В каждой области науки и техники существуют фундаментальные идеи или принципы, определяющие на многие годы вперёд её содержание и направление развития. В компьютерных науках роль таких фундаментальных идей сыграли принципы, сформулированные независимо друг от друга двумя крупнейшими учёными XX века — Джоном фон Нейманом и Сергеем Алексеевичем Лебедевым.

Архитектура компьютера – это его устройство и принципы взаимодействия его основных элементов – логических узлов, среди которых основными являются процессор, внутренняя память (основная и оперативная), внешняя память и устройства ввода-вывода информации (периферийные).

Архитектура фон Неймана (модель фон Неймана, Принстонская архитектура) — широко известный принцип совместного хранения команд и данных в памяти компьютера.

Вычислительные машины 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 принцип хранения данных и инструкций в одной памяти.

Принцип — основное, исходное положение какой-нибудь теории, учения, науки и пр.

Основы учения об архитектуре вычислительных машин, которые рассматриваются на уроке, были заложены Джоном фон Нейманом. Более подробно о логических узлах, а также о магистрально-модульном принципе архитектуры современных персональных компьютеров можно будет узнать на этом уроке.

 Принципы Неймана-Лебедева — базовые принципы построения ЭВМ, сформулированные в середине прошлого века, не утратили свою актуальность и в наши дни.

Рассмотрим сущность основных принципов Неймана-Лебедева:

1) состав основных компонентов вычислительной машины;
2) принцип двоичного кодирования;
3) принцип однородности памяти;
4) принцип адресности памяти;
5) принцип иерархической организации памяти;
6) принцип программного управления.

 Первый принцип определяет состав основных компонентов вычислительной машины.

Любое устройство, способное производить автоматические вычисления, должно иметь определённый набор компонентов: блок обработки данных, блок управления, блок памяти и блоки ввода/вывода информации.

Его информационным центром является процессор:

• все информационные потоки (тонкие стрелки на рисунке) проходят через процессор;
• управление всеми процессами (толстые стрелки на рисунке) также осуществляется процессором.

Такие блоки есть и у современных компьютеров. Это:

• процессор, состоящий из арифметико-логического устройства (АЛУ), выполняющего обработку данных, и устройства управления (УУ), обеспечивающего выполнение программы и организующего согласованное взаимодействие всех узлов компьютера;
• память, предназначенная для хранения исходных данных, промежуточных величин и результатов обработки информации, а также самой программы обработки информации. Различают память внутреннюю и внешнюю. Основная часть внутренней памяти используется для временного хранения программ и данных в процессе обработки. Такой вид памяти принято называть оперативным запоминающим устройством (ОЗУ). Ещё одним видом внутренней памяти является постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), содержащее программу начальной загрузки компьютера. Внешняя или долговременная память предназначена для длительного хранения программ и данных в периоды между сеансами обработки;
• устройства ввода, преобразующие входную информацию в форму, доступную компьютеру;
• устройства вывода, преобразующие результаты работы компьютера в форму, доступную для восприятия человеком.

Вместе с тем в архитектуре современных компьютеров и компьютеров первых поколений есть существенные отличия.

Второй принцип

Рассмотрим суть принципа двоичного кодирования информации.

Вся информация, предназначенная для обработки на компьютере (числа, тексты, звуки, графика, видео), а также программы её обработки представляются в виде двоичного кода — последовательностей 0 и 1.

Все современные компьютеры хранят и обрабатывают информацию в двоичном коде. Выбор двоичной системы счисления обусловлен рядом важных обстоятельств: простотой выполнения арифметических операций в двоичной системе счисления, её «согласованностью» с булевой логикой, простотой технической реализации двоичного элемента памяти (триггера).

Итак, благодаря двоичному кодированию, данные и программы по форме представления становятся одинаковыми, а следовательно, их можно хранить в единой памяти.

Несмотря на всеобщее признание, использование в компьютерной технике классической двоичной системы счисления не лишено недостатков. В первую очередь это проблема представления отрицательных чисел, а также нулевая избыточность (т. е. отсутствие избыточности) двоичного представления. Пути преодоления указанных проблем были найдены уже на этапе зарождения компьютерной техники.

В 1958 г. в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова под руководством И. П. Брусенцова был создан троичный компьютер «Сетунь» (рис. 1). В нём применялась уравновешенная троичная система счисления, использование которой впервые в истории позволило представлять одинаково просто как положительные, так и отрицательные числа.

«Сетунь» представляет собой малую ЭВМ, построенную на принципах троичной логики, другими словами это троичный компьютер. Она была разработана в 1959 году в стенах вычислительного центра Московского государственного университета. Этот уникальный троичный компьютер, практически не имеет аналогов не только в данный момент времени, но и вообще в истории вычислительной техники.

