Принципы Фон Неймана

Введение

Настоящий этап эволюции человека характеризуется переходом от индустриального общества к информационному. Очевидно, что ключевым элементом собственности в таком обществе выступает информация. Одной из важнейших предпосылок этого перехода считается постоянно увеличивающаяся доля информационной составляющей во всех предоставляемых товарах и услугах. Кроме того, также стремительно растет число информационных товаров и услуг, к которым относятся программные продукты, базы данных, сотовая связь и т.п. Характерной чертой информационного общества является высокая степень не только информационной, но и экономической общемировой интеграции. Для полноценного функционирования этой интеграции требуется наличие единой общемировой информационной среды, в качестве которой сегодня используется Интернет [1].
Однако применение описанных выше достижений не было бы возможным без развития информатики и вычислительной техники. В настоящее время компьютер является универсальным многофункциональным электронным автоматическим устройством, предназначенным для хранения и обработки информации [4].
Ни для кого не секрет, что компьютеры и вычислительные устройства появились достаточно давно. Так, например, первый арифмометр (арифмометр Блеза Паскаля) мог реализовывать только четыре основных арифметических операции. Ключевой элемент данного арифмометра - зубчатое колесо. Современные компьютеры шагнули гораздо дальше.
Эволюция в области информатики и вычислительной техники носит скачкообразный характер: периоды накопления сил уступают научно-техническим прорывам, после чего идет стабилизация, в процессе которой полученные результаты применяются и развиваются на практике, одновременно при этом, опять-таки, копятся новые силы и знания для следующего рывка. Таким образом, развитие движется по спирали, каждый виток которой определяет новую, более высокую ступень развития.
Основа современного подхода к созданию вычислительных устройств была заложена в середине 60-х годов XX века. Если до этого отдельно разрабатывались средства математического обеспечения и аппаратура, то теперь проектируются целые системы, построенные на базе синтеза программных (software) и аппаратных (hardware) средств. Основной концепцией является концепция взаимодействия. Это и послужило предпосылкой появления такого понятия, как архитектура ЭВМ.
Чаще всего под архитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации программно-аппаратных средств и их основных характеристик, которые определяют функциональные возможности вычислительной машины в процессе решения соответствующих типов задач. В широком смысле слова архитектура ЭВМ - это совокупность свойств и характеристик с точки зрения пользователя [3].
Архитектура ЭВМ охватывает очень широкий спектр проблем, связанных с созданием комплекса программно-аппаратных средств. При этом учитываются все наиболее важные факторы, например, сфера применения, удобство в эксплуатации, стоимость и функциональные возможности.
Все вышесказанное объясняет актуальность рассматриваемой темы – архитектура является ключевым элементом любой ЭВМ, определяя ее возможности и производительность. Следовательно, любому грамотному человеку необходимо знать ключевые моменты данной темы.
Важно отметить, что основы учения об архитектуре ЭВМ были заложены Джоном фон Нейманом. Совокупность выдвинутых им принципов стала основой классической (фон-неймановской) архитектуры ЭВМ.
Объект исследования данной работы – архитектура ЭВМ.
Предмет исследования – принципы фон Неймана.
Цель работы – изучить принципы фон Неймана, привести их описание, а также рассмотреть машину фон Неймана, в которой были реализованы все эти принципы.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
изучить литературу по заданной теме;
рассмотреть эволюцию ЭВМ;
изучить принципы фон Неймана;
описать машину фон Неймана.
1. ЭВОЛЮЦИЯ ЭВМ

