Kakšno je načelo arhitekture von Neumann? Kako deluje von Neumannov stroj?

Danes je težko verjeti, toda računalniki, brez katerih mnogi ne morejo več predstavljati svojega življenja, so se pojavili šele pred 70 leti. Eden od tistih, ki so odločilno prispevali k njihovemu nastanku, je bil ameriški znanstvenik John von Neumann. Predlagal je načela, na katerih večina računalnikov še danes deluje. Razmislite o tem, kako deluje naprava von Neumann.

Kratka biografska opomba

Janos Neiman se je rodil leta 1930 v Budimpešti, v zelo bogati judovski družini, ki je kasneje uspela dobiti naziv plemiča. Od otroštva se je odlikoval po svojih izjemnih sposobnostih na vseh področjih. V starosti 23 let je Neiman že zagovarjal doktorsko disertacijo iz eksperimentalne fizike in kemije. Leta 1930 je bil mladi znanstvenik povabljen na delo v Združenih državah Amerike Univerza Princeton. Hkrati je Neiman postal eden prvih zaposlenih na Inštitutu za napredne študije, kjer je do konca svojega življenja delal kot profesor. Neumannov znanstveni interesi so bili precej obsežni. Še posebej je eden izmed ustvarjalcev matematike kvantne mehanike in koncepta celičnih avtomatov.

Prispevek k informatiki

Preden ugotovimo, katero načelo ne ustreza arhitekturi von Neumann, bo zanimivo izvedeti, kako je znanstvenik prišel do ideje o ustvarjanju sodobnega računalnika.

Ker je bil strokovnjak na področju matematike eksplozij in udarnih valov, je bil v začetku 40. let von Neumann znanstveni svetovalec v eni od laboratorijev urada za vojaško orožje Združenih držav Amerike. Jeseni 1943 je prispel v Los Alamos, da sodeluje pri razvoju Manhattanskega projekta na osebnem povabilu svojega vodje Robert Oppenheimer. Pred njim je bila naloga izračunavanja sile implozijske kompresije polnjenja atomske bombe na kritično maso. Da bi ga rešili, so bili potrebni veliki izračuni, ki so bili najprej izvedeni na ročnih računalih, kasneje pa na mehanskih tabelah IBM-a z uporabo punch kartic.

Von Neumann Seznanil sem se z informacijami o napredku pri ustvarjanju elektronsko-mehanskih in popolnoma elektronskih računalnikov. Kmalu je bil pritegnil k razvoju ADVAC in ENIAC računalnikov, zaradi česar je delo, ki ga je začel pisati "Prvi osnutek poročila o ADVAC", ostala nedokončana, v katerem je predstavil znanstveni skupnosti povsem novo idejo, kaj bi morala biti računalnik arhitekture.

Von Neumannova načela

Informatika kot znanost do leta 1945 je prišla v slepo ulico, saj je vse računalniki shranjene v pomnilniško obdelani številki v 10. formi, programi za izvajanje operacij pa so bili nastavljeni z namestitvijo skakalcev na obliž plošči.

To je močno omejevalo zmožnosti računalnikov. Pravi preboj je postal načela von Neumann. Na kratko, jih je mogoče izraziti v enem stavku: prehod na sistem binarnih števil in načelo shranjenega programa.

Analiza

Poglejmo, na katera načela temelji klasična struktura naprave von Neumann:

1. Prehod v binarni sistem iz decimalnih mest

To načelo arhitekture Neumann nam omogoča uporabo precej preprostih logičnih naprav.

2. Programska oprema za nadzor elektronskega računalnika

Delovanje računalnika je nadzorovano z nizom navodil, izvedenih zaporedoma eno za drugo. Razvoj prvih strojev s programom, shranjenim v pomnilniku, je postavil temelje za sodobno programiranje.

3. Podatki in programi v pomnilniku računalnika so shranjeni skupaj.

V tem primeru, podatke in navodila programa imajo enak način pisanja v binarnem sistemu, tako da v nekaterih primerih več kot jih je mogoče izvajati enake ukrepe, kot so podatki.

