Архитектура фон неймана

Определение и основные принципы работы

Компьютерная шина — это система, которая обеспечивает связь между различными компонентами компьютера, позволяя им обмениваться данными и сигналами.

Основными принципами работы компьютерной шины являются:

Передача данных: Шина предоставляет соединения для передачи данных между различными компонентами компьютера, включая процессор, память, периферийные устройства и другие важные элементы.
Управление: Шина также отвечает за передачу сигналов управления, которые определяют, какие операции должны выполняться и когда. Эти сигналы включают в себя команды, такие как чтение, запись, сброс или прерывание.
Временная синхронизация: Все компоненты компьютера должны работать в согласованный временной момент для обмена информацией. Шина предлагает механизмы синхронизации, чтобы гарантировать, что данные и сигналы передаются в правильном порядке и в нужный момент времени.

Одним из ключевых элементов компьютерной шины является шина данных. Она предназначена для передачи данных между компонентами и может иметь различное количество линий для передачи информации. Например, шина данных может иметь 8, 16, 32 или 64 линии в зависимости от архитектуры компьютера.

Другим важным элементом компьютерной шины является шина адреса. Она позволяет компонентам компьютера выбирать конкретные адреса памяти или устройства для чтения или записи данных. Шина адреса также может иметь различное количество линий, в зависимости от требуемого объема адресации.

Вместе с шиной данных и шиной адреса, компьютерная шина обычно включает управляющую шину. Она предоставляет сигналы управления для координации операций и синхронизации компонентов компьютера.

В целом, компьютерная шина играет важную роль в обеспечении связи и согласованности работы компонентов компьютера. Она позволяет процессору обмениваться данными с памятью, устройствами ввода-вывода и другими компонентами, необходимыми для выполнения операций компьютера.

Какие существуют основные поколения автобусов?

Существуют автобусы разных поколений, которые изменились благодаря открытию и развитию более совершенных транспортных средств по каналам.

Далее назовем каждое из существующих поколений:

Первое поколение

Это поколение происходит между 70-е и 80-е годы где было две шины, не предназначенные для памяти, а другая шина предназначалась для различных устройств, окружающих память.

Другими словами, в этом поколении компьютер работал с двумя определенными областями и с конкретными инструкциями и таймингами для каждой из них.

Второе поколение

Этот этап характеризуется повышенной скоростью и автономностью автобусов. Самая важная проблема с этим типом генерации пассивной шины заключается в том, что для управления шинами приходилось использовать центральный процессор, который выделял большую его часть.

Иерархия между разными автобусами начала устанавливаться в зависимости от частоты. Это происходит между 90-ми и началом нынешнего века. .

Третье поколение

Это поколение, которое используется сегодня, и его наиболее важной особенностью является то, что оно позволяет соединения точка-точка, успешно фрагментируя маршруты или треки, по которым проходят данные, тем самым уменьшая количество подключений и реализуя последовательные интерфейсы. Это относительно новая технология, она присутствует на рынке ИТ уже 10 лет

Это относительно новая технология, она присутствует на рынке ИТ уже 10 лет. .

Определение и основные понятия

Разрядность шины данных — это параметр, который определяет, сколько бит информации можно одновременно передавать на шине данных. Он указывает на максимальное количество бит, которое может быть передано за одну операцию.

Для лучшего понимания понятия «разрядность шины данных» рассмотрим такие термины:

Бит — базовая единица измерения количества информации. Он может принимать два значения: 0 или 1.
Байт — группа из 8 битов. Байт используется для представления символов и данных в компьютерах. В одном байте может храниться один символ или значение от 0 до 255.
Разрядность — обозначает, сколько битов может быть передано или обработано одновременно в системе или устройстве

Она имеет важное значение для определения максимального количества информации, которое может быть обработано во время выполнения различных операций.

Разрядность шины данных широко используется в компьютерах и других электронных устройствах. Она влияет на производительность устройства, так как чем больше разрядность, тем больше информации может быть передано или обработано за один такт.

Обычно разрядность шины данных указывается в битах. Например, 8-битная шина данных может передавать 8 бит информации за одну операцию, а 16-битная шина данных — 16 бит.

Преимущества использования большей разрядности шины данных

Шина данных является одной из важных частей аппаратуры компьютера, которая служит для передачи информации между различными устройствами. Разрядность шины данных определяет количество битов, которые могут быть переданы одновременно.

