принцип двоичного кодирования фон неймана
Принципы фон Неймана (Архитектура фон Неймана)
В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В последствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальны и сегодня.
По сути, Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципиально новое.
Принципы фон Неймана
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.
Как работает машина фон Неймана
Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние ячейки памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных ячейках. У любой программы последняя команда должна быть командой завершения работы.
Команда состоит из указания, какую операцию следует выполнить (из возможных операций на данном «железе») и адресов ячеек памяти, где хранятся данные, над которыми следует выполнить указанную операцию, а также адреса ячейки, куда следует записать результат (если его требуется сохранить в ЗУ).
Арифметико-логическое устройство выполняет указанные командами операции над указанными данными.
Из арифметико-логического устройства результаты выводятся в память или устройство вывода. Принципиальное различие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройства вывода (принтер, монитор и др.) поступают так, как удобно человеку.
УУ управляет всеми частями компьютера. От управляющего устройства на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии.
Управляющее устройство содержит специальный регистр (ячейку), который называется «счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. УУ считывает из памяти содержимое ячейки памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство — «Регистр команд». УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера.
В результате выполнения любой команды счетчик команд изменяется на единицу и, следовательно, указывает на следующую команду программы. Когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов, то специальная команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать управление.
Принцип двоичного кодирования фон неймана
Компьютер должен иметь:
Память компьютера представляет собой некоторое количество пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково легко доступны для других устройств компьютера.
Как всякая техника, компьютеры развивались в сторону увеличения функциональности, целесообразности и красоты. Есть вообще утверждение, претендующее на закон: совершенный прибор не может быть безобразным по внешнему виду и наоборот, красивая техника не бывает плохой. Компьютер становится не только полезным, но и украшающим помещение прибором. Внешний вид современного компьютера, конечно, соотносится со схемой фон Неймана, но в то же время и разнится с ней.
В настоящее время обычный персональный компьютер представляет собой комплекс, состоящий из:
Компьютеры, построенные на принципах фон Неймана
В середине 1940-х проект компьютера, хранящего свои программы в общей памяти был разработан в Школе электрических разработок Мура (англ. Moore School of Electrical Engineering ) в Университете штата Пенсильвания. Подход, описанный в этом документе, стал известен как архитектура фон Неймана, по имени единственного из названных авторов проекта Джона фон Неймана, хотя на самом деле авторство проекта было коллективным. Архитектура фон Неймана решала проблемы, свойственные компьютеру ENIAC, который создавался в то время, за счёт хранения программы компьютера в его собственной памяти. Информация о проекте стала доступна другим исследователям вскоре после того, как в 1946 году было объявлено о создании ENIAC. По плану предполагалось осуществить проект силами Муровской школы в машине EDVAC, 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, получившие копии проекта, сумели решить эти проблемы гораздо раньше группы разработчиков из Муровской школы и реализовали их в собственных компьютерных системах. Первыми пятью компьютерами, в которых были реализованы основные особенности архитектуры фон Неймана, были:
Принципы фон Неймана
Фон Нейман сформулировал 5 основных принципов:
Не нашли что искали?
Просто напиши и мы поможем
Архитектура фон Неймана
Архитектура ЭВМ фон Неймана включает:
К каждому ЭВМ прилагается список операций, которые могут проводиться с его помощью. Команда имеет следующую структуру:
Сложно разобраться самому?
Попробуй обратиться за помощью к преподавателям
Принципы фон Неймана на практике
В компьютерах последних поколений все так же применяется двоичная система, принципы автоматической работы и сохранности. Оставшиеся 2 принципа применяются в отдельных случаях.
Есть модели, способные устанавливать отличия между данными и программами. В таких компьютерах ячейки не просто хранят информацию, но и имеют метку, указывающую на характер ее содержимого. Чтобы сэкономить память, метки устанавливаются не на каждую ячейку, а на их последовательность, что дает возможность различать команды и данные.
Во многих современных компьютерах нарушаются принципы однородности и линейности. К примеру, память состоит из 2 частей с независимыми адресами ячеек, или ячейки в принципе без адресов (ассоциативная память).
Все модели новых поколений, у которых больше 1 процессора, не выполняют команды последовательно. У таких компьютеров есть возможность выполнять сразу несколько команд, при этом они могут относиться к одной программе, или к разным.
