Структурная организация ЭВМ. Принципы Неймана


Обобщенная структурная схема ЭВМ включает пять основных функциональных блоков: устройство ввода (УВв), запоминающее устройство (ЗУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ) и устройство вывода информации (УВыв).
Чтобы понять назначение и взаимосвязь основных устройств ЭВМ, необходимо рассмотреть последовательность прохождения информации при ее обработке (рис. 1.5).
В основе организации вычислительного процесса на машине лежит принцип программного управления. Для решения задачи на ЭВМ необходимо составить программу.

Программа — определенная последовательность команд (инструкций), которая обеспечивает выполнение задачи.
Пользователь записывает программу на каком-либо алгоритмическом языке. Однако компьютер работает под управлением программы, переведенной с алгоритмического на машинный язык, который является собственным языком программирования машины.

Рис. 1.5. Обобщенная структурная схема ЭВМ неймановского типа


Программа, а также исходная информация вводятся с промежуточного машинного носителя (например, с магнитной ленты, перфокарты и т.п.) или напрямую с клавиатуры.
Информация, зафиксированная на машинных носителях, вводится в ЭВМ через устройство ввода, с помощью которого закодированная на носителе информация преобразуется в электрические сигналы и передается в запоминающее устройство.
Основной функцией запоминающих устройств (памяти ЭВМ) является хранение программ и данных, необходимых для решения задачи, а также промежуточных и окончательных результатов вычислений.
Пользователя ЭВМ интересуют прежде всего такие характеристики, как емкость памяти и ее быстродействие.
Емкость памяти определяется максимально возможным количеством кодов чисел и команд определенной разрядности, которые могут одновременно храниться в запоминающем устройстве.

Быстродействие памяти характеризуется временем, которое необходимо для поиска (выборки), записи или считывания данных {время доступа к памяти).
Эти две характеристики взаимопротиворечивы (увеличение емкости может привести к снижению быстродействия), поэтому для удовлетворения требований высокого быстродействия и большой емкости памяти в ЭВМ включается набор запоминающих устройств, построенных на различных физических принципах.
В ЭВМ всегда имеется не менее двух типов ЗУ: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и внешнее запоминающее устройство (ВЗУ).
Оперативное запоминающее устройство используется непосредственно при выполнении операций вычислительного процесса и имеет сравнительно небольшую емкость. Его главное достоинство — высокое быстродействие (время доступа — десятки и сотни наносекунд), которое достигается за счет прямого доступа к регистрам памяти. Это реализуется чисто электронным способом. Недостатки — относительно высокая стоимость и энергозависимость: при выключении ЭВМ все данные, хранящиеся в ОЗУ, пропадают.
Внешнее запоминающее устройство предназначено для хранения промежуточных результатов, участков программ и массивов, исходных данных, не уместившихся в ОЗУ; ВЗУ обладает сравнительно невысокой скоростью работы (время доступа — микросекунды, десятые доли секунды и даже десятки секунд). При этом емкость памяти практически не ограничена. Этот вид памяти может обеспечивать прямой доступ (магнитный диск) или последовательный доступ (магнитная лента) к данным. В любом случае реализация доступа является не чисто электронной, а электронно-механической, поэтому быстродействие во много раз ниже, чем у ОЗУ; ВЗУ является энергонезависимым устройством.