1.1. Основные понятия
Ключевым понятиями при рассмотрении данной темы являются понятия вычислительной машины (ВМ) и вычислительной системы (ВС). Вычислительная машина представляет собой комплекс технических и программных средств, предназначенных для автоматизации подготовки и решения пользовательских задач. Вычислительная система – это совокупность взаимодействующих взаимосвязанных процессоров или ВМ, а также программного обеспечения (ПО) и периферийного оборудования, целью которой является подготовка и решение пользовательских задач.
Архитектура ВМ является логическим построением. Впервые данный термин был использован компанией IBM в процессе разработки машин семейства IBM 360. Данный термин использовался для описания тех средств, которыми мог пользоваться программист для создания программы на уровне машинных команд.
В зависимости от компетенции системного архитектора принято выделять следующие уровни детализации ВМ:
уровень «черного ящика» - ВМ представляется в виде устройства для хранения, обработки и обмена данными;
уровень общей архитектуры – ВМ рассматривается как ЦП, основная память, система шин и устройства ввода/вывода;
уровень архитектуры ЦП – каждое устройство второго уровня подвергается детализации. Так, в состав простейшего варианта ЦП входит арифметико-логическое устройство, устройство управления (УУ) и внутренние шины;
уровень архитектуры устройства управления – детализация элементов третьего уровня. В составе УУ выделяется блок памяти, логика программной последовательности, логика формирования управления, а также регистры управления и дешифраторы.
Принято выделять два подхода для описания эволюции ВМ:
хронологический – в основе данного подхода лежит хронология событий, оказавших влияние на становление ВМ;
технологический – рассматривает развитие ВМ с точки зрения используемых архитектурных решений и технологий.
В данной работе описание эволюции будет производиться с точки зрения технологического подхода.
1.2. Поколения ЭВМ
1.2.1. Нулевое поколение (1492-1945 гг.)
Нулевое поколение компьютеров принято называть механической эрой. Основной элемент вычислительных устройств этого периода - зубчатое колесо. В начале прошлого столетия на смену зубчатым колесам пришли электромеханические реле. Фактически, вычислительные устройства данного периода не имели ничего общего с современными компьютерами.
К наиболее важным событиям данного периода относятся:
1642 г. – разработано первое механическое вычислительное устройство, созданное Блезом Паскалем. Устройство позволяло складывать и вычитать пятиразрядные десятичные числа;
1673 г. – Готфрид Лейбниц представил «пошаговый вычислитель», способный реализовывать четыре основных арифметических операции над 12-разрядными десятичными числами. Стоит отметить, что кроме обычных зубчатых колес в состав устройства входил ступенчатый валик;
1836 г. – Чарльз Бэббидж описал проект «аналитической машины», позволяющей считывать данные с перфокарт и хранить их в памяти (пятьдесят чисел). В основе данной машины заложена концепция условного перехода. Кроме того, именно здесь впервые была воплощена идея микропрограммирования – инструкции для машины задавались путем позиционирования металлических штырей в цилиндре с отверстиями. Операция сложения на данной машине выполнялась за 3 секунды, а умножения за 2-4 минуты;
1937 г. – Джордж Стибитц представил первый однобитный двоичный вычислитель на основе электромеханических реле;
1939 г. – Сэмюэль Вильямс и Джордж Стибитц представили калькулятор, построенный на релейной логике – Model I. Управление данным устройством реализовывалось посредством модифицированного телетайпа, за счет чего можно было подключаться к калькулятору по телефонной линии;
1943 г. – группа гарвардских ученых под управлением Говарда Айкена представила вычислитель Mark I. Это был первый программно управляемый вычислитель, получивший популярность в массах. Mark I состоял из целого множества отдельных вычислителей, обрабатывающих каждый свою части при решении задачи. Стоит отметить, что все вычислители контролировались единым устройством управления. Команды в эту машину вводились с помощью перфокарт. На операцию сложения требовалось 0,3 секунды, умножения – 4 секунды, деления – 10 секунд;
1945 г. – Конрад Цузе представил вычислитель Z4, схожий с современными ВМ: он состоял из отдельных самостоятельных устройств процессора и памяти. Кроме того, процессор Z4 мог обрабатывать числа с плавающей запятой и извлекать квадратный корень. Программы для Z4 хранилась на перфолентах и считывались последовательно.
Важнейшим событием эпохи нулевого поколения принято считать разработку аналитической машины Бэббиджа.

1.2.2. Первое поколение (1937 – 1953 гг.)
Основной идеей ВМ первого поколения является использование электронно-вакуумных ламп, пришедших на смену электромеханическим реле. Предполагалось, что электронные лампы будут надежнее, однако эта идея не была оправданной. Основное преимущество электронных ламп - скорость переключения. Ключи, построенные на основе ламп, переключаются приблизительно в тысячу раз быстрее, по сравнению с электромеханическими аналогами.
Первой ЭВМ принято считать калькулятор ABC, разработанный Джоном Атанасовым и Клиффордом Берри в период 1939-1942 гг

