Архитектура фон Неймана и не фон Неймана

Финансовая - технологическая академия колледж космического машиностроения и технологий

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доклад по теме:

« Архитектура фон Неймана и не фон Неймана »

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнили

студенты К36П

Ал Саид Ясмин

Булгарь Михаил

 

Королев

2013

Содержание:

 

 

1. История
2. Машина фон Неймана
3. Принципы архитектуры фон Неймана
4. Гарвардская архитектура
5. Отличия
6. Гибридный модификации
7. Заключение 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

История

В 30-х годах правительство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать архитектуру ЭВМ для военно-морской артиллерии. И в конце 1930-х годов в Гарвардском университете Говардом Эйкеном была разработана архитектура называемая по имени этого университета. Однако, победила разработка Принстонского университета (более известная как архитектура фон Неймана, названная так по имени разработчика, первым предоставившего отчет об архитектуре), так как она была проще в реализации. Гарвардская архитектура использовалась советским учёным.

Машина фон Неймана

 В 1946 работающий в то  время в Англии венгерский  математик Джон фон Нейман (с  соавторами) описал в техническом  докладе конкретную ЭВМ, обладающую  рядом новых особенностей. Со  временем стало ясно, что эти  особенности желательно включать  в архитектуру всех разрабатываемых  в то время компьютеров. А вскоре  пришло и понимание того, что  эти новые свойства вычислительных  машин, по сути, описывают архитектуру  некото-рого абстрактного вычислителя, который сейчас принято называть машиной Фон Неймана. Эта машина является абстрактной моделью ЭВМ, однако, эта абстракция отличается от абстрактных исполнителей алгоритмов. Машина Тьюринга может обрабатывать входные данные любого объёма, поэтому этот исполни-тель алгоритма принципиально нельзя реализовать. Машина Фон Неймана не поддаётся реализации по другой причине: многие детали в архитектуре этого вычислителя, как он описывается в учебниках, не конкретизированы. Это сделано специально, чтобы не сковывать творческого подхода к делу у инженеров-разработчиков новых ЭВМ. Можно сказать, что машина Фон Неймана рассматривается не на внутреннем, а только на концептуальном уровне ви́дения архитектуры.

 Можно сказать, что  в машине Фон Неймана зафиксированы  те прогрессивные особенности  архитектуры, которые в той или  иной степени должны были быть  присущи всем компьютерам того  времени. Разумеется, практически все  современные ЭВМ по своей архитектуре  в значительной степени отличаются  от машины Фон Неймана, однако  эти отличия удобно изучать  именно как отличия, проводя сравнения и сопоставления с машиной Фон Неймана. Основополагающие свойства архитектуры машины Фон Неймана будут сформулированы в виде принципов Фон Неймана. Эти принципы многие годы определяли основные черты архитектуры нескольких поколений ЭВМ.

 

 

 

Принципы фон Неймана

Принцип линейности и однородности памяти.

 Память машины Фон Неймана – это линейная и однородная последовательность некоторых элементов, называемых ячейками. В любую ячейку памяти другие устройства машинымогут за-писать и считать информацию, причём время чтения из любой ячейки одинаково для всех ячеек. Время записи в любую ячейку тоже одинаково.

 

Ячейки памяти в машине Фон Неймана нумеруются от нуля до некоторого положительного числа N, причём число N в "настоящих" ЭВМ часто является степенью двойки,  минус единица.  Адресом ячейки называется её номер. Каждая ячейка состоит из более мелких частей, именуемых разрядами и нумеруемых также от нуля и до определённого числа. Количество разрядов в ячейке обозначает разрядность памяти. Каждый разряд может хранить одну цифру в некоторой системе счисления. В большинстве ЭВМ используется двоичная система счисления, т.к. это более выгодно с точки зрения аппаратной реализации. В этом случае каждый разряд хранит одну двоичную цифру или один бит информации. Восемь бит составляют один байт. Сам Фон Нейман тоже был сторонником использования двоичной системы счисления, что позволяло хорошо описывать архитектуру узлов ЭВМ с помощью логических выражений.

Принцип неразличимости команд и данных.

С точки зрения программиста машинное слово представляет собой либо команду, либо подлежащее обработке данное (это число, символьная информация, элемент изображения и т.д.). Данный принцип Фон Неймана заключается в том, что числа и команды неотличимы друг от друга – в памяти и те и другое представляются некоторым набором разрядов, причём по внешнему виду машинного слова нельзя определить, что оно собой представляет – команду или число.

