare le informazioni e principio di un programma memorizzato.

È stato proposto di collocare il programma di calcolo in un dispositivo di memorizzazione del computer, che lo avrebbe fornito modalità automatica esecuzione di comandi e, di conseguenza, aumento della velocità del computer. (Ricordiamo che in precedenza tutti i computer memorizzavano i numeri elaborati in formato decimale e i programmi venivano specificati installando ponticelli su uno speciale pannello di connessione.) Neumann fu il primo a intuire che un programma poteva anche essere memorizzato come un insieme di zeri e uno, e in la stessa memoria e i numeri che elabora.

Principi di base della costruzione del computer:

1. Qualsiasi computer è costituito da tre componenti principali: processore, memoria e dispositivo. ingresso-uscita (I/O).

2. Le informazioni con cui funziona il computer sono divise in due tipi:

un insieme di comandi di elaborazione (programmi); dati da trattare.

3. Sia i comandi che i dati vengono immessi nella memoria (RAM) – principio del programma memorizzato .

4. L'elaborazione è controllata da un processore, la cui unità di controllo (CU) seleziona le istruzioni dalla RAM e ne organizza l'esecuzione, e l'unità aritmetico-logica (ALU) esegue operazioni aritmetiche e operazioni logiche sui dati.

5. I dispositivi di input/output (I/O) sono collegati al processore e alla RAM.

Von Neumann non solo avanzò i principi fondamentali della struttura logica dei computer, ma propose anche una struttura che fu riprodotta durante le prime due generazioni di computer.

Dispositivo di archiviazione esterno (ESD)

Riso. 1. Architettura del computer Fine del modulo,

Memoria ad accesso casuale (RAM)

costruito sui principi

von Neumann

- direzione dei flussi informativi; - direzione dei segnali di controllo dal processore ad altri nodi del computer

I fondamenti dell'architettura dei dispositivi informatici sviluppati da von Neumann si rivelarono così fondamentali da ricevere in letteratura il nome di "architettura di von Neumann". La stragrande maggioranza delle VM oggi lo sono macchine di von Neumann.

L'emergere della terza generazione di computer è dovuto al passaggio dai transistor ai circuiti integrati, che ha portato ad un aumento della velocità del processore. Ora il processore era costretto a restare inattivo, in attesa di informazioni da dispositivi di input/output più lenti, e questo riduceva l'efficienza dell'intero computer nel suo complesso. Per risolvere questo problema sono stati creati circuiti speciali per controllare il funzionamento di dispositivi esterni o semplicemente controllori.

L'architettura dei moderni personal computer si basa su principio modulare della dorsale. La comunicazione delle informazioni tra i dispositivi informatici viene effettuata tramite bus di sistema(un altro nome è autostrada del sistema).

Un autobus è un cavo composto da molti conduttori. Un gruppo di conduttori - bus dati le informazioni elaborate vengono trasmesse, dall'altro - bus degli indirizzi- indirizzi di memoria o dispositivi esterni a cui accede il processore. La terza parte dell'autostrada - autobus di controllo, attraverso di esso vengono trasmessi segnali di controllo (ad esempio, un segnale che il dispositivo è pronto per il funzionamento, un segnale per avviare il funzionamento del dispositivo, ecc.).

Come funziona bus di sistema? Abbiamo già detto che i bit uno e zero esistono solo nella testa dei programmatori. Per un processore, solo le tensioni ai suoi contatti sono reali. Ogni pin corrisponde a un bit e il processore deve solo distinguere tra due livelli di tensione: sì/no, alto/basso. Pertanto, l'indirizzo del processore è una sequenza di tensioni ai capi contatti speciali, chiamato bus degli indirizzi. Si può immaginare che dopo aver impostato la tensione sui contatti del bus degli indirizzi, la tensione appaia sui contatti del bus dati, codificando il numero memorizzato nell'indirizzo specificato. Questa immagine è molto approssimativa perché richiede tempo per recuperare i dati dalla memoria. Per evitare confusione, il funzionamento del processore è controllato da uno speciale generatore di clock. Produce impulsi che dividono il lavoro del processore in fasi separate. L'unità di tempo del processore è un ciclo di clock, ovvero l'intervallo tra due impulsi del generatore di clock.

