Фон-неймановская архитектура ВМ

Джоном фон Нейманом предложены базовые принципы построения (двоичного кодирования, программного управления, однородности памяти и адресности) и функционирования. Большинство современных ВМ по своей структуре отвечают принципу программного управления.

Такая ВМ содержит:

- память;

- устройство управления;

- арифметико-логическое устройство;

- устройство ввода - вывода.

Рисунок - Структура фон-неймановской вычислительной машины

Структура фон-неймановской вычислительной машины

Устройства ввода - вывода

В любой ВМ имеются средства для ввода программ и данных к ним.

Информация поступает из подсоединенных к ЭВМ периферийных устройств (ПУ) ввода.

Результаты вычислений выводятся на периферийные устройства вывода.

Связь и взаимодействие ВМ и ПУ обеспечивают порты ввода и порты вывода.

Термином порт обозначают аппаратуру сопряжения периферийного устройства с ВМ и управления им. Совокупность портов ввода-вывода называют устройством ввода-вывода (УВВ) или модулем ввода/вывода (МВВ).

Основная память

Введенная информация сначала запоминается в основной памяти, а затем переносится во вторичную память для длительного хранения. Чтобы программа могла выполняться, команды и данные должны располагаться в основной памяти (ОП), организованной таким образом, что каждое двоичное слово храниться в отдельной ячейке, идентифицируемой адресом, причем соединение ячейки памяти имеет следующие по порядку адреса. Доступ к любым ячейкам запоминающего устройства (ЗУ) ОП может производиться в произвольной последовательности. Такой вид памяти называется памятью с произвольным доступом.

ОП современных ВМ состоит из полупроводниковых оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), обеспечивающих как считывание, так и запись информации. Если необходимо, чтобы часть ОП была энергонезависимой, в состав ОП включают постоянные запоминающие устройства, также обеспечивающие произвольный доступ. Хранящаяся в ПЗУ информация может только считываться, но не записываться.

Размер ячейки ОП обычно принимается равным 8 двоичным разрядам – байту. Для хранения больших чисел используются 2,4 или 8 байтов, размещаемых в ячейках с последовательными адресами. В этом случае за адрес ячейки принимается адрес его младшего байта (такой метод называется адресацией по младшему байту или методом остроконечников, микропроцессоры Intel, Dec), в противном случае – адресацией по старшему байту или методом «тупоконечников» – мп Motorola, IBM).

Вторичная память

Для долговременного хранения больших программ и массивов данных в ВМ обычно имеется дополнительная память, известная как вторичная. Вторичная память энергонезависима и чаще всего реализуется на базе магнитных дисков. Информация в ней храниться в виде специально программно поддерживаемых объектов – файлов (ISO: файл – идентифицированная совокупность экземпляров полностью описанного в конкретной программе типа данных, находящихся вне программы во внешней памяти и доступных программе посредством специальных операций).

Процессор

Устройство управления (УУ) - важнейшая часть ЭВМ, организующая выполнение программ путем реализации функции управления и обеспечивающая функционирование ВМ как единой системы. Пересылка информации между любыми элементами ВМ инициируются своим сигналом управления (СУ), то есть управление вычислительным процессом сводится к выдаче нужного набора СУ в нужной временной последовательности. Цепи СУ показаны на рис. Пунктирными линиями. Основной функцией УУ является формирование управляющих сигналов, отвечающих за извлечение команд из памяти в порядке, определяемом программой, и последующее исполнение этих команд. Кроме того, УУ формирует СУ для синхронизации и координации внутренних и внешних устройств ВМ.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) обеспечивает арифметическую и логическую обработку входных данных, в результате которой формируется выходная переменная. Функции АЛУ сводятся к простым арифметическим и логическим операциям, а также операциям сдвига. Помимо результата АЛУ формирует признак результата (флаги), характеризующих полученный результат и события, происшедшего в процесс его получения (равенство нулю, знак, четность, перенос, переполнение). Флаги могут анализироваться АЛУ с целью принятия решения о дальнейшей последовательности выполнения команд программы.

УУ и АЛУ тесно взаимосвязаны и их обычно рассматривают как единое устройство, известное как центральный процессор или просто процессор (ЦП). Помимо АЛУ ИУУ в ЦП входит также набор регистров общего назначения (РОН), служащих для промежуточного хранения информации в процессе ее обработки.