Файл: Архитектура эвм по Фон Нейману.docx

АВТОНОМНАЯ НЕКОММЕРЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ СОЦИАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ»
факультет информационных систем и технологий
кафедра прикладной информатики и математики


ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ
на тему: «Архитектура ЭВМ по Фон Нейману»

Выполнила:

Дражина Руслана Романовна

студентка 1-го курса

специальности

09.02.07

Информационные системы и программирование

группы ИК-22-3
Руководитель проекта:

преподаватель кафедры прикладной информатики и математики

_____________Горбатенко Н.Ю.

подпись
Проект защищен с оценкой:

______________________________

оценка подпись

«___» ______________20___г.

Ставрополь, 2023г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Архитектура фон Неймана, также известная как архитектура фон Неймана-Вон Неймана, является основой для большинства современных компьютерных систем. Она была предложена математиком и физиком Джоном фон Нейманом в середине 1940-х годов и представляет собой концептуальную модель для построения и организации компьютеров.

Основным принципом архитектуры фон Неймана является хранение программ в памяти и выполнение их последовательно одну за другой. Программа представляется в виде последовательности инструкций, которые извлекаются из памяти, декодируются и выполняются процессором.

Архитектура фон Неймана обеспечивает гибкость и универсальность компьютерных систем, позволяя программистам разрабатывать различные приложения, не изменяя аппаратные средства. Она стала основой для развития современных цифровых компьютеров и является широко используемой в индустрии и научных исследованиях.

Актуальность темы исследования: Архитектура фон Неймана продолжает оставаться основной и широко используемой моделью для разработки и организации компьютерных систем. Ее принципы и концепции являются основой для инноваций и развития в области вычислительной технологии.

---

Цель исследования: Подробное исследование Архитектуры фон Неймана.

Задачи исследования:

1. Улучшение производительности архитектуры.

2. Изучение Энергоэффективности архитектуры.

3. Исследование возможностей архитектуры.

4. Изучение безопасности системы.

5. Возможности применения данной архитектуры.

1. Определение архитектуры ЭВМ фон Неймана.

1.1. Основные принципы архитектуры фон Неймана

Архитектура фон Неймана (или архитектура фон Неймана-Фон Клейна) является основой для большинства современных компьютерных систем. Она была предложена математиком и физиком Джоном фон Нейманом в 1945 году и дальнейшими разработками получила имя в честь математика Германа Фон Клейна.

Основные принципы архитектуры фон Неймана включают:

Центральное процессорное устройство (ЦПУ): оно состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ) и устройства управления (УУ). АЛУ выполняет арифметические операции (сложение, вычитание и т. д.) и логические операции (сравнение, логическое "ИЛИ", логическое "И" и т. д.), а УУ контролирует выполнение команд и обеспечивает последовательную обработку данных.

Однородная память: В архитектуре фон Неймана данные и инструкции программ хранятся в одной и той же памяти. Это позволяет программам и данным обмениваться без необходимости в специальных механизмах передачи данных между различными частями системы.

Программное управление: Команды, определяющие операции, выполняемые процессором, хранятся в памяти. ЦПУ последовательно извлекает команды из памяти, интерпретирует их и выполняет соответствующие операции. Это позволяет создавать программы, которые могут быть изменены без изменения аппаратного обеспечения.

Хранение данных и программ: Данные и программы хранятся в памяти в двоичной форме. Команды и данные представлены одинаковым образом, и их интерпретация зависит от контекста.

Последовательное выполнение инструкций: Архитектура фон Неймана предполагает последовательное выполнение инструкций программы. Каждая инструкция извлекается из памяти, декодируется и выполняется процессором перед переходом к следующей инструкции. Это позволяет программам быть управляемыми и последовательными.

Шина: Шина является коммуникационным каналом, по которому данные передаются между различными компонентами компьютера. Шина включает адресную шину для передачи адресов памяти и устройств, шину данных для передачи самих данных и шину управления для передачи сигналов управления.

---

Ввод-вывод: Архитектура фон Неймана предусматривает использование внешних устройств для ввода и вывода данных. Это могут быть клавиатура, монитор, принтер и другие периферийные устройства, которые связываются с компьютером через специальные интерфейсы.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относят к типу фоннеймановских.

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 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 «ЭНИАК», 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 «Эниака». 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. 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:

• 
  Манчестерский Марк I. Прототип — Манчестерская малая экспериментальная машина. Университет Манчестера (англ. TheUniversityofManchester), Великобритания, 21 июня 1948 года;
  
• 
  EDSAC. Кембриджский университет (англ. TheCambridgeUniversity), Великобритания, 6 мая 1949 года;
  
• 
  BINAC. США, апрель или август 1949 года;
  
• 
  CSIR Mk 1. Австралия, ноябрь 1949 года;
  
• 
  SEAC. США, 9 мая 1950 года.
  

