1. Предмет на компютърната архитектура. Исторически бележки. Архитектурните принципи на Фон Нойман




Име1. Предмет на компютърната архитектура. Исторически бележки. Архитектурните принципи на Фон Нойман
Дата на преобразуване11.11.2012
Размер81.21 Kb.
ТипДокументация
източникhttp://kn5.eu/2/karh/lekcii/karh_first/karh1.doc

1. Предмет на компютърната архитектура. Исторически бележки. Архитектурните принципи на Фон Нойман

Предмет на компютърната архитектура


Компютърната архитектура отразява най-общите принципи на взаимодействие на хардуера и софтуера при организацията на изчислителния процес. Развитието на компютрите е базирано на развитието на технологията. Първите компютри са на базата на електронни лампи, интегрални схеми, транзистори и памети с малък капацитет. Първите интегрални схеми (integrated circuits) съдържат само няколко транзистора(например едни от най-първите такива съдържат по 2 транзистора), наречени са "Small-Scale Integration" (SSI) circuits. В края на 60-те се представят устройства които съдържат стотици транзистори на всеки чип, наречени Medium-Scale Integration(MSI) circuits. Следва период в който развитието на технологията е спомагано от компютрите, докато се стигне сегашния момент, когато развитието на компютрите и технологиите са неразделни и си спомагат еднакво активно. Модерните компютърни архитектури не могат да избягат от влиянието на софтуера и проблемите с компилацията. Поради наличието на съвременните компютри значително се намаляват размерите на елементите които ги изграждат и се получават малки компютри с голяма мощност. Програмирането и технологията на програмиране в началото е много тясно свързано с компютърната архитектура. После се изработва начин за управление на технологията на програмиране. Архитектурите на много езици за програмиране се провалят поради невъзможността за интегриране при потребителите. Днешния компютър е на основата на Intel x86 - 32 битовия процесор на интел и зависи от следните фактори:

  • цената за изработването на чиповете и системата;

  • енергията необходима за да работи системата;

  • надеждността на системата;

  • цената на изработване на нови чипове;

  • цената за изработване на нови програми/операционни системи и тн.

Исторически бележки


През 1834 година Чарлз Бабидж за първи път в света замислил създаването на механично устройство,способно не просто да сумира, но и да управлява хода на собствената си работа, в зависимост от заложена програма и резултатите от междинните изчисления. Прародителят на IBM бил наречен "Аналитична машина". Бабидж измислил всички основни части, които сега съставят компютъра: памет за съхраняване на числата, аритметическо устройство, механизъм, управляващ последователността на операциите, устройства за вход и изход на данните. Преди него никой дори и не бил опитал да създаде истински универсален изчислител. Даже сглобеният по-рано "аритмометър" на Блез Паскал бил, по същество, нищо повече от един усложнен суматор.

Чак след смъртта на Бабидж неговият син Хенри успял да построи по чертежите на баща си централния възел на "Аналитичната машина" - аритметическото устройство, което през 1888 година изчислявало произведението на числото "пи" с естествените числа от 1 до 32 с точност до 29 знака! Машината на Бабидж се оказала работоспособна, но Чарлз така и не видял това.
Ада Кинг Лавлейс е обявена за първия програмист, тъй като тя е създала първата програма за изчислителната машина на своя колега Чарлз Бабидж. През 1833 година тя била заинтересувана от аналитичната машина на Бабидж. Приложила всички свои способности за реализация на неговия проект, поддържала го и го вдъхновявала. Първа тя предложила да се използва аналитичната машина за решаване на уравненията на Бернули.

През 1944 се създава първият прототип на компютъра построен в една от лабораториите на IBM в Харвард. В същността си той е механичен, но притежава някои елекрическо магнитни релета. Тежи 5 тона и притежава 750000 части. Трябват му 0.3 секунди за събиране, 6 секунди за умножение и 1 минута за изчисляване на синус. Има нужда от поправка поне веднъж седмично.