Использование большей разрядности шины данных имеет несколько преимуществ:

Увеличение скорости передачи данных:
Большая разрядность шины данных позволяет передавать большее количество данных за один такт

Это значительно увеличивает скорость передачи данных между различными устройствами, что особенно важно в случае высокоскоростных соединений, например, при передаче видео высокого разрешения или данных в сети.

Улучшение качества сигнала:
Большая разрядность шины данных позволяет снизить уровень шумов и искажений сигнала при передаче данных. Это особенно актуально в случае больших дистанций между устройствами или при работе в условиях сильных помех

Более качественный сигнал позволяет более точно восстановить передаваемые данные и повышает надежность передачи.

Повышение точности вычислений:
Большая разрядность шины данных позволяет работать с более точными числами при выполнении вычислений. Например, при использовании 32-битной шины данных можно работать с числами в пределах от -2^31 до 2^31-1, а при использовании 64-битной шины данных — от -2^63 до 2^63-1. Это позволяет производить более точные расчеты и повышает точность результатов.

Поддержка большего объема памяти:
Большая разрядность шины данных позволяет увеличить объем памяти, который может быть адресован и использован компьютером. Например, при использовании 32-битной шины данных можно адресовать до 4 ГБ памяти, а при использовании 64-битной шины данных — до 18 миллионов терабайт. Это повышает возможности компьютера и позволяет работать с большим объемом данных.

В целом, использование большей разрядности шины данных имеет ряд преимуществ, которые позволяют увеличить скорость, повысить качество передачи данных, улучшить точность вычислений и увеличить возможности компьютера.

Ограничения и недостатки малой разрядности шины данных

Малая разрядность шины данных может иметь ряд ограничений и недостатков, которые ограничивают функциональность и производительность системы.

Ограниченное количество информации: Шина данных с малой разрядностью предоставляет ограниченный набор бит для передачи информации. Это означает, что система может передавать только ограниченное количество данных за один тактовый цикл. Если требуется передать больше информации, это может потребовать дополнительных тактовых циклов или использования других методов передачи данных.
Ограниченные возможности обработки данных: Малая разрядность шины данных ограничивает возможности обработки данных внутри системы. Меньшее количество бит означает меньшую точность вычислений, что может оказывать влияние на результаты вычислений или качество обрабатываемых данных. Для задач, требующих высокой точности или обработки больших объемов данных, малая разрядность шины данных может быть недостаточной.
Ограниченная совместимость: Малая разрядность шины данных может создавать проблемы совместимости с другими компонентами системы. Например, если другие компоненты проектированы для работы с более широкими шинами данных, то могут возникать проблемы при передаче данных между компонентами.
Высокая вероятность ошибок при передаче данных: Малая разрядность шины данных может повысить вероятность ошибок при передаче данных. Из-за ограниченного количества бит может возникнуть проблема искажения данных или потери информации, особенно при передаче данных на большие расстояния или при работе в шумной среде.

В целом, малая разрядность шины данных имеет свои ограничения и недостатки, которые необходимо принимать во внимание при проектировании системы. Однако, современные технологии и алгоритмы могут помочь справиться с этими ограничениями и достичь необходимой производительности и функциональности системы

Принципы фон Неймана

Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах
. Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.
Программное управление ЭВМ
. Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.
Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ
. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.
Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы
. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.
Возможность условного перехода в процессе выполнения программы
. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.

Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.

Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было хранимой в памяти программы) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) мог потребоваться далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться годы, однако они работают на миллионах компьютеров после несколько минутной установки на жесткий диск.

Шина данных: принципы работы

Шина данных – это аппаратное средство, предназначенное для передачи информации между различными элементами компьютерной системы. Принцип работы шины данных основан на использовании специальных электрических сигналов, которые передаются по проводам с целью обмена данными.

