Дж. фон Нейман. 
Создание требований к структуре вычислительной машины. 
Воплощение идей Дж. фон Неймана в компьютерах

Они включают: оперативные (ОЗУ), сверхоперативные СОЗУ), постоянные (ПЗУ) и внешние (ВЗУ) запоминающие устройства.

Оперативные ЗУ хранят информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (резидентная часть операционной системы, прикладная программа, обрабатываемые данные). В СОЗУ хранится наиболее часто используемые процессором данные. Только та информация, которая хранится в СОЗУ и ОЗУ, непосредственно доступна процессору.

Внешние запоминающие устройства (накопители на магнитных дисках, например, жесткий диск или винчестер) с емкостью намного больше, чем ОЗУ, но с существенно более медленным доступом, используются для длительного хранения больших объемов информации. Например, операционная система (ОС) хранится на жестком диске, но при запуске компьютера резидентная часть ОС загружается в ОЗУ и находится там до завершения сеанса работы ПК.

ПЗУ (постоянные запоминающие устройства) и ППЗУ (перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства) предназначены для постоянного хранения информации, которая записывается туда при ее изготовлении, например, ППЗУ для BIOS.

В качестве устройства ввода информации служит, например, клавиатура. В качестве устройства вывода — дисплей, принтер и т. д.

В построенной по схеме фон Неймана ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством — счетчиком команд в устройстве управления [6,7,8].

3. Воплощение идей Дж. фон Неймана в компьютерах

3.

1. Компьютеры первого поколения

После второй мировой войны Джон фон Нейман приступил к разработке собственного компьютера, основанного на современных ему идеях. Компьютер получил название IAS (Institute for Advanced Studies — компьютер Института перспективных исследований).

Фон Нейман описал, каким должен быть компьютер, чтобы он был универсальным и удобным средством для обработки информации.

Впервые машина была представлена в 1952 году в Принстоне (США).

Классический вариант этой машины (рис.

2) по концепции Д. фон Неймана должна содержать блоки:

оперативную памяти, арифметико-логическое устройство, устройство управления, устройства ввода-вывода внешние запоминающие устройства.

Рис. 1 Структурная схема машины фон Неймана Блок оперативной памяти. Оперативная память предназначена для хранения, как команд программы, так и данных. По концепции фон-Неймана принципиально важно, чтобы команды и данные в оперативной памяти были неразличимы. При этом, если код команды из оперативной памяти поступал на сумматор, то он интерпретировался, как данные, если код команды поступал на регистр команд, то он интерпретировался, как команда. Это было важно для возможности переадресации команд в цикле изменением команд на сумматоре.

Но в современных ЭВМ коды программ и данных в оперативной памяти стараются различать, например, при помощи специальных битов в специальных структурных объектах, называемых дескрипторами сегментов.

Блок устройства управления предназначен для формирования сигналов управления (микроопераций) для реализации выполнения команд программы.

Основными блоками устройства управления являлись: регистр указателя адреса очередной команды (счетчик команд), регистр команд, блок дешифрации команды, блоки формирования микроопераций, регистр состояния (программы).

Команды на устройства управления поступают из оперативной памяти на регистр команд по шинам передачи команд (на рис. 2 обозначены двойным пунктиром). Циклы выборки команд управляются не командами, а наборами микроопераций, реализованные аппаратно (прошиты в памяти микропрограмм).

Управление АЛУ и другими устройствами осуществляется формированием серий микроопераций согласно командам на все программно управляемые устройства (память, АЛУ, устройства ввода/вывода и т. д.). На рис. 2 линии передачи сигналов управления (микроопераций) обозначены одиночными пунктирными линиями.

После выполнения каждой команды признаки результатов и, возможно, сигналы прерываний при внештатных ситуациях во время выполнения команды посылаются от АЛУ в устройства управления (на регистр состояния программы).

Коды условий используются для реализаций ветвлений, включая циклы. На рис.

2 линии передачи кодов условий и сигналов прерывания обозначены, как и микроопераций, одиночной пунктирной линией.

По концепции фон-Неймана команды программы должны поступать из памяти в устройство управления и выполняться строго по их порядку в программу для обеспечения корректности выполнения программ.

В современных ЭВМ допускается не только одновременное, но и внеочередное выполнение множества команд, но при этом не нарушается корректность их выполнения.

Кроме этого в современных ЭВМ используются не только арифметические, но и логические операции.

Для непосредственной связи с человеком устройство управление содержал пульт управления и панель сигнализации. Но в такой конфигурации это блок схема скорее калькулятора, а не полноценной ЭВМ. В классической схеме ЭВМ предусмотрены устройства ввода и вывода. Это устройства ЭВМ, предназначенные для ввода и вывода массивов информации в форме удобные для использования человеком, например, в виде печатного текста. Кроме этого, к устройствам ввода/вывода относятся устройства хранения информации вне ЭВМ и переноса на другие ЭВМ. Это накопители на внешних носителях: перфокартах, магнитных лентах, дисках и т. д. Все эти устройства традиционно относят к внешним устройствам. Внешними устройствами могут быть устройства:

внешней памяти, ввода, вывода, связи с внешним объектом.