ENIAC (съкращение от Electronic Numerical Integrator And Computer) е първата цифрова електронна изчислителна машина, която е програмируема и може да реши голям брой разнообразни изчислителни задачи, въпреки, че и някои предишни проекти притежават част от възможностите и. Основната задача при създаването на ENIAC е изчисляването на балистични траектории за Щатската армейска балистична лаборатория. Като физически размери ENIAC е чудовищен в сравнение с днешните стандарти. Изграден е с 17 468 лампи, 7200 диода, 1500 релета, 70 хиляди резистора, 10 хиляди кондензатора и има около 5 милиона спойки, направени на ръка. Той е създаден за отбраната на САЩ, за да изчислява траекториите на артилерийски снаряди. Физически ENIAC е бил огромен, с тегло над 27 000 килограма и се е помещавал в голяма зала. За да обработва данни, ENIAC е използвал 18 000 електронни лампи, всяка с размерите на електрическа крушка. Лампите лесно изгаряли и е трябвало непрекъснато да се сменят. Алгоритъмът по който ще работи компютъра се задава чрез превключването на жици от оператор на контролно табло.

При работата на ENIAC има 2 основни проблема: последователността от инструкции се изпълнява независимо от крайния резултат и е била нужна намесата на оператор за да се изпълнят инструкции от вида „извън строй”.

Следващият проект за такова устройство (EDVAC - Electronic Discrete Variable Automatic Computer) включва и Фон Нойман, като решението на тези проблеми се свежда до вкарването на една запомнена програма в устройството. Фон Нойман предлага компютъра да има процесор който да изпълнява фиксиран набор от инструкции и тези инструкции да се задават с една запомнена програма, която може да се манипулира лесно. Този проект е началото на съвременните компютри и от там нататък всички компютри се наричат фон нойманови.

Същност на идеите на Фон Нойман:


ПЪРВИ ПРИНЦИП: Компютърът е електронно устройство и всички операции в него се извършват от електронни схеми, изградени на основата на електронни лампи, транзистори и интегрални схеми.

ВТОРИ ПРИНЦИП: Компютрите изградени с електронни елементи трябва да работят с двоична, а не с десетична бройна система.

ТРЕТИ ПРИНЦИП: Компютърът е програмно управляемо устройство. Програмата, която управлява работата се съхранява в паметта на машината, заедно с междинните числови резултати.

ЧЕТВЪРТИ ПРИНЦИП: Компютърът трябва да изпълнява инструкциите последователно, една след друга, след прочитането им от паметта.

Универсалността на фон ноймановите компютри се явява в това, че за смяна на програмата в паметта не е необходима промяна на схемите на свързване на компонентите на компютъра, а може единствено да се смени програмата записана в паметта. Компютърът се разделя на две основни части – централен процесор и оперативна памет.


Архитектура на фон Нойман



АЛУ - Аритметично-Логическо Устройство


Преди компютърната ера извършваната операция се задавала външно (чрез жакове). В проекта ENIAC е въведено идеята за АЛУ, което понастоящем е основен елемент на централния процесор.

АЛУ има 2 входа за операнди и изход за резултат от извършената операция над операндите. Операциите на АЛУ-то се кодират като двоични числа (числото се нарича код на операцията), ако е нужно - разширяват се с данни и се получава една машинна инстукция. Операцията, която се изпълнява над операндите, се подава от БУ - блок за управление, познат още като УУ - Управляващо устройство. АЛУ изпълнява всички аритметични и логически функции – събиране, изваждане, умножение, деление и сравняване на две числа (А>В, А≥В, А=В, А≠В, А≤В, А<В). От бързодействието на това устройство зависи скоростта на изчислителния процес. При по-старите микрокомпютри времето за изпълнение на една инструкция се измерваше в милисекунди, а при новите - в нано- или пикосекунди.

АЛУ е изградено от логически елементи (gates - "порти") с различни функции: изключващо или, или, не, не-или, не-и и други. АЛУ е комбиниран компаратор (сравнител) с пълен суматор. Важна характеристика на АЛУ е разредност - броят на битовете, постъпващи едновременно на входовете му, или колко бита е размерът на един операнд. Обичайните разредности биват от 2 (много отдавна!) до 64 и повече бита, като съществуват и по-екзотични изпълнения. Разрядността на процесора е равна също на размера на шината на входа и на големината на машинната дума (последователност от битове, които машината може да "прочете" наведнъж и да ги подаде на някой вход на АЛУ).
Последователност от инструкции, записани в паметта, представлява програма на машинен език, което всъщност е програма за АЛУ-то.