Принцип двоичного кодирования
Архитектура фон Неймана
Архитектура фон Неймана (англ. von Neumann architecture) — широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана», однако соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.
Принципы
Принцип двоичного кодирования
Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов (двоичных цифр, битов) и разделяется на единицы, называемые словами.
Принцип однородности памяти
Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
Принцип адресуемости памяти
Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к хранящимся в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.
Принцип последовательного программного управления
Предполагает, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
Принцип жесткости архитектуры
Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.
Понятие информационных систем, систем обработки данных, вычислительных систем.
Информационная система включает базы данных, СУБД и специализированные прикладные программы. ИС рассматривают как программно-аппаратную систему, предназначенную для автоматизации целенаправленной деятельности конечных пользователей, обеспечивающую, в соответствии с заложенной в нее логикой обработки, возможность получения, модификации и хранения информации.
Основной задачей ИС является удовлетворение конкретных информационных потребностей в рамках конкретной предметной области. Современные ИС немыслимы без использования баз данных и СУБД, поэтому термин «информационная система» на практике сливается по смыслу с термином «система баз данных».
Функционирование ЭВМ. Процесс и поток.
1.Функционирование ЭВМ. Процесс и поток.
Процессы и потоки
До сих пор концепцию процесса можно было охарактеризовать двумя параметрами.
• Владение ресурсами (resource ownership). Процесс включает виртуальное адресное пространство, в котором содержится образ процесса, и время от времени может владеть такими ресурсами, как основная память, каналы и устройства ввода-вывода, или файлы, или же получать контроль над ними. Операционная система выполняет защитные функции, предотвращая нежелательные взаимодействия процессов на почве владения ресурсами.
• Планирование/выполнение (scheduling/execution). Выполнение процесса осуществляется путем выполнения кода одной или нескольких программ; при этом выполнение процесса может чередоваться с выполнением других процессов. Таким образом, процесс имеет такие параметры, как состояние (выполняющийся процесс, готовый к выполнению процесс и т.д.) и текущий приоритет, в соответствии с которым операционная система осуществляет его планирование и диспетчеризацию.
В большинстве операционных систем эти две характеристики являются сущностью процесса. Но они являются независимыми, и операционная система может рассматривать их отдельно друг от друга. В некоторых операционных системах (в особенности в недавно разработанных) так и происходит. Чтобы различать две приведенные выше характеристики, единицу диспетчеризации обычно называют потоком (thread) или облегченным процессом (lightweight process), а единицу владения ресурсами — процессом (process) или заданием (task).
Кэширование памяти
Кэш (англ. cache, от фр. cacher — «прятать»; произносится [k??] — «кэш») — промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью. Доступ к данным в кэше идёт быстрее, чем выборка исходных данных из оперативной (ОЗУ) и быстрее внешней (жёсткий диск или твердотельный накопитель) памяти, за счёт чего уменьшается среднее время доступа и увеличивается общая производительность компьютерной системы.
Кэш-память представляет собой статическое ОЗУ, обладающее значительно более высоким быстродействием, нежели динамическое. Фактически, кэш-память предназначена для согласования (компенсации) скорости работы сравнительно медленных устройств с относительно быстрым центральным процессором, т.е. она играет роль быстродействующего буфера между процессором и относительно медленной динамической памятью.При попытке доступа к данным процессор сначала обращается к внутренней кэш-памяти, если их там нет, то ко внешней, лишь затем к основной динамической памяти.Когда процессор первый раз обращается к ячейке памяти, ее содержимое параллельно копируется в кэш, и в случае повторного обращения может быть с гораздо большей скоростью выбрано из кэша.
Архитектура кэш-памяти
Кэш центрального процессора разделён на несколько уровней. В универсальном процессоре в настоящее время число уровней может достигать 3. Кэш-память уровня N+1 как правило больше по размеру и медленнее по скорости доступа и передаче данных, чем кэш-память уровня N.
Самой быстрой памятью является кэш первого уровня — L1-cache. По сути, она является неотъемлемой частью процессора, поскольку расположена на одном с ним кристалле и входит в состав функциональных блоков. В современных процессорах обычно кэш L1 разделен на два кэша, кэш команд (инструкций) и кэш данных.