. Основной задачей данного калькулятора было решение систем линейных уравнений, в состав которых могло входить до 29 уравнений и неизвестных. ABC строился на базе конденсаторов и цепей регенерации.
Конкурентом ABC является ENIAC, созданный Джоном Мочли и Преспером Эккертом в 1946 г. Первоначально ENIAC применялся в процессах разработки водородной бомбы. Программа в данной машине задавалась посредством схемы коммутации триггеров на 40 наборных полях. В состав ENIAC входило 10 триггеров, объединенных в кольцо, образуя таким образом десятичный счетчик. Десять подобных колец представляли собой запоминающий регистр. Всего в составе ENIAC было 20 регистров.
Главное достижение первого поколения - проект EDVAC с участием Джона фон Неймана. Характерной чертой EDVAC является хранимая в памяти программа.
В целом, машины первого поколения были очень примитивны, однако они нашли свое применение в прикладных и инженерных науках.
К этому же периоду принято относить разработку малой электронной счетной машины (МЭСМ) под управлением С.А. Лебедева. Именно данная машина стала первой ЭВМ, получившей серийное производство в СССР и континентальной Европе.
1.2.3. Второе поколение (1954-1962 гг.)
Предпосылка перехода ко второму поколению ЭВМ - замена электронных ламп полупроводниковыми транзисторами и диодами.
Первой подобной ВМ является TRADIC, разработанная компанией Bell Labs. В состав TRADIC входило 10000 германиевых диодов и 700 транзисторов.
Кроме изменения структуры элементов также изменились и устройства памяти – был совершен переход от устройств, построенных на базе ртутных линий задержки к устройствам на магнитных сердечниках. Главным преимуществом памяти на магнитных сердечниках является реализация произвольного доступа к данным.
Еще одной характерной чертой ЭВМ второго поколения стало появление индексных регистров в составе процессора, на базе которых стала возможной обработка массивов данных. Кроме того, в составе архитектруы появился аппаратный блок обработки чисел с плавающей запятой. Ранее для этого использовались отдельные подпрограммы, имитирующие одну операцию.
Еще одним элементов ЭВМ, сохранившимся до наших времен и появившимся в эпоху второго поколения, является процессор ввода/вывода данных, предназначенный для освобождения ЦП от операций по управлению вводом/выводом.
Яркими представителями ЭВМ второго поколения являются IBM 7030, LARC и M20.
В СССР также велись успешные разработки, которые привели к серийному производству таких машин как «Урал», «Минск», «Днепр».
Вместе с появлением ЭВМ второго поколения наметились первые шаги в развитии ПО – были созданы первые языки программирования высокого уровня – FORTRAN, ALGOL и COBOL.