Основными принципами работы шины данных являются:

Синхронная передача данных: В этом режиме передача данных осуществляется синхронно с тактовыми сигналами шины. На каждый такт генерируются специальные сигналы, с помощью которых передаются биты данных. Такой режим позволяет эффективно использовать пропускную способность шины и обеспечивает синхронную работу всех элементов системы.
Асинхронная передача данных: В этом режиме передача данных не синхронизируется с тактовыми сигналами шины и осуществляется по мере поступления данных. При этом каждый бит данных передается с помощью отдельного сигнала, что требует большего количества проводов для передачи информации.
Множественный доступ: Шина данных может предоставлять возможность множественного доступа к ней нескольким устройствам одновременно. Для этого используются специальные протоколы передачи данных, которые определяют правила доступа к шине и управление коллизиями (при одновременной передаче данных несколькими устройствами).
Параллельная и последовательная передача данных: Шина данных может осуществлять передачу информации как параллельно (одновременно несколько битов) так и последовательно (по одному биту за раз). Параллельная передача может обеспечить более высокую скорость передачи данных, но требует большего количества проводов.

В зависимости от применения и технических характеристик, существует множество различных типов шин данных, таких как шина PCI, шина USB, шина SATA и другие. Каждая из них имеет свои особенности и специализацию в передаче определенных типов данных.

Примеры типов шин данных:
Тип шины
Описание

PCI
Шина, используемая для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера

USB
Универсальная последовательная шина, используемая для подключения различных устройств, таких как клавиатура, мышь, флеш-накопители и принтеры

SATA
Шина для подключения жестких дисков и других устройств хранения данных

Таким образом, шина данных является важной частью компьютерной системы, обеспечивая передачу информации между различными элементами. Различные типы шин данных имеют свои особенности и предназначение, что позволяет эффективно использовать компьютерные ресурсы и обеспечивать стабильную работу системы

Компьютеры, построенные на принципах фон Неймана

По плану, первым компьютером, построенным по архитектуре фон Неймана, должен был стать EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) — одна из первых электронных вычислительных машин. В отличие от своего предшественника ЭНИАКа, это был компьютер на двоичной, а не десятичной основе. Как и ЭНИАК, EDVAC был разработан в Институте Мура Пенсильванского Университета для Лаборатории баллистических исследований (англ.) Армии США командой инженеров и учёных во главе с Джоном Преспером Экертом (англ.) и Джоном Уильямом Мокли при активной помощи математика], однако до 1951 года EDVAC не был запущен из-за технических трудностей в создании надёжной компьютерной памяти и разногласий в группе разработчиков. Другие научно-исследовательские институты, ознакомившись с ЭНИАКом и проектом EDVAC, сумели решить эти проблемы гораздо раньше. Первыми компьютерами, в которых были реализованы основные особенности архитектуры фон Неймана, были:

прототип — Манчестерская малая экспериментальная машина — Манчестерский университет , Великобритания, 21 июня 1948 года;
EDSAC — Кембриджский университет , Великобритания, 6 мая 1949 года;
Манчестерский Марк I — Манчестерский университет , Великобритания, 1949 год;
BINAC — США, апрель или август 1949 года;
CSIR Mk 1
EDVAC — США, август 1949 года — фактически запущен в 1952 году;
CSIRAC — Австралия, ноябрь 1949 года;
SEAC — США, 9 мая 1950 года;
ORDVAC — США, ноябрь 1951 года;
IAS-машина — США, 10 июня 1952 года;
MANIAC I — США, март 1952 года;
AVIDAC — США, 28 января 1953 года;
ORACLE — США, конец 1953 года;
WEIZAC — Израиль, 1955 год;
SILLIAC — Австралия, 4 июля 1956 года.

В СССР первой полностью электронной вычислительной машиной, близкой к принципам фон Неймана, стала МЭСМ , построенная Лебедевым (на базе киевского Института электротехники АН УССР), прошедшая государственные приемочные испытания в декабре 1951 года.

Слайды презентации

Слайд 1

Джон фон Нейман

Джон фон Нейман (3 декабря 1903- 8 февраля 1957) Американский математик и физик. Труды по функциональному анализу, квантовой механике, логике, метеорологии. Внес большой вклад в создание первых ЭВМ и разработку методов их применения. Его теория игр сыграла важную роль в экономике.