Възможно е двата операнда да съществуват в самата инструкция чрез своите стойности. Тогава кодът на операцията се отделя, отива в БУ / УУ, а операндите се подават отделно на входовете на АЛУ. Но този вариант не действа особено добре, понеже компютърната програма трябва да може да се изпълнява многократно върху различни данни. Друг начин на задаване е операндите да се разделят от инструкциите. За тази цел се въвежда адресиране на паметта, която дотогава е просто линеен масив. В инструкцията, вместо съдържание на операнда, се подава или адрес на на операнда, или сведения за неговото изчисляване. По този адрес от паметта се прочита стойността на операнда. Така при инструкциите имаме адреси, а не стойности на операндите.

Новото (в сравнение с предшествениците на АЛУ) е, че инструкциите също се записват в оперативната памет. Това решение, което можем да наречем и принцип, наричаме първи основен принцип на фон Нойман. Принципът гласи: данните и операндите се съхраняват в една и съща оперативна памет и няма логическа разлика между записа на данни и инструкции (всичко е поредица от 1 и 0).

БУ - Блок за Управление


Друг основен елемент на ЦП е блокът за управление. Неговите функции са дешифрация , определяне адреса на операндите, адресиране, пресмятане, записване на резултат. В някои архитектури БУ изпълнява и по-сложни задачи.

БР - Блок регистри


С разработката на проектите за изчислителни машини се установява, че за бързодействие на АЛУ-то трябва да има достъп до малка и бързодостъпна памет (блок регистри), която се обособява като част от централния процесор. Регистрите може да се разглеждат като "слотове", в които се записва информация.

За фон Ноймановия процесор задължително трябва да има програмен брояч (наричан още указател на инструкциите), чиято стойност за по-голяма бързина се пази в регистър. Това е регистърът PC(IP) - Program Counter / Instruction Pointer. В този регистър е записан адресът на инструкцията, която предстои да бъде изпълнена от ЦП. В началото в PC външно трябва да се запише адресът, от който процесорът да изпълни първата инструкция (иначе няма как да се "инициализира" компютърът при включването му). Чрез програмния брояч се извличат толкова байтове, колкото дължината на инструкцията, след което броячът се обновява (увеличава се стойността му) с толкова байтове - тоест преместваме се на следващата инструкция. По този начин регистърът се обновява постоянно, докато програмата работи.

ЦП - Централен Процесор


Централният процесор (CPU - Central Processing Unit) обединява АЛУ, УУ, БР и други блокове. Той изпълнява фиксиран краен набор от входови операции и начини на опредляне на адреса на операндите.

Основната характеристика на процесора е ширината на АЛУ-то, горе вече казахме какво е това. Първоначално ширината на шината е била колкото една клетка от паметта (8 бита), но с времето процесорите са се развили, наложило се е за по-голямо бързодействие да четат повече октети (байтове) наведнъж, и вече имаме широко разпространени 64 битови ЦП, та даже и 128 битови ВП (видео процесори, тоест процесорите на видео картите). Съществуват и още по-големоразредни процесори, ама не ни трябват за контролните.

ОП - Оперативна памет


Най-общо казано, паметта е номериран линеен масив от клетки. Големината на клетката е предварително фиксиран брой битове, а номерът й е нейният адрес - цяло положително число.

Основна характеристика на паметта е размерът й. Той се измерва в байтове. За по-големите памети се използват производните единици: KB(килобайт) MB(мегабайт), GB(гигабайт), TB(терабайт). Понятието байт е въведено от IBM (преди това всеки си е взимал колкото бита си иска за основна единица памет). Байтът е основната адресируема единица памет. Един байт е 8 бита. Големините на производните единици са:

1 KB

1024 Bytes




1 MB

1024 KB

1 048 576 Bytes

1 GB

1024 MB

1 073 741 824 Bytes

1 TB

1024 GB

1 099 511 627 776 Bytes

Характеристика на паметта е адресната дума. Адресната дума е, грубо казано, последователност от битове, в които можем да запишем всеки адрес на клетка от паметта. На картинката по-долу са показани колко големи думи (колко битови думи) са необходими за различните размери памет.