Вторым по быстродействию является L2-cache — кэш второго уровня, обычно он расположен на кристалле, как и L1. В старых процессорах — набор микросхем на системной плате. Объём L2 кэша от 128 Кбайт до 1?12 Мбайт. В современных многоядерных процессорах кэш второго уровня, находясь на том же кристалле, является памятью раздельного пользования — при общем объёме кэша в nM Мбайт на каждое ядро приходится по nM/nC Мбайта, где nC количество ядер процессора. Обычно латентность L2 кэша, расположенного на кристалле ядра, составляет от 8 до 20 тактов ядра.
Кэш третьего уровня наименее быстродействующий, но он может быть очень внушительного размера — более 24 Мбайт. L3 кэш медленнее предыдущих кэшей, но всё равно значительно быстрее, чем оперативная память. В многопроцессорных системах находится в общем пользовании и предназначен для синхронизации данных различных L2.
Режимы работы процессоров
Процессоры персональных компьютеров могут работать в трех режимах: реальном, защищенном и виртуальном режимах.
Первоначально персональные компьютеры фирмы IBM могли адресовать только 1 Мбайт оперативной памяти.Когда процессор работает в реальном режиме, он может обращаться к памяти только в пределах 1 Мбайт (как и процессор Intel 8086), и не может использовать 32-разрядные и 64-разрядные операции. Процессор попадает в реальный режим сразу же после запуска. В реальном режиме работают операционные системы DOS и стандартные DOS-приложения.
Это более мощный режим работы процессора по сравнению с реальным режимом. Он используется в современных многозадачных операционных системах. Защищенный режим имеет много преимуществ:
— В защищенном режиме доступна вся системная память (не существует предела 1 Мбайт).
— В защищенном режиме операционная система может организовать одновременное выполнение нескольких задач (многозадачность).
— В защищенном режиме поддерживается виртуальная память — операционная система при необходимости может использовать жесткий диск в качестве расширения оперативной памяти.
— В защищенном режиме осуществляется быстрый (32/64-разрядный) доступ к памяти и поддерживается работа 32-х разрядных операций ввода-вывода.
Защищенный режим используют графические многозадачные операционные системы, такие как Windows. Иногда возникает необходимость выполнения DOS-программ в среде операционной системы Windows. Но DOS-программы работают в реальном режиме, а не в защищенном. Для решения этой проблемы был разработан виртуальный режим или режим виртуального процессора 8086. Этот режим эмулирует (имитирует) реальный режим, необходимый для работы DOS-программ, внутри защищенного режима. Операционные системы защищенного режима (такие как Windows) могут создавать несколько машин виртуального режима — при этом каждая из них будет работать так, как будто она одна использует все ресурсы персонального компьютера. Каждая виртуальная машина получает в свое распоряжение 1 Мбайтное адресное пространство, образ реальных программ BIOS и т.п. Виртуальный режим используется при работе в DOS-окне или при запуске DOS-игр в операционной системе Windows 98/Ме. При запуске на компьютере DOS-приложения операционная система Windows создает виртуальную DOS-машину, в которой выполняется это приложение.
RAID-массивы
RAID (англ. redundant array of independent disks — избыточный массив независимых жёстких дисков) — массив из нескольких дисков, управляемых контроллером, взаимосвязанных скоростными каналами и воспринимаемых внешней системой как единое целое. В зависимости от типа используемого массива может обеспечивать различные степени отказоустойчивости и быстродействия. Служит для повышения надёжности хранения данных и/или для повышения скорости чтения/записи информации (RAID 0).
RAID 0 (striping — «чередование») — дисковый массив из двух или более жёстких дисков с отсутствием резервирования. Информация разбивается на блоки данных () и записывается на оба/несколько дисков одновременно.
(+): За счёт этого существенно повышается производительность (от количества дисков зависит кратность увеличения производительности).
(-): Надёжность RAID 0 заведомо ниже надёжности любого из дисков в отдельности и падает с увеличением количества входящих в RAID 0 дисков, т. к. отказ любого из дисков приводит к неработоспособности всего массива.
RAID 1 (mirroring — «зеркалирование»).
(+): Обеспечивает приемлемую скорость записи и выигрыш по скорости чтения при распараллеливании запросов.