Из неразличимости команд и данных вытекает очевидное следствие – принцип хранимой программы. Этот принцип является очень важным, его суть состоит в том, что программа хранится в памяти вместе с числами. Чтобы понять важность этого принципа рассмотрим, а как программы вообще появляются в памяти машины. Понятно, что, во-первых, команды программы могут, наравне с числами, вводится в память "из внешнего мира" с помощью устройства ввода. А теперь поймём, что на вход некоторого алгоритма можно в качестве входных данных подавать запись некоторого другого алгоритма. Остаётся сделать последний шаг в этих рассуждениях и понять, что выходными данными алгоритма тоже может быть запись некоторого другого алгоритма. Таким образом, одна программа может в качестве результата своей работы поместить в память компьютера другую программу. Именно так и работают компиляторы, переводящие программы с одного языка на другой.

Заметим также, что, когда Джон фон Нейман писал техническое задание на свою машину, многие из тогдашних ЭВМ хранили программу в памяти одного вида, а числа – в памяти другого вида, поэтому этот принцип являлся революционным.

Устройство Управления

Как ясно из самого названия, устройство управления (УУ) управляет всеми остальными устройствами ЭВМ. Оно осуществляет это путём посылки управляющих сигналов, подчиняясь которым остальные устройства производят определённые действия, предписанные этими сигналами. Остальные устройства на этой схеме могут "командовать" только памятью, делая ей запросы на чтение и запись машинных слов.

 

Принцип автоматической работы.

Машина, выполняя записанную в её памяти программу, функционирует автоматически, без участия человека, если только такое участие не предусмотрено в самой программе, например, при вводе данных. Пример устройства, которое может выполнять команды, как и ЭВМ, но не в автоматическом режиме – обычный (непрограммируемый) калькулятор.

Принцип последовательного выполнения команд. Устройство управления выполняет некоторую команду от начала до конца, а затем по определённому правилу выбирает следующую команду для выполнения, затем следующую и т.д. При этом каждая команда либо сама явно указывает на команду, которая будет выполняться следующей, либо следующей будет выполняться команда из ячейки, расположенной в памяти непосредственно вслед за той ячейкой, в которой хранится только что выполненная команда. Этот процесс продолжается, пока не будет выполнена специальная команда останова, либо при выполнении очередной команды не возникнет аварийная ситуация.

Гарвардская Архитектура

Идея, реализованная Эйкеном, заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных. В первом компьютере Эйкена «Марк I» для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие компьютера.

 

 

 

Отличие от архитектуры фон Неймана

В чистой архитектуре фон Неймана процессор одномоментно может либо читать инструкцию, либо читать/записывать единицу данных из/в памяти. То и другое не может происходить одновременно, поскольку инструкции и данные используют одну и ту же системную шину.

А в компьютере с использованием гарвардской архитектуры процессор может читать инструкции и выполнять доступ к памяти данных в то же самое время, даже без кэш-памяти.

Таким образом, компьютер с гарвардской архитектурой может быть быстрее (при определенной сложности схемы), поскольку доставка инструкций и доступ к данным не претендуют на один и тот же канал памяти.

Также машина гарвардской архитектуры имеет различные адресные пространства для команд и данных. Так, нулевой адрес инструкций — это не то же самое, что и нулевой адрес данных.

Гибридные модификации с архитектурой фон Неймана

Существуют гибридные архитектуры, сочетающие достоинства как гарвардской так и фон-неймановской архитектур. Современные CISC-процессоры обладают раздельной кэш-памятью 1-го уровня для инструкций и данных, что позволяет им за один рабочий такт получать одновременно и команду, и данные для её выполнения. То есть процессорное ядро, формально, является гарвардским, но программно оно фон-неймановское, что упрощает написание программ. Обычно в данных процессорах одна шина используется и для передачи команд, и для передачи данных, что упрощает конструкцию системы. Современные варианты таких процессоров могут иногда содержать встроенные контроллеры сразу нескольких разнотипных шин для работы с различными типами памяти — например, DDR RAM и Flash. Тем не менее, и в этом случае шины, как правило, используются и для передачи команд, и для передачи данных без разделения, что делает данные процессоры ещё более близкими к фон-неймановской архитектуре при сохранении плюсов гарвардской архитектуры.

Заключение

Первым компьютером, в котором была использована идея гарвардской архитектуры, был Марк I. Гарвардская архитектура используется в ПЛК и микроконтроллерах, таких, как Microchip PIC, Atmel AVR, Intel 4004, Intel 8051, а также в кэш-памяти первого уровня x86-микропроцессоров, делящейся на два равных либо различных по объему блока для данных и команд