Ако, да речем, адресната дума ни е с големина 32 бита, то в поле (регистър, променлива и др.) можем да запишем всяко число от 0 до . Когато това число представлява адрес на клетка от паметта, то е ясно, че можем да адресираме клетки по 1 байт, или 4GB. Това е нашето адресно пространство. Сами се сещате, че ако физически имаме повече от клетки памет, то губим всички останали клетки, тъй като не можем да ги адресираме.

Така големината на паметта е пряко зависима от размера на машинната дума. Не може - не искаме - да съществува адрес, който не може да бъде адресиран. А дали ще може да бъде адресиран, зависи от машинната дума. На кратко - централен процесор с 32 битова дума не може да управлява памет по-голяма от 4 GB. Ако думата е 64 битова, тогава максималната оперативна памет е 16 ЕB. (Това се чете екзабайт и е равно , a паметта излиза байта, което е МНОГО).

Добавете документ към вашия блог или уеб сайт

Свързани:

1. Предмет на компютърната архитектура. Исторически бележки. Архитектурните принципи на Фон Нойман iconКонспект по Компютърни архитектури
Предмет на компютърната архитектура. Исторически бележки. Архитектурните принципи на Фон Нойман

1. Предмет на компютърната архитектура. Исторически бележки. Архитектурните принципи на Фон Нойман iconПрограма за обслужване на прекъсването в класическата фон Нойманова архитектура няма прекъсвания тя е замислена с последователен вход/изход
По този начин се "залъгва" фон Ноймановата последователност, тъй като прекъсванията са прозрачни за прекъсваната програма

1. Предмет на компютърната архитектура. Исторически бележки. Архитектурните принципи на Фон Нойман iconКонспект за изпита по история на архитектурата
Архитектурата на древен Египет Кратки исторически данни за Египет; Значението на река Нил за Египетската култура; Материали и строителни...

1. Предмет на компютърната архитектура. Исторически бележки. Архитектурните принципи на Фон Нойман iconАрхитектура на компютърната система
За създаването на съвременния компютър имат директен или индиректен принос редица открития и изобретения

1. Предмет на компютърната архитектура. Исторически бележки. Архитектурните принципи на Фон Нойман icon1. Предмет,метод и общи принципи на периодизацията на историята на икономическите теории: предмет
Предмет – изследване на възникването и развитието, и смяна на отделните системи на икономическите възгледи. Основна задача – да се...

1. Предмет на компютърната архитектура. Исторически бележки. Архитектурните принципи на Фон Нойман iconКонцерт на rammstein
Дунав и Сава, там, където те се събират, за да се влеят в Черно море. Градът наброява 710. 000 жители /2007 г./. Ще се запознаете...

1. Предмет на компютърната архитектура. Исторически бележки. Архитектурните принципи на Фон Нойман iconКонцерт на Guns 'N' Roses
Дунав и Сава, там, където те се събират, за да се влеят в Черно море. Градът наброява 710. 000 жители /2007г./. Ще се запознаете...

1. Предмет на компютърната архитектура. Исторически бележки. Архитектурните принципи на Фон Нойман iconКонспект по основи на компютърната графика
Стуктури от данни в компютърната графика. Представяне на многоъгълници, криви, повърхнини, многостени

1. Предмет на компютърната архитектура. Исторически бележки. Архитектурните принципи на Фон Нойман iconОтто фон Бисмарк. Жизнеописание
Отто фон Бисмарк (Эдуард Леопольд фон Шенхаузен) родился 1 апреля 1815 года в родовом поместье Шенхаузен в Бранденбурге к северо-западу...

1. Предмет на компютърната архитектура. Исторически бележки. Архитектурните принципи на Фон Нойман iconПиксели и резолюция
Изображенията като обект на създаване, обработка и разпространение в компютърната графика също се делят на растерни и векторни. Те...

Поставете бутон на вашия сайт:
Документация


Базата данни е защитена от авторски права ©bgconv.com 2012
прилага по отношение на администрацията
Документация
Дом