Слайд 2

Первая ЭВМ Первая ЭВМ была построена в 1943-1946 годах в школе инженеров-электриков Мура Пенсильванского университета и получила название ЭНИАК (по первым буквам английского названия — электронный цифровой интегратор и вычислитель). Фон Нейман подсказал её разработикам, как можно модифицировать ЭНИАК, чтобы упростить его программирование. А вот в создании следующей машины — ЭДВАК(электронный автоматический вычислитель с дискретными переменными) фон Нейман принял более активное участие. Он разработал подробную логическую схему машины, в который структурными единицами были не физические элементы цепей, а идеализированные вычислительные элементы. Использование идеализированных вычислительных элементов стало важным шагом вперед, так как позволило отделить создание принципиальной логической схемы от ее технического воплощения. Также фон Нейман предложил ряд инженерных решений. Фон Нейман предложил использовать в качестве элементов памяти не линии задержки, а электронно-лучевой трубки (электростатическая запоминающая система), что должно было сильно повысить быстродействие. При этом можно было обрабатывать все разряды иашинного слова параллельно. Эта машина была названа ДЖОНИАК — в честь фон Неймана. С помощью ДЖОНИАКА были осуществленны важные расчеты при создании водородной бомбы.

Слайд 3

Фон Нейман предложил систему корректировки данных, для повышения надежности систем — использование дублирующихся устройств с выбором двоичного результата по наибольшему числу. Фон Нейман много работал над самовоспроизведением автоматов и смог доказать возможность самовоспроизвдения конечного автомата, обладавшего 29 внутренними состояниями. Из 150 трудов Неймана лишь 20 касаются проблем физики, остальные же равным образом распределены между чистой математикой и ее практическими приложениями, в том числе теорией игр и компьютерной теорией.

Слайд 4

Новаторские работы по компьютерной теории

Нейману принадлежат новаторские работы по компьютерной теории, связанные с логической организацией компьютеров, проблемами функционирования машинной памяти, имитацией случайности, проблемами самовоспроизводящихся систем. В 1944 Нейман присоединился к группе Мокли и Эккерта, занятой созданием машины ENIAC, в качестве консультанта по математическим вопросам. Тем временем в группе началась разработка новой модели, EDVAC, которая, в отличие от предыдущей, могла бы хранить программы в своей внутренней памяти. В 1945 Нейман опубликовал «Предварительный доклад о машине EDVAC», в котором описывалась сама машина и ее логические свойства. Описанная Нейманом архитектура компьютера получила название «фон Неймановской», и таким образом ему было приписано авторство всего проекта. Это вылилось впоследствии в судебное разбирательство о праве на патент и привело к тому, что Эккерт и Мокли покинули лабораторию и основали собственную фирму. Тем не менее «архитектура фон Неймана» была положена в основу всех последующих моделей компьютеров. В 1952 Нейман разработал первый компьютер, использующий программы, записанные на гибком носителе, MANIAC I.

Слайд 5

Одной из утопических идей Неймана, для разработки которой он предлагал использовать компьютерные расчеты, было искусственное потепление климата на Земле, для чего преполагалось покрыть темной краской полярные льды чтобы уменьшить отражение ими солнечной энергии. Одно время это предложение всерьез обсуждалось во многих странах. Многие идеи фон Неймана ещё не получили должного развития, например, идея о взаимосвязи уровня сложности и способности системы к самовоспроизведению, о существовании критического уровня сложности, ниже которого система вырождается, а выше обретает способность к самовоспроизведению. В 1949 выходит работа «О кольцах операторов. Теория разложения».

Слайд 6

В 1956 Комиссия по атомной энергии наградила Неймана премией Энрико Ферми за выдающийся вклад в компьютерную теорию и практику. Джон фон Нейман был удостоен высших академических почестей. Он был избран членом Академии точных наук (Лима, Перу), Академии деи Линчеи (Рим, Италия), Американской академии искусств и наук, Американского философского общества, Ломбардского института наук и литературы, Нидерландской королевской акдаемии наук и искусств, Национальной академии США, почетным доктором многих университетов США и других стран.

Как разрабатывалась архитектура фон Неймана

Первым в истории электронным компьютером был ENIAC, построенный в 1946 году в Пенсильванском университете США: огромное 30-тонное устройство, работавшее на 18 000 электронных ламп. Вычисления производились в десятичной системе, что сильно замедляло работу компьютера и приводило к перерасходу ламп.

ENIAC был не программируемой, а коммутируемой машиной — он управлялся с коммутационной панели. Чтобы задать программу, приходилось особым образом подсоединять провода: это могло продолжаться много часов и даже дней.