Le tensioni che appaiono sul bus degli indirizzi del processore sono chiamate indirizzo fisico. In modalità reale, il processore funziona solo con indirizzi fisici. Al contrario, la modalità protetta del processore è interessante perché il programma funziona con indirizzi logici e il processore li converte invisibilmente in fisici. Sistema Windows utilizza la modalità processore protetta. I sistemi operativi e i programmi moderni richiedono così tanta memoria che la modalità protetta del processore è diventata molto più “reale” della modalità reale.

Il bus di sistema è caratterizzato orologio frequenza e profondità di bit. Viene chiamato il numero di bit trasmessi contemporaneamente sul bus larghezza del bus. Frequenza dell'orologio caratterizza il numero di operazioni elementari di trasferimento dati in 1 secondo. La larghezza del bus è misurata in bit, la frequenza del clock è misurata in megahertz.

Qualsiasi informazione trasmessa dal processore ad altri dispositivi tramite il bus dati è accompagnata da indirizzo trasmesso sul bus degli indirizzi. Può essere l'indirizzo di una cella di memoria o l'indirizzo di un dispositivo periferico. È necessario che la larghezza del bus consenta la trasmissione dell'indirizzo della cella di memoria. Pertanto, in parole povere, la larghezza del bus limita la quantità di RAM del computer; non può essere maggiore di , dove n è la larghezza del bus. È importante che le prestazioni di tutti i dispositivi collegati al bus siano coerenti. Non è saggio avere un processore veloce e una memoria lenta, oppure un processore e una memoria veloci, ma un disco rigido lento.

Riso. 2. Schema di un computer costruito secondo il principio della dorsale

Nei computer moderni è implementato principio dell’architettura aperta, consentendo all'utente di assemblare la configurazione del computer di cui ha bisogno e, se necessario, aggiornarlo.

Configurazione Un computer si riferisce all'insieme effettivo di componenti informatici che compongono un computer. Il principio dell'architettura aperta consente di modificare la composizione dei dispositivi informatici. È possibile collegare ulteriori dispositivi periferici all'autostrada dell'informazione e alcuni modelli di dispositivi possono essere sostituiti con altri.

Collegamento hardware di una periferica alla dorsale attiva livello fisico effettuato tramite un blocco speciale - controllore(altri nomi: adattatore, scheda, scheda). Su cui installare i controller scheda madre ci sono connettori speciali - slot.

Il controllo software del funzionamento di un dispositivo periferico viene effettuato tramite il programma - autista, che è un componente sistema operativo. Poiché esiste un'enorme varietà di dispositivi che possono essere installati su un computer, ciascun dispositivo viene solitamente fornito con un driver che interagisce direttamente con questo dispositivo.

Il computer comunica con dispositivi esterni tramite porti– connettori speciali sul pannello posteriore del computer. Distinguere sequenziale E parallelo porti. Le porte seriali (COM –) vengono utilizzate per collegare manipolatori, un modem e trasmettere piccole quantità di informazioni su lunghe distanze. Le porte parallele (LPT) vengono utilizzate per collegare stampanti, scanner e trasmettere grandi quantità di informazioni su brevi distanze. Recentemente si sono diffuse le porte seriali universali (USB), alle quali è possibile collegare vari dispositivi.

Tutti i computer moderni, nonostante sia passato molto tempo, funzionano secondo i principi proposti dal matematico americano John von Neumann (1903-1957). Ha anche dato un contributo significativo allo sviluppo e all'applicazione dei computer. Fu il primo a stabilire i principi su cui funziona un computer:

1. Principio codifica binaria: tutte le informazioni in un computer sono presentate in forma binaria, una combinazione di 0 e 1.

2. Principio di omogeneità della memoria: sia i programmi che i dati sono memorizzati nella stessa memoria, quindi il computer non riconosce ciò che è memorizzato in una determinata cella di memoria, ma lì possono trovarsi numeri, testi, comandi, ecc. le stesse azioni possono essere eseguite sui comandi, come con i superdati.

3. Il principio dell'indirizzabilità della memoria: schematicamente, l'OP (memoria principale) è costituita da celle numerate, la CPU ( processore) qualsiasi cella di memoria è disponibile in qualsiasi momento. Per una più comoda interazione tra OP e CPU è quindi possibile assegnare nomi ai blocchi di memoria.