Posledice

Poleg tega ima arhitektura naprave Fonnemann naslednje funkcije:

1. Spominske celice imajo naslove, ki so zaporedno oštevilčeni

Zahvaljujoč uporabi tega načela je postalo mogoče uporabljati spremenljivke pri programiranju. Še posebej se lahko kadarkoli sklicujete na določeno lokacijo pomnilnika na svojem naslovu.

2. Možnost pogojnega prenosa med izvajanjem programa

Kot smo že omenili, morate ukaze v programih izvajati zaporedno. Vendar pa obstaja možnost prehoda na katerikoli del kode.

Kako deluje von Neumann

Tak matematični model je sestavljen iz spomina (pomnilnika), aritmetične logične enote (ALU), krmilne naprave ter vhodnih in izhodnih naprav. Vsa programska navodila so napisana v celicah pomnilnika v soseski, podatki za njihovo obdelavo pa so v poljubnih celicah.

Vsaka ekipa mora sestavljati:

• Navedite, katero operacijo je treba izvesti;
• naslove pomnilniških celic, v katerih so shranjeni izvirni podatki, na katere vpliva določena operacija;
• naslove celic, na katere je treba zapisati rezultat.

Ti ukazi posebne operacije na vhodnih podatkov ALU izveden in rezultati so napisani v pomnilniških celic, tj. E. hranimo v obliki, primerni za nadaljnjo strojno obdelavo, ali posredujejo izhodne naprave (monitor, tiskalnik, itd) in je na voljo človeku.

CU nadzoruje vse dele računalnika. Od njega do drugih naprav prejemajo signale - naročila »kaj storiti« in iz drugih naprav prejmejo informacije o tem, v kakšnem stanju so.

Nadzorna naprava ima poseben register imenovan "števec ukazov" nadzornega odbora. Po nalaganju prvotnih podatkov in programa v pomnilnik, SC zapisuje naslov svojega prvega ukaza. UU bere vsebino celice iz pomnilnika računalnika, njen naslov je v SC in ga postavi v "Register za ukaze". Nadzorna naprava določa operacijo, ki ustreza določenemu ukazu, in »oznake« v pomnilniku računalnika podatke, katerih naslove so označeni v njem. Nadalje, ALU ali računalniška strojna oprema nadaljuje z operacijo, po kateri se vsebina SC spremeni v eno, tj. Pomeni naslednji ukaz.

Kritika

Pomanjkljivosti in sodobne perspektive arhitekture von Neumann so še naprej predmet razprav. Dejstvo, da so stroji, ustvarjeni na načelih, ki jih je razvil ta izjemen znanstvenik, niso popolni, je bilo opaziti že zelo dolgo nazaj.

Zato lahko v izpitnih listih o računalniških znanjih pogosto najdemo vprašanje »kakšno načelo arhitekture von Neumannov ne ustreza in kakšne slabosti ima.«

Pri odgovoru na njen drugi del je treba navesti:

• za prisotnost semantične vrzeli med programskimi jeziki visokega nivoja in ukaznim sistemom;
• o problemu ujemanja OP in pasovne širine procesorja;
• na nastajajočo krizo programske opreme, ki jo povzroča dejstvo, da so stroški njenega ustvarjanja veliko nižji od stroškov razvoja strojne opreme in ni možnosti, da bi program celovito preizkusili;
• pomanjkanje možnosti v smislu hitrosti, saj je že bila dosežena teoretična meja.

Glede na to, katero načelo ne ustreza arhitekturi von Neumanna, govorimo o vzporedni organizaciji velikega števila podatkovnih tokov in ukazov, ki so del multiprocesorske arhitekture.

Zaključek

Sedaj veste, kako arhitektura von Neumann ne ustreza. Očitno je, da znanost in tehnologija ne stojita, in morda kmalu se bodo v vsaki hiši pojavili računalniki povsem novega tipa, s čimer bo človeštvo doseglo novo stopnjo njenega razvoja. Mimogrede, simulatorski program "Von Neumann Architecture" bo pomagal pripraviti na izpit. Takšni digitalni izobraževalni viri omogočajo učenje gradiva in omogočajo ocenjevanje znanja.