Кроме ОЗУ и ВЗУ в ЭВМ используются и другие виды памяти, в частности постоянная память (ПЗУ) — часть основной памяти[II], размещаемая в электронном устройстве, обеспечивающем постоянное хранение данных. В этом случае вместе с преимуществами оперативной памяти (быстродействие, прямой доступ), обеспечивается одно из важнейших преимуществ внешней памяти — энергонезависимость.
Преобразование информации происходит в арифметико-логическом устройстве (АЛУ), которое выполняет арифметические операции (например, сложение и умножение) и логические операции (сравнение, инверсия).
Устройства вывода представляют результаты обработки данных либо в удобной форме для визуального восприятия человеком — печатают на бумаге или отображают на дисплее, либо в форме, удобной для передачи на другие устройства, — на машинных носителях, по линиям связи. Результаты решения задачи передаются в УВыв из оперативной памяти.
Часто совокупность устройств ввода и вывода принято называть устройствами ввода-вывода (УВвВыв). Это связано с тем, что некоторые устройства, например дисплеи, телетайпы, могут применяться как для ввода, так и для вывода данных.
Согласование работы описанных устройств осуществляет устройство управления (УУ). Оно реализует программный принцип управления на основе хранимой в памяти машины программы, контролирует взаимодействие между различными устройствами и блоками вычислительной машины, определяет последовательность операций в соответствии с заданным преобразованием данных в процессе решения задачи.
Совокупность устройств ЭВМ, включающая устройство управления, арифметико-логическое устройство, внутреннюю регистровую память, принято называть центральным процессором.
Упрощенная схема вычислительного процесса может быть описана следующим образом (см. рис. 1.5). По указанию УУ управляющая информация (команда) считывается из оперативного запоминающего устройства, передается в УУ и расшифровывается. Она определяет, какая операция и над какими данными должна выполняться в АЛУ. Получив соответствующие числа и адреса, ОЗУ выдает требуемые числа в АЛУ, где они преобразуются. Результаты обработки пересылаются в ОЗУ на хранение. Окончательная результатная информация из ОЗУ с помощью устройств вывода поступает на дисплей, печатающее устройство, на машинный носитель или для передачи по линиям связи.
Принципы устройства и работы вычислительных машин описанного выше типа были впервые описаны группой американских ученых — разработчиков одной из первых в мире ЭВМ «ЭНИАК» — на основе критического анализа результатов функционирования машины. Главным теоретиком проекта был Джон фон Нейман, поэтому такой тип ЭВМ получил название «машины с неймановской архитектурой». Эти принципы следующие: ЭВМ должна создаваться на электронной основе и работать в двоичной системе счисления. В состав ЭВМ должны входить АЛУ, центральное устройство управления, запоминающие устройства (в том числе ОЗУ для данных и команд и связанное с ним ВЗУ большой емкости), устройства ввода данных и вывода результатов. Программа для ЭВМ хранится в оперативной памяти машины вместе с данными (принцип хранимой программы). Время доступа к ячейке памяти не зависит от ее номера (принцип прямого доступа к памяти). В системе команд должны быть команды условной и безусловной передачи управления.
Рассмотренные принципы были реализованы практически во всех компьютерах 60-х — 80-х годов. И в настоящее время большинство компьютеров, в том числе и персональные, имеет «неймановскую» архитектуру. 
<< | >>
Источник: под ред. С.Я. Казанцева, Н.М. Дубининой. Информатика и математика для юристов: учебник для студентов вузов, обучающихся по юридическим специальностям. 2010

Еще по теме Структурная организация ЭВМ. Принципы Неймана:

  1. РАЗВИТИЕ И ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ЗЕМЛЕВЛАДЕНИЙ И ЗЕМЛЕПОЛЬЗОВАНИЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ (ОРГАНИЗАЦИЙ)
  2. 12.1.2. Теории (модели) структурной организации знаний (информации) в долговременной памяти и репрезентации знаний
  3. 11.3. Теории мышления в отечественной психологии Структурная организация процессов мышления 1.
  4. 6.2. «Первое погружение» в социокультурную реальность гражданского общества: конституирование структурных компонентов гражданской жизни (личность — культура — социальная организация)
  5. ТРАДИЦИОННЫЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ
  6. ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ СУДА ПРИСЯЖНЫХ
  7. 3.1. Принципы организации технологических процессов на складах
  8. 4.2. ФУНКЦИИ, ЭЛЕМЕНТЫ И ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ЗАРАБОТНОЙ ПЛАТЫ
  9. 1. Теоретико-методологические основы мертоновской парадигмы структурного функционализма Критика классического структурного функционализма
  10. (6) Программы для ЭВМ.
  11. Общие принципы организации и проведения боевых операций бандформированиями
  12. Справочник, библиотека или ЭВМ!
  13. Внедрение современных технологий организации прохождения грузов на принципах международных конвенций
  14. § 5. ОБУЧЕНИЕ ЯЗЫКУ ГРАФИЧЕСКИХПОСТРОЕНИЙ ПРИ РАБОТЕ С ЭВМ