4. Il principio del controllo sequenziale del programma: un programma è costituito da una serie di istruzioni che vengono eseguite dalla CPU in sequenza una dopo l'altra.

5. Il principio del ramo condizionale: non sempre i comandi vengono eseguiti uno per uno, quindi è possibile avere comandi di ramo condizionale che modificano l'esecuzione sequenziale dei comandi a seconda del valore dei dati memorizzati

. Classificazione dei computer moderni.

Moderno computer sono divisi in built-in microprocessori, microcomputer(computer personale), computer centrali E supercomputer- un complesso informatico con diversi processori.

Microprocessi- processori implementati nel modulo integrante elettronico microcircuiti. I microprocessori possono essere integrati in telefoni, televisori e altri apparecchi, macchine e dispositivi.

Sui circuiti integrati vengono implementati i processori e la RAM di tutti i microcomputer moderni, nonché tutti i blocchi di computer e supercomputer di grandi dimensioni, nonché tutti i dispositivi programmabili.

Prestazioni del microprocessore ammonta a diversi milioni operazioni al secondo e il volume dei moderni blocchi RAM è di diversi milioni di byte.

Microcomputer - questi sono a tutti gli effetti informatica automobili, dotato non solo di un processore e di una RAM per l'elaborazione dei dati, ma anche di dispositivi di input-output e di archiviazione delle informazioni.

Computer personale - Questo microcomputer, dotati di dispositivi di visualizzazione su schermi elettronici, nonché dispositivi di immissione/emissione di dati sotto forma di tastiere ed eventualmente dispositivi per la connessione a reti informatiche.

Architettura del microcomputer si basa sull'uso di una dorsale di sistema, un dispositivo di interfaccia a cui sono collegati processori e unità RAM, nonché tutti i dispositivi di input-output.

Utilizzando il bagagliaio ti permette di cambiare composto E struttura microcomputer- aggiungere ulteriori dispositivi di input/output e aumentare la funzionalità dei computer.

Conservazione a lungo termine le informazioni nei computer moderni vengono effettuate utilizzando dispositivi elettronici, magnetici e supporti ottici- dischi magnetici, dischi ottici e blocchi di memoria flash.

Architettura dei computer moderni richiede la presenza di memoria a lungo termine in cui si trovano file, pacchetti software, database e sistemi operativi di controllo.

Computer mainframe - computer alto produttività con una grande quantità di memoria esterna. I computer mainframe vengono utilizzati come server per reti di computer e grandi strutture di archiviazione dati.

Computer mainframe utilizzato come base per l’organizzazione aziendale informazione sistemi al servizio di aziende industriali e agenzie governative.

Supercomputer- Questo multiprocessore computer con un'architettura complessa, dalle prestazioni più elevate e utilizzato per risolvere problemi informatici super complessi.

Prestazioni del supercomputer ammonta a decine E centinaia mille miliardi informatica operazioni al secondo. Allo stesso tempo, il numero di processori nei supercomputer aumenta sempre più e l’architettura dei computer diventa sempre più complessa.

Nel 1946, D. von Neumann, G. Goldstein e A. Berks, nel loro articolo congiunto, delinearono nuovi principi per la costruzione e il funzionamento dei computer. Successivamente furono prodotte le prime due generazioni di computer sulla base di questi principi. Ci sono stati alcuni cambiamenti nelle generazioni successive, sebbene i principi di Neumann siano ancora attuali oggi.

In effetti, Neumann è riuscito a riassumere gli sviluppi scientifici e le scoperte di molti altri scienziati e a formulare qualcosa di fondamentalmente nuovo sulla base.

I principi di von Neumann

1. Utilizzo del sistema di numerazione binario nei computer. Il vantaggio rispetto al sistema di numeri decimali è che i dispositivi possono essere resi abbastanza semplici e anche le operazioni aritmetiche e logiche nel sistema di numeri binari vengono eseguite in modo abbastanza semplice.
2. Controllo del software del computer. Il funzionamento del computer è controllato da un programma costituito da una serie di comandi. I comandi vengono eseguiti in sequenza uno dopo l'altro. La creazione di una macchina con un programma memorizzato fu l'inizio di ciò che oggi chiamiamo programmazione.
3. La memoria del computer viene utilizzata non solo per archiviare dati, ma anche programmi.. In questo caso, sia i comandi del programma che i dati sono codificati nel sistema di numerazione binario, ad es. il loro metodo di registrazione è lo stesso. Pertanto, in determinate situazioni, è possibile eseguire sui comandi le stesse azioni che sui dati.
4. Le celle di memoria del computer hanno indirizzi numerati in sequenza. In qualsiasi momento è possibile accedere a qualsiasi cella di memoria tramite il suo indirizzo. Questo principio ha aperto la possibilità di utilizzare variabili nella programmazione.
5. Possibilità di salto condizionato durante l'esecuzione del programma. Nonostante i comandi vengano eseguiti in sequenza, i programmi possono implementare la possibilità di passare a qualsiasi sezione del codice.