Для начала разберёмся, что же такое троичный компьютер, коим, как уже было сказано, является рассматриваемая модель «Сетунь». Такое название получил специализированный компьютер, который построен на логических элементах и узлах двух типов – как на классических двоичных, так и уникальных в своём роде троичных. Понятно, что он использует в своей работе соответственные системы счисления, логики и алгоритмы работы – двоичные и троичные.

Принцип однородности памяти

Согласно принципу однородности памяти команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти неразличимы. Распознать их можно только по способу использования. … Концепция машины фон Неймана, предполагает единую память для хранения команд и данных.

Принцип адресности

Согласно принципу адресности основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек, причем процессору в произвольный момент доступна любая ячейка.

Принцип иерархической организации памяти

Иерархия компьютерной памяти — концепция построения взаимосвязи классов разных уровней компьютерной памяти на основе иерархической структуры.

Сущность необходимости построения иерархической памяти — необходимость обеспечения вычислительной системы (отдельного компьютера или кластера) достаточным объёмом памяти, как оперативной, так и постоянной.

Учитывая неоднородность периодичности обращения к конкретным записям (внутренним регистрам процессора, кэш-памяти, страницам и файлам) применяются различные технические решения, имеющие отличные характеристики, как технические так ценовые и массо-габаритные. Долговременное хранение в дорогой сверхоперативной и даже оперативной памяти, как правило, не выгодно, поэтому данные такого рода хранятся на накопителях — дисковых, ленточных, флеш и т.д.

Принцип программного управления. Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий компьютера.

Узкое место архитектуры фон Неймана

Архитектура фон Неймана обладает тем недостатком, что она последовательная. Какой бы огромный массив данных ни требовалось обработать, каждый его байт должен будет пройти через центральный процессор, даже если над всеми байтами требуется провести одну и ту же операцию.

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.

 Этот эффект называется узким горлышком фон Неймана.

Современную обработку информации невозможно представить без такого устройства, как компьютер. Его следует рассматривать, как совокупность двух составляющих:

• аппаратной части (hardware);
• программной части (software, soft).

Компьютеры, построенные на принципах фон Неймана, имеют классическую архитектуру, но, кроме нее, существуют другие типы архитектуры. Например, Гарвардская. Ее отличительными признаками являются:

• хранилище инструкций и хранилище данных представляют собой разные физические устройства;
• канал инструкций и канал данных также физически разделены.

Перспективы развития ЭВМ

Согласно сегодняшней тенденции, уровень глобальных сетей будет увеличиваться, в связи с этим будут разрабатываться новые методы хранения, обработки, представления информации. Будут совершенствоваться способы передачи информации с учетом скорости, безопасности и качества.

Виртуальная реальность остаётся одним из самых интересных и загадочных понятий компьютерной индустрии.

Виртуальная реальность — это образ искусственного мира, моделируемый техническими средствами и передаваемый человеку через ощущения. В данный момент технологии виртуальной реальности широко применяются в различных областях человеческой деятельности.

По словам учёных и исследователей, в ближайшем будущем персональные компьютеры кардинально изменятся. Примерно в 2020-2025 годах должны появиться молекулярные компьютеры, квантовые компьютеры, биокомпьютеры и оптические компьютеры. Компьютер будущего должен облегчить и упростить жизнь человека ещё в десятки раз!

Одна из указанных вероятностных альтернатив замены современных компьютеров является создание оптических ЭВМ, носителем информации в которых будет световой сгусток. Проникновение оптических способов в вычислительную технику ведется по трем фронтам. Первое основано на использовании аналоговых интерференционных оптических вычислений для решения отдельных особых задач, связанных с необходимостью быстрого выполнения интегральных преобразований. Второе направление связно с созданием чисто оптических или гибридных соединений, обладающих большей надежностью, чем электрические. И третье направление – создание компьютера, полностью состоящего из оптических устройств обработки информации.

Другие виды компьютеров – молекулярные.

Молекулярные компьютеры – это ЭВМ, использующие вычислительные возможности молекул преимущественно биологических, также используется идея вычислительных возможностей расположения атомов в пространстве.

Квантовый компьютер – ЭВМ, которое путем выполнения квантовых алгоритмов существенно использует при работе эффекты, такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность.

Нанокомпьютеры – вычислительные устройства на основе электронных технологий с размерами логических элементов порядка нескольких нанометров. Сам компьютер также имеет микроскопические размеры. Другое направление связано с разработками биокомпьютеров – клеточные и ДНК-компьютеры.

Однако квантовые компьютеры, биокомпьютеры, нанокомпьютеры и другие направления – все это на сегодняшний момент всего лишь гипотетические вычислительные устройства, которые под собой не имеют логических решений.

Высокие технологии – это будущее и это успех всего человечества. Ежедневно выпускаются новые и более совершенны модели ЭВМ. И на этом процесс развития не остановлен.

Проверь себя!

Задание №1

Задание №2