1.2.4. Третье поколение (1963-1972 гг.)
Характерным признаком ЭВМ третьего поколения является резкий рост вычислительной мощности ВМ. Это стало возможным за счет перехода от дискретных полупроводниковых элементов к интегральным микросхемам. Стоит отметить, что также была изменена технология запоминающих устройств – на смену магнитным сердечникам пришли полупроводниковые устройства.
Серьезные изменения коснулись и архитектуры ВМ. Началась эпоха конвейеризации вычислений и параллельной обработки. Область ПО ознаменовалась разработкой операционных систем, а также режима разделения времени.
Первые ВМ третьего поколения строились на интегральных схемах (ИС) малой степени интеграции. В состав одного кристалла подобной ИС входило 10 транзисторов. В конце периода третьего поколения появились ИС средней степени интеграции, число транзисторов в которых стало на порядок выше. Тогда же появилась идея создания многослойных печатных плат.
В 1964 г. Сеймур Крей представил ВС CDC 6600, которая впервые в истории ЭВМ реализовала параллелизм архитектуры. В состав данной ЭВМ входило 10 независимых функциональных блоков, способных работать параллельно. Кроме того, туда же входили 32 независимых модуля памяти, что обеспечивало быстродействие системы в 1 миллион операций в секунду над числами с плавающей запятой.
Модификацией данной машины стала CDC 7600 – это первая конвейерная вычислительная система. Ее быстродействие в 10 раз превосходило быстродействие CDC 6600.
К третьему поколению ЭВМ также принято относить семейство ВМ IBM 360, ставшее эталоном архитектуры. IBM 360 обладала следующими отличительными чертами, сохранившимися и в современных ЭВМ:
наличие отдельных блоков для операций с фиксированной и плавающей запятой;
предварительная выборка команд;
конвейеризация команд;
наличие кэш-памяти.
К данному периоду относятся и первые параллельные ВС – SOLOMON и ILLIAC IV.
В СССР также велись разработки ЭВМ, построенных на ИС. Примером является быстродействующая электронно-счетная машина БЭСМ-6, разработанная под управлением С.А. Лебедева.
Сфера ПО также не стояла на месте – в 1970 г. Кен Томпсон разработал язык B, ставший предшественником языка C. Кроме того, именно к этому периоду относится создание ранней версии ОС Unix.
1.2.5. Четвертое поколение (1972-1984 гг.)
Предпосылкой перехода к четвертому поколению ЭВМ стало возникновение ИС большой (1000 транзисторов на кристалле) и сверхбольшой (100000 транзисторов на кристалле) степени интеграции. Это позволило размещать на одном кристалле не только ЦП, но и вычислительные устройства.
Архитектура данных машин также изменилась - была предложена идея создания ВМ с сокращенным набором команд – RISC (Redused Instruction Set Computer). Данная концепция заключается в сведении набора команд машины к наиболее употребительным простейшим командам, что упрощает схемотехнику ЦП, а также сокращает время исполнения команд.
В это же время широкое распространение получили векторные ВС, называемые суперЭВМ. Также появились рабочие станции и персональные микроЭВМ.
В области ПО были созданы языки сверхвысокого уровня, ориентированные на декларативный стиль программирования. Данные языки запрашивают у программиста математическое описание задачи.
1.2.6. Пятое поколение (1984-1990 гг.)
В основе ЭВМ пятого поколения лежит идея параллельных вычислений, реализованных с помощью нескольких одновременно работающих процессоров.
В этом периоде сформировались два основных взгляда на архитектуру ЭВМ:
архитектура с совместно используемой памятью – примером такой машины является Sequent Balance 8000. Основная память в данном случае делится между 20 процессорами, каждый из которых имеет собственную кэш-память. Любой процессор способен выполнять пользовательские задачи. Кроме того, с помощью специальных функций можно использовать более одного процессора. Свое применение данные машины получили при исследованиях параллельных алгоритмов, а также техники программирования;
архитектура с распределенной памятью – каждый процессор в такой ЭВМ обладает собственным блоком памяти. Связь между процессорами реализуется посредством сети взаимосвязей. Подобный подход позволяет избавиться от ограничений пропускной способности тракта «процессор-память».
Отличительной чертой ЭВМ данного периода является резкий подъем развития технологий локальных и глобальных компьютерных сетей, что способствовало изменениям в технологии работы отдельных пользователей. Пользователи начали отдавать предпочтение персональным рабочим станциям, что позволило задействовать индивидуальную машину для решения небольших задач, вместо того, чтобы применять большие вычислительные мощности суперЭВМ и файл-серверов.

1.2.7. Шестое поколение (с 1990 г.)
Пятое и шестое поколения ЭВМ являются отражением качества, которое стало доступным за счет накопленных знаний в области информационных технологий.
Предпосылкой выделения шестого поколения стал прогресс в сфере параллельных вычислений, сопровождавшийся распространением систем с массовым параллелизмом MPP (Massively Parallel Processing). Подобные системы представляют собой совокупность большого количества автономных вычислительных машин, взаимодействующих между собой.
Другой важной чертой шестого поколения стало увеличение роли рабочих станций. Процессоры этих машин позволяют совмещать в себе параллельную обработку, конвейеризацию и RISC-архитектуру [6].


2. ПРИНЦИПЫ ФОН НЕЙМАНА

2.1. Понятие архитектуры
Ранее говорилось, что ключевым понятием любой ЭВМ является архитектура. На бытовом уровне в понятие архитектуры входят все компоненты компьютера, их функции и устройство, а также взаимосвязи между ними. Однако понятие архитектуры не может существовать само по себе, оно обязательно должно быть с чем-то связано. Чаще всего архитектура рассматривается в связи с людьми, изучающими ее. С этой точки зрения архитектура одного и того же объекта может выглядеть абсолютно по-разному. Следовательно, чтобы учесть все важные моменты, требуется определить различные уровни рассмотрения архитектуры объекта. В общем случае принято выделять три таких уровня, которые рассматриваются на примере автомобиля:
внешний уровень – представление архитектуры автомобиля с точки зрения пассажира