La conseguenza più importante di questi principi è che ora il programma non era più una parte permanente della macchina (come, ad esempio, una calcolatrice). È diventato possibile cambiare facilmente il programma. Ma l'attrezzatura, ovviamente, rimane invariata e molto semplice.

In confronto, il programma del computer ENIAC (che non aveva un programma memorizzato) era determinato da speciali ponticelli sul pannello. Potrebbe essere necessario più di un giorno per riprogrammare la macchina (impostare i ponticelli in modo diverso). E sebbene i programmi per computer moderni potrebbero volerci anni per la scrittura, ma funzionano su milioni di computer dopo pochi minuti di installazione sul disco rigido.

Come funziona una macchina von Neumann?

Una macchina von Neumann è costituita da un dispositivo di archiviazione (memoria) - una memoria, un'unità aritmetico-logica - ALU, un dispositivo di controllo - CU, nonché dispositivi di input e output.

Programmi e dati vengono immessi nella memoria dal dispositivo di input attraverso un'unità logica aritmetica. Tutti i comandi del programma vengono scritti in celle di memoria adiacenti e i dati per l'elaborazione possono essere contenuti in celle arbitrarie. Per qualsiasi programma, l'ultimo comando deve essere il comando di spegnimento.

Il comando consiste nell'indicazione di quale operazione deve essere eseguita (tra le possibili operazioni su un dato hardware) e degli indirizzi delle celle di memoria in cui sono memorizzati i dati su cui deve essere eseguita l'operazione specificata, nonché l'indirizzo della cella dove va scritto il risultato (se necessita di essere salvato in memoria).

L'unità logica aritmetica esegue le operazioni specificate dalle istruzioni sui dati specificati.

Dall'unità logica aritmetica, i risultati vengono inviati alla memoria o a un dispositivo di output. La differenza fondamentale tra una memoria e un dispositivo di output è che in una memoria i dati vengono archiviati in una forma comoda per l'elaborazione da parte di un computer e vengono inviati ai dispositivi di output (stampante, monitor, ecc.) in un modo conveniente per una persona.

L'unità di controllo controlla tutte le parti del computer. Dal dispositivo di controllo, altri dispositivi ricevono segnali “cosa fare” e da altri dispositivi l'unità di controllo riceve informazioni sul loro stato.

Il dispositivo di controllo contiene un registro speciale (cella) chiamato “contatore di programma”. Dopo aver caricato il programma e i dati in memoria, l'indirizzo della prima istruzione del programma viene scritto nel contatore del programma. L'unità di controllo legge dalla memoria il contenuto di una cella di memoria il cui indirizzo è nel program counter e lo inserisce dispositivo speciale- “Registro dei comandi”. L'unità di controllo determina il funzionamento del comando, “segna” in memoria i dati i cui indirizzi sono specificati nel comando e controlla l'esecuzione del comando. L'operazione viene eseguita dall'ALU o dall'hardware del computer.

Come risultato dell'esecuzione di qualsiasi comando, il contatore del programma cambia di uno e, quindi, punta al comando successivo del programma. Quando si deve eseguire un comando che non è successivo in ordine a quello corrente, ma è separato da quello dato da un certo numero di indirizzi, allora squadra speciale transizione contiene l'indirizzo della cella a cui deve essere trasferito il controllo.

Architettura del computerviene presa in considerazione la sua rappresentazione ad un livello generale, inclusa una descrizione delle capacità di programmazione dell'utente, dei sistemi di comando, dei sistemi di indirizzamento, dell'organizzazione della memoria, ecc. L'architettura determina i principi di funzionamento, connessioni di informazioni e connessione reciproca dei principali nodi logici di un computer: processore, memoria ad accesso casuale (RAM, OP), memoria esterna e dispositivi periferici.