Устройства внешней памяти — это устройства энергонезависимой памяти, обычно на основе записи на магнитную поверхность или электронных схемах с использованием МДП транзистров с плавающим затвором (флеш-память) для хранения и/или передачи данных на другие цифровые устройства.

Устройство ввода — это любое устройство ввода данных и программ в оперативную память ЭВМ (клавиатура, перфокарты, магнитные ленты, магнитные диски и т. д.).

Устройство вывода — это любое устройство вывода данных и программ из оперативной памяти (принтер, магнитная лента, магнитные диски и т. д.). В большинстве современных ЭВМ оперативная память — энергозависимая. По этой причине операции ввода/ выводы необходимы при включении и выключении ЭВМ.

Устройство связи с внешним объектом — это любое устройство, подключенное к ЭВМ, включая сетевые объекты. Операции ввода/вывода — это операции передачи информации между оперативной памятью и внешними устройствами. Для её реализации требуется задать адрес источника, например, адрес на магнитном диске, адрес приемника (начальный адрес в оперативной памяти) и количество передаваемых данных.

Затем следует подать серию команд чтения каждой единицы информации из источника и записи в приемник, т. е. операция ввода/вывод требует программы управления (программы драйвера).

В дальнейшем, по мере развития ЭВМ устройства УУ и АЛУ, как сильно связанные между собой устройства стали рассматриваться как одно устройство программной обработки данных под названием — процессор.

В первых ЭВМ использовали чисто программные методы организации процедуры ввода/вывода. По этой причине на рис.

2 устройств ввода/вывода соединены с оперативной памятью, не на прямую, а через процессор. Процессор осуществлял операции ввода/вывода, выбирая каждую единицу передаваемых данных на свои регистры по одной команде программы драйвера, а затем, по другой команде, пересылал ее по адресу приемника, подсчитывая количество передаваемых данных и модифицируя адреса источника и приемника.

В более поздних моделях для организации процедур ввода/вывода (вместо процессора) стали использовать дополнительные специализированные процессоры ввода/вывода. Примером может служить модели семейства ЭВМ IBM 360.

В компьютере IAS нашли применение следующие основные принципы, которые были реализованы во всех последующих цифровых машинах:

наличие арифметического устройства для выполнения арифметических действий;

расположение программы и данных в общей памяти;

цикл выполнения программы;

последовательное расположение программы в памяти;

наличие регистров (маленькой, быстрой и большой, медленной памяти) и т. д.

Компьютер IAS работал вполне эффективно, в частности, он производил умножение за 100 микросекунд, а доступ к памяти (чтение из памяти и запись в память) осуществлялся за 50 микросекунд. Для того времени эти результаты были весьма впечатляющими.

Его компьютер IAS может быть назван основным представителем ЭВМ первого поколения [9, 10, 11].

Заключение

В данной работе рассмотрена биография известного математика Джона фон Неймана, который внес огромный вклад в первых вычислительных машин.

Представлены основные принципы построения ЭВМ, такие как: принцип двоичного кодирования всей информации, принцип хранимой программы, принцип программного управления, принцип адресации принципы реализации машинной арифметики памяти и принцип иерархической организации различных видов памяти.

В работе дано понятие архитектуры ЭВМ, и представлена структурная схема, которая легла в основу создания и развития компьютерной техники.

Подробно рассмотрен компьютер IAS, который был создан Дж. фон Нейманом.

История компьютера — Джон Фон Нейман. chernykh.net/content/view/449/661/

Джон фон Нейман. www. ega-math.narod.ru/

История ЭВМ.

http://pchistory2009.narod.ru/idea.html

История развития вычислительной техники. Ланина Э. П. ИрГТУ, Иркутск — 2001 г.

Таненбаум Э. Архитектура компьютера. Питер, 2007, 848 с.

Архитектура ЭВМ.

http://www.lessons-tva.info/edu/e-inf1/e-inf1−2-2.html

Жмакин А. П. Архитектура ЭВМ. БХВ-Петербург, 2006, 320 с.

Острейковский В. А. Информатика: Учебное пособие для ВУЗов /В. А. Острейковский — 3-е изд., стер. — М.: Высшая школа, 2005 — 511 с.: ил.

ЭВМ.

http://www.theory-a.ru/organiz_evm/lek1₃.html

Этапы развития вычислительной техники. Основные технические характеристики современного персонального компьютера.

http://obs.my1.ru/publ/14−1-0−34

Каймин В. А. Информатика: Учебник. — М: ИНФРА-М, 2000 — 2232 с. (серия «Высшее образование).