1.2. Устройство управления (УУ)

Устройство управления (Control Unit) в архитектуре фон Неймана отвечает за координацию и контроль работы компьютерной системы. Его основная функция заключается в декодировании и выполнении инструкций, а также управлении другими компонентами системы.

---

Основные компоненты устройства управления включают:

Счетчик программы (Program Counter, PC): Счетчик программы содержит адрес следующей инструкции, которую необходимо выполнить. Он инкрементируется после выполнения каждой инструкции, чтобы указать на следующую инструкцию в памяти.

Регистр команд (Instruction Register, IR): Регистр команд содержит текущую инструкцию, которую нужно выполнить. Инструкция загружается из памяти в регистр команд, где она декодируется для определения типа операции и операндов.

Декодер (Decoder): Декодер выполняет декодирование инструкции, определяя ее тип и операнды. Он определяет, какая операция должна быть выполнена и какие данные должны быть использованы.

Управляющая единица (Control Unit): Управляющая единица принимает декодированную информацию и генерирует управляющие сигналы, которые контролируют работу остальных компонентов системы. Она активирует соответствующие аппаратные блоки, чтобы выполнить требуемую операцию.

Арифметико-логическое устройство (ALU): АЛУ выполняет арифметические и логические операции, такие как сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение и логические операции AND, OR, NOT. Управляющая единица активирует АЛУ и определяет тип операции, которую необходимо выполнить.

Регистры общего назначения (General-Purpose Registers): Регистры общего назначения используются для временного хранения данных и промежуточных результатов операций. Управляющая единица может управлять доступом к регистрам и перемещением данных между регистрами и памятью.

Устройство управления работает в тесном взаимодействии с другими компонентами архитектуры фон Неймана для выполнения инструкций программы и обеспечения правильного функционирования компьютерной системы.

1.3. Чтение, хранение и запись данных

В архитектуре фон Неймана данные считываются, хранятся и записываются в памяти компьютерной системы. Этот процесс осуществляется с помощью следующих компонентов и операций:

Память: В архитектуре фон Неймана данные хранятся в памяти компьютерной системы. Память представляет собой последовательность ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный адрес. Каждая ячейка может хранить фиксированное количество бит информации.

Адресация: Для доступа к определенным данным в памяти необходимо использовать адресацию. Адрес является числовым значением, указывающим на конкретную ячейку памяти. При выполнении инструкций, которые требуют доступа к данным, адрес передается в память для чтения или записи данных.

---

Чтение данных: Чтение данных происходит путем передачи адреса нужной ячейки памяти в память. Память считывает содержимое этой ячейки и передает его обратно в компьютерный процессор. Процессор может использовать эти данные для дальнейших операций, например, для выполнения арифметических или логических операций.

Запись данных: Запись данных происходит путем передачи адреса нужной ячейки памяти и данных, которые необходимо записать, в память. Память записывает данные в указанную ячейку, заменяя предыдущее содержимое.

Регистры: В архитектуре фон Неймана также присутствуют регистры - небольшие и быстрые хранилища данных внутри процессора. Регистры используются для хранения промежуточных результатов, операндов и других временных данных, которые часто используются в операциях.

Шина данных: Для передачи данных между компонентами системы, такими как процессор, память и ввод-выводные устройства, используется шина данных. Шина данных обеспечивает физическую передачу битовых данных между компонентами.

В целом, чтение, хранение и запись данных в архитектуре фон Неймана осуществляется через взаимодействие между процессором, памятью и другими компонентами системы с использованием адресации и операций чтения/записи данных. Это обеспечивает эффективную обработку информации и выполнение программ на компьютере.

2. Программное управление

2.1. Преимущества и ограничения архитектуры фон Неймана

Архитектура фон Неймана имеет несколько преимуществ перед другими архитектурами:

Простота и единообразие: Архитектура фон Неймана предлагает простую и единообразную структуру, которая упрощает разработку и программирование компьютерных систем. Она основана на едином принципе хранения и обработки данных, что упрощает понимание и использование системы.

Программируемость: Архитектура фон Неймана предоставляет возможность программирования компьютера. Она позволяет разработчикам создавать инструкции и последовательности операций, которые компьютер будет выполнять. Это обеспечивает гибкость и универсальность использования компьютерных систем.

Эффективность использования памяти: Архитектура фон Неймана позволяет эффективно использовать память компьютера. Она предоставляет доступ к данным по адресу, что упрощает чтение и запись данных из и в память. Кроме того, она позволяет использовать одну и ту же память для хранения программ и данных.

---