Днес е трудно да се повярва, но компютрите, без които мнозина вече не могат да си представят живота си, се появиха само преди 70 години. Един от онези, които направиха решаващ принос за създаването им, е американският учен Джон фон Нойман. Той предложи принципите, на които все още работят повечето компютри. Помислете как работи машината на фон Нойман.
Кратка биографична справка
Janos Neumann е роден в Будапеща през 1930 г., в много богато еврейско семейство, което по-късно успява да получи благородна титла. От детството си се отличава с изключителните си способности във всички области. На 23 години Нойман вече защитава докторската си дисертация в областта на експерименталната физика и химия. През 1930 г. млад учен е поканен да работи в Съединените щати в университета в Принстън. В същото време Нойман става един от първите членове на Института за напреднали, където работи като професор до края на живота си. Научните интереси на Нойман бяха доста големи. По-специално, той е един от основателите на матапарата на квантовата механика и концепцията за клетъчните автомати.
Принос към компютърната наука
Преди да разберем какъв принцип на архитектурата на фон Нойман не съвпада, ще бъде интересно да научим как науката дойде до идеята за създаване на модерна компютърна машина. Като експерт в областта на математическите експлозии и ударните вълни, в началото на 40-те години фон Нойман е научен консултант в една от лабораториите за управление на боеприпаси.Армия на САЩ През есента на 1943 г. той пристига в Лос Аламос, за да участва в разработването на проекта в Манхатън по лична покана на своя лидер Робърт Оппенхаймер. Пред него беше възложено да изчисли силата на имплозионната компресия на атомната бомба до критичната маса. За да го решим, се нуждаехме от големи изчисления, които първоначално бяха извършени на ръчни калкулатори, а по-късно и върху механичните раздели на IBM, използвайки перфокарти.
Фон Нойман се срещна с информация за напредъка в създаването на електронно-механични и напълно електронни компютри. Скоро той участва в разработването на компютри EDVAC и ENIAC и в резултат на това той започва да пише "Първия проектодоклад за EDVAC", който остава незавършен, въвеждайки изцяло нова идея на научната общност за това какво трябва да бъде компютърната архитектура.
Принципите на фон Нойман
Информатика като наука до 1945 г. спря, тъй като всички изчислителни машини съхраняваха в паметта си обработените номера в 10-та форма, а програмите за извършване на операции бяха зададени от настройки на джъмпер на табло. Това значително ограничава възможностите на компютрите. Истинският пробив беше принципите на фон Нойман. Накратко, едно изречение може да бъде изразено: преход към двоична система и принцип на запаметена програма.
Анализ
Разгледайте принципите, на които се основава класическата структура на машината на фон Нойман: 1. Преход към двоичната система от десетичната запетая.Този принцип на архитектурата на Neuman ви позволява да използвате доста просто логическо устройство. 2. Софтуерен контрол от електронен компютър Работата на компютъра се контролира от набор от команди, изпълнявани последователно едно след друго. Разработването на първата машина с програмата, която се съхранява в паметта, положи основите на съвременното програмиране. 3. Данните и програмите в паметта на компютъра се съхраняват заедно, като в този случай командите за данни и програми имат еднакъв начин на записване в двоичната система, така че в определени ситуации те могат да изпълняват същите действия като тези над данните.
Изследвания
Освен това архитектурата на машината на Foneyman има следните характеристики: 1. Клетките с памет имат адреси, последователно номерирани.Поради прилагането на този принцип стана възможно да се използват променливи в програмирането. По-специално във всеки един момент можете да отидете на една или друга клетка от паметта на нейния адрес. 2. Възможност за условен преход по време на изпълнението на програмата Както вече споменахме, командите в програмите трябва да се изпълняват последователно. Предвижда се обаче възможността за преминаване към която и да е част от кода.
Как работи фон Нойман?
Такъв математически модел се състои от памет (памет), аритметично логическо устройство (АЛУ), контролер, както и входни и изходни устройства. Всички програмни команди се записват в клетки на паметта, намиращи се в квартала, и данни за тяхната обработка - в произволни клетки. Всеки отбор трябва да се състои от:
индикация за това коя операция трябва да се извърши;
адрес на клетките на паметта, в които се съхраняват оригиналните данни, които са засегнати от операцията;
адрес на клетките, в които трябва да се запише резултатът.
Операциите, определени от командите на специфични изходни данни, се изпълняват от ALU и резултатите се записват в клетки на паметта, които се съхраняват във форма, която е удобна за последваща обработка, или се предава на изходното устройство (монитор, принтер и т.н.) и става достъпна за лице. UU управлява всички части на компютъра. От него други устройства получават сигнални нареждания "какво да правят", а от други устройства получава информация за състоянието, в което се намират. Устройството за управление има специален регистър, наречен "брояч на команди" на НС. След зареждане на изходните данни и програмата в паметта, IC записва адреса на първата си команда. UU чете от паметта на компютъра съдържанието на клетката, чийто адрес е в SC, и я поставя в "Регистър на командите". Устройството за управление определя операцията, съответстваща на дадена команда, и "отбелязва" в паметта на компютъра данните, чиито адреси са посочени в нея. След това ALU или хардуерът на компютъра започват да изпълняват операция, след което съдържанието на SC се променя на едно, т.е. сочи към такава команда.
Критика
Недостатъците и модерните перспективи на архитектурата на фон Нойман продължават да бъдат предмет на дебат. Фактът, че машините, създадени въз основа на принципите на този изтъкнат учен, не бяха съвършени, беше забелязано много отдавна. Ето защо, в изпита билети сИнформатиката често може да се сблъска с въпроса "какъв принцип се основава на архитектурата на фон Нойман и какви недостатъци има?". Когато отговаря на втората част, е необходимо да се уточни:
наличието на семантична разлика между програмните езици на високо ниво и командната система;
относно проблема за съгласуване на ОП и честотната лента на процесора;
Необходима е криза в софтуера поради факта, че разходите за създаването му са много по-ниски от разходите за развитие на хардуера и няма възможност за пълно тестване на програмата;
липса на перспективи по отношение на скоростта, тъй като теоретичната has граница вече е постигната.
Що се отнася до принципа, че архитектурата на фон Нойман не съвпада, ние говорим за паралелизма на организирането на голям брой потоци от данни и команди, присъщи на многопроцесорната архитектура.
Заключение
Сега вече знаете какъв е принципът на архитектурата на фон Нойман. Очевидно науката и технологиите не са налице и може би много скоро във всяка къща ще има компютри от напълно нов тип, чрез които човечеството ще навлезе в ново ниво на своето развитие. Между другото, програмата за обучение "Архитектура фон Нойман" ще ви помогне да се подготвите за изпита. Такива дигитални образователни ресурси улесняват усвояването на материалите и предоставят възможност за оценка на техните знания.