Componenti dell'architettura informatica sono: capacità computazionali e logiche, hardware e software.

Struttura informaticaè l’insieme dei suoi elementi funzionali e delle connessioni tra di essi. Gli elementi possono essere i dispositivi più tipici: dai principali nodi logici di un computer ai circuiti più semplici. La struttura di un computer è rappresentata graficamente come diagrammi a blocchi, con l'aiuto del quale puoi descriverlo a qualsiasi livello di dettaglio.

L'architettura di un computer dovrebbe essere distinta dalla sua struttura. La struttura definisce uno specifico insieme di dispositivi, blocchi, nodi che compongono il computer, mentre l'architettura definisce le regole di interazione componenti computer.

I principi di Von Neumann (architettura). La costruzione della maggior parte dei computer si basa sui seguenti principi generali, formulati nel 1945 dallo scienziato americano John von Neumann.

1. Principio di controllo del programma. Ne consegue che il programma è costituito da un insieme di comandi che vengono eseguiti automaticamente dal processore uno dopo l'altro in una determinata sequenza.

Un programma viene recuperato dalla memoria utilizzando un contatore di programmi. Questo registro del processore aumenta sequenzialmente l'indirizzo della successiva istruzione memorizzata in esso della lunghezza dell'istruzione. Poiché i comandi del programma si trovano uno dopo l'altro nella memoria, da celle di memoria posizionate in sequenza viene organizzata una catena di comandi.

La struttura di un singolo comando è:

<код операции> <операнды>,

Dove<код операции>determina quale operazione deve essere eseguita;

<операнды>- un elenco (possibilmente a singolo elemento) di quelle costanti, indirizzi o nomi di variabili su cui viene eseguita questa operazione.

A seconda del numero di operandi si distinguono istruzioni macchina a uno, due e tre indirizzi. Ogni comando ha una certa dimensione, misurata in byte.

2. Il principio di transizione condizionale. Se, dopo aver eseguito un comando, si deve passare non a quello successivo, ma a qualcos'altro, vengono utilizzati i comandi di salto condizionato o incondizionato (ramo), che inseriscono nel contatore dei comandi il numero della cella di memoria contenente il comando successivo. Il recupero dei comandi dalla memoria si interrompe dopo aver raggiunto ed eseguito il comando di arresto.

Pertanto, il processore esegue il programma automaticamente, senza intervento umano.

3. Il principio di omogeneità della memoria. I programmi e i dati vengono archiviati nella stessa memoria. Pertanto, il computer non distingue tra ciò che è memorizzato in una determinata cella di memoria: un numero, un testo o un comando. È possibile eseguire le stesse azioni sui comandi e sui dati. Questo apre tutta una serie di possibilità. Ad esempio, un programma può essere elaborato anche durante la sua esecuzione, il che consente di impostare regole per ottenere alcune sue parti nel programma stesso (così è organizzata nel programma l'esecuzione di cicli e subroutine). Inoltre, i comandi di un programma possono essere ottenuti come risultati dell'esecuzione di un altro programma. I metodi di traduzione si basano su questo principio: tradurre il testo del programma da un linguaggio di programmazione di alto livello nel linguaggio di una macchina specifica.

4. Il principio di collocare un programma in memoria. Il programma richiesto per il funzionamento del computer è pre-localizzato nella memoria del computer, invece di essere inserito comando dopo comando.

5. Principio di targeting. Strutturalmente, la memoria principale è costituita da celle rinumerate; Qualsiasi cella è disponibile per il processore in qualsiasi momento. Ciò implica la possibilità di nominare le aree di memoria in modo che i valori in esse memorizzati possano essere successivamente accessibili o modificati durante l'esecuzione del programma utilizzando i nomi assegnati.

6. Il principio della gerarchia della memoria. La memoria del computer è eterogenea. Per i dati utilizzati di frequente viene allocata una memoria più piccola ma più veloce; Per i dati utilizzati raramente, viene allocata memoria più grande ma più lenta.

7. Il principio del sistema di numeri binari. Per la rappresentazione interna di dati e programmi nella memoria del computer viene utilizzato un sistema di numeri binari, che può essere implementato più facilmente dal punto di vista tecnico.