(+): Имеет высокую надёжность — работает до тех пор, пока функционирует хотя бы один диск в массиве. Вероятность выхода из строя сразу двух дисков равна произведению вероятностей отказа каждого диска. На практике при выходе из строя одного из дисков следует срочно принимать меры — вновь восстанавливать избыточность. Для этого с любым уровнем RAID (кроме нулевого) рекомендуют использовать диски горячего резерва. Достоинство такого подхода — поддержание постоянной доступности.
(-): Недостаток заключается в том, что приходится выплачивать стоимость двух жёстких дисков, получая полезный объём одного жёсткого диска (классический случай, когда массив состоит из двух дисков).
SSD-накопитель
Твердотельный накопитель (англ. SSD, solid-state drive) — компьютерное запоминающее устройство на основе микросхем памяти. Кроме них, SSD содержит управляющий контроллер. Не содержит движущихся механических частей,
Различают два вида твердотельных накопителей: SSD на основе памяти, подобной оперативной памяти компьютеров, и SSD на основе флеш-памяти.
Главный недостаток SSD — ограниченное количество циклов перезаписи. Обычная [обтекаемые выражения](MLC, Multi-level cell, многоуровневые ячейки памяти) флеш-память позволяет записывать данные примерно 10 000 раз. Более дорогостоящие виды памяти (SLC, Single-level cell, одноуровневые ячейки памяти) — более 100 000 раз[9]. Для борьбы с неравномерным износом применяются схемы балансирования нагрузки. Контроллер хранит информацию о том, сколько раз какие блоки перезаписывались и при необходимости «меняет их местами»
Отсутствие движущихся частей;
Высокая скорость чтения/записи, нередко превосходящая пропускную способность интерфейса жесткого диска (SAS/SATA II 3 Gb/s, SAS/SATA III 6 Gb/s, SCSI, Fibre Channel и т. д.);
Полное отсутствие шума из-за отсутствия движущихся частей и охлаждающих вентиляторов;
Высокая механическая стойкость;
Широкий диапазон рабочих температур;
Стабильность времени считывания файлов вне зависимости от их расположения или фрагментации;
Малые габариты и вес;
Большой модернизационный потенциал, как у самих накопителей, так и у технологий их производства.
Намного меньшая чувствительность к внешним электромагнитным полям.
Видеосистема
Архитектура фон Неймана
Архитектура фон Неймана (англ. von Neumann architecture) — широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана», однако соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.
Принципы
Принцип двоичного кодирования
Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов (двоичных цифр, битов) и разделяется на единицы, называемые словами.
Принцип однородности памяти
Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
Принцип адресуемости памяти
Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к хранящимся в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.
Принцип двоичного кодирования фон неймана
Принцип однородности памяти
Команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти неразличимы. Распознать их можно только по способу использования; то есть одно и то же значение в ячейке памяти может использоваться и как данные, и как команда, и как адрес в зависимости лишь от способа обращения к нему. Это позволяет производить над командами те же операции, что и над числами, и, соответственно, открывает ряд возможностей. Так, циклически изменяя адресную часть команды, можно обеспечить обращение к последовательным элементам массива данных. Такой прием носит название модификации команд и с позиций современного программирования не приветствуется. Более полезным является другое следствие принципа однородности, когда команды одной программы могут быть получены как результат исполнения другой программы. Эта возможность лежит в основе трансляции — перевода текста программы с языка высокого уровня на язык конкретной вычислительной машины.
Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причем процессору в произвольный момент доступна любая ячейка. Двоичные коды команд и данных разделяются на единицы информации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, а для доступа к ним используются номера соответствующих ячеек — адреса.
Принцип программного управления
Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов — команд. Каждая команда предписывает некоторую операцию из набора операций, реализуемых вычислительной машиной. Команды программы хранятся в последовательных ячейках памяти вычислительной машины и выполняются в естественной последовательности, то есть в порядке их положения в программе. При необходимости, с помощью специальных команд, эта последовательность может быть изменена. Решение об изменении порядка выполнения команд программы принимается либо на основании анализа результатов предшествующих вычислений, либо безусловно.
Принцип двоичного кодирования
Данные и команды кодируются двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип информации представляется двоичной последовательностью и имеет свой формат. Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. В числовой информации обычно выделяют поле знака и поле значащих разрядов. В формате команды можно выделить два поля: поле кода операции и поле адресов.