Создатели ENIAC Эккерт и Мокли видели его недостатки, поэтому ещё в 1943 году начали проектировать усовершенствованную модель электронного компьютера — да, в тот момент они даже не доделали ENIAC. Будущий компьютер назвали EDVAC (от англ. Electronic Discrete Variable Automatic Computer). Работа была строго засекречена.

Работая над EDVAC, Джон Эккерт впервые предложил идею программы, хранимой в памяти. Память EDVAC была выполнена на линиях задержки — особых трубках с ртутью, сохраняющих информацию. Данные кодировались в двоичной, а не в десятичной системе — это позволило сократить количество электронных ламп.

Спустя полтора года к Эккерту и Мокли в качестве научного консультанта присоединился Джон фон Нейман — известный математик и участник Манхэттенского проекта. Он сразу увидел перспективность новой ЭВМ и помог выбить финансирование у армии США.

Учёные были обязаны регулярно отчитываться перед военными о проделанной работе. Фон Нейман подготовил «Предварительный доклад о машине EDVAC», в котором описал её основные элементы и логику работы. Он отправил отчёт военному куратору Голдстайну, и тот был впечатлён глубиной идей и ясностью изложения основных концепций. Наплевав на секретность, он перепечатал и разослал отчёт европейским и американским учёным без ведома Эккерта и Мокли, а на титульном листе в качестве автора указал только фон Неймана.

Отчёт произвёл эффект разорвавшейся бомбы. А так как фон Неймана знали в научном мире, никто не сомневался, что он и был единственным автором документа. Так описанную в отчёте структуру ЭВМ назвали архитектурой фон Неймана.

Эккерт и Мокли были возмущены действиями Голдстайна — сами они из-за секретности не могли публиковать материалы о своей работе. Создатели EDVAC не сомневались, что их машина будет очень полезной для всего мира, а потому опасались, что им не дадут оформить патент на изобретение.

Узкое место архитектуры фон Неймана

Совместное использование шины для памяти программ и памяти данных приводит к узкому месту архитектуры фон Неймана, а именно ограничению пропускной способности между процессором и памятью по сравнению с объёмом памяти. Из-за того, что память программ и память данных не могут быть доступны в одно и то же время, пропускная способность канала «процессор-память» и скорость работы памяти существенно ограничивают скорость работы процессора — гораздо сильнее, чем если бы программы и данные хранились в разных местах. Так как скорость процессора и объём памяти увеличивались гораздо быстрее, чем пропускная способность между ними, узкое место стало большой проблемой, серьёзность которой возрастает с каждым новым поколением процессоров [] ; данная проблема решается совершенствованием систем кэширования, а это порождает множество новых проблем [каких?

] .

Термин «узкое место архитектуры фон Неймана» ввел Джон Бэкус в 1977 в своей лекции «Можно ли освободить программирование от стиля фон Неймана?», которую он прочитал при вручении ему Премии Тьюринга

Ученые из США и Италии в 2015 заявили о создании прототипа мем-процессора (английское memprocessor) с отличной от фон-неймановской архитектурой и возможности его использования для решения -полных задач .

Значение разрядности шины данных в компьютерах

Разрядность шины данных является одним из ключевых параметров, определяющих производительность и возможности компьютера. Шина данных — это совокупность проводов, по которым передаются данные внутри компьютера.

Разрядность шины данных определяет, сколько бит информации может быть передано одновременно за один такт. Это число может быть представлено как степень двойки (2^n), где n — количество бит разрядности шины. Например, шина данных с разрядностью 8 может передать 8 бит информации за один такт.

Значение разрядности шины данных влияет на следующие аспекты работы компьютера:

Производительность: Чем больше разрядность шины данных, тем больше информации может быть передано за один такт, что увеличивает скорость обработки данных и повышает производительность компьютера.
Память: Разрядность шины данных также определяет максимальный объем памяти, который может быть адресован компьютером. Например, компьютер с 32-разрядной шиной данных может адресовать до 4 гигабайт памяти (2^32 байт).
Совместимость: Разрядность шины данных должна быть совместима с другими компонентами компьютера, такими как процессор и оперативная память. Несовместимость может привести к ограничению производительности.

Стандартные разрядности шин данных в настоящее время включают 32 и 64 бита. Технологические инновации могут привести к повышению разрядности шины данных и улучшению производительности компьютеров в будущем.