I computer costruiti su questi principi sono del tipo von Neumann. Esistono altre classi di computer fondamentalmente diverse da quelle di von Neumann. In questo caso, ad esempio, il principio del controllo del programma potrebbe non essere soddisfatto, vale a dire possono funzionare senza un contatore del programma (registro degli indirizzi) che punti al comando del programma in esecuzione. Per accedere a una variabile archiviata in memoria, questi computer non hanno bisogno di dargli un nome. Tali computer sono chiamati computer non von Neumann.

La macchina di von Neumann era costituita da una memoria, ovvero un insieme di registri, una ALU, un dispositivo di input/output e un dispositivo di controllo (Fig. 3.7).

Il dispositivo di input trasmetteva comandi e dati all'ALU, da dove venivano scritti in memoria. Tutto squadre, la cui totalità è chiamata programma, vengono scritti in memoria nelle celle vicine in ordine crescente dei loro indirizzi e i dati che richiedono l'elaborazione vengono scritti in celle con indirizzi arbitrari. L'ultimo comando del programma è necessariamente il comando di stop. Ogni comando contiene il codice dell'operazione che deve essere eseguita e gli indirizzi delle celle che contengono i dati elaborati da questo comando. Il dispositivo di controllo contiene un registro speciale chiamato " Contatore di programma" Dopo aver caricato il programma e i dati in memoria, l'indirizzo della prima istruzione del programma viene scritto nel contatore del programma. Dopodiché il computer entra in modalità esecuzione automatica programmi.

Riso. 3.7. macchina di von Neumann

Il dispositivo di controllo legge dalla memoria il contenuto della cella di memoria, il cui indirizzo si trova nel contatore del programma, e lo inserisce in un dispositivo speciale - “ Registro dei comandi" Il registro dei comandi memorizza il comando mentre viene eseguito. Il dispositivo di controllo decifra il tipo di operazione del comando, legge dalla memoria i dati i cui indirizzi sono specificati nel comando e inizia ad eseguirlo. Per ciascun comando, il dispositivo di controllo dispone di un proprio algoritmo di elaborazione, che consiste nel generare segnali di controllo per tutti gli altri dispositivi della macchina. Questo algoritmo potrebbe essere implementato sulla base combinatoria circuiti logici o utilizzando uno speciale memoria interna, dove questi algoritmi venivano scritti sotto forma di microistruzioni combinate in microprogrammi. Il microprogramma viene eseguito secondo lo stesso principio dei programmi nella memoria principale, cioè secondo il principio di von Neumann. Ciascuna microistruzione contiene una serie di segnali di controllo per i dispositivi della macchina. Si noti che i dispositivi per il controllo dell'esecuzione dei comandi del processore in moderno sistemi informatici sono anch'essi costruiti sul principio circuiti combinatori o macchine a microprogramma, in base alle quali sono suddivise RISC E CISC processori, di cui parleremo più avanti.

Il microprogramma per l'esecuzione di qualsiasi comando contiene necessariamente segnali che modificano di uno il contenuto del contatore del programma. Pertanto, dopo il completamento del comando successivo, il contatore del programma puntava alla cella di memoria successiva, che conteneva il comando del programma successivo. Il dispositivo di controllo legge l'istruzione il cui indirizzo è nel program counter, la inserisce nel registro delle istruzioni, ecc. Questo processo continua fino a quando il successivo comando eseguibile risulta essere un comando per interrompere l'esecuzione del programma. È interessante notare che sia le istruzioni che i dati che risiedono in memoria sono insiemi di interi binari. Il dispositivo di controllo non è in grado di distinguere un comando dai dati, quindi, se il programmatore ha dimenticato di terminare il programma con un comando di stop, il dispositivo di controllo legge le celle di memoria successive che non contengono più comandi di programma e cerca di interpretarli come comandi.

Un caso particolare può essere considerato comando di salto incondizionato o condizionato, quando è necessario eseguire un comando che non è successivo in ordine a quello corrente, ma è separato da quello dato da un certo numero di indirizzi. In questo caso il comando di salto contiene l'indirizzo della cella a cui deve essere trasferito il controllo. Questo indirizzo viene scritto dal dispositivo di controllo direttamente nel contatore del programma e avviene una transizione al comando di programma corrispondente.