Компьютер и его ПО. Глава 2

Принципы Неймана-Лебедева
Фундаментальные идеи (принципы) компьютерных наук независимо друг от друга сформулировали Джон фон Нейман и Сергей Алексеевич Лебедев.
Принцип – основное, исходное положение какой-нибудь теории, учения, науки и пр.

Основоположники ЭВМ
Джон фон Нейман (1903-1957) –американский учёный, сделавший важный вклад в развитие математики и физики. В 1946 г., анализируя сильные и слабые стороны ЭНИАКа, совместно с коллегами пришёл к идее нового типа организации ЭВМ.
Сергей Алексеевич Лебедев (1902-1974) – главный конструктор первой отечественной вычислительной машины МЭСМ, автор проектов компьютеров серии БЭСМ (Большая Электронная Счётная Машина), и принципиальных положений компьютера «Эльбрус».

Принципы Неймана-Лебедева
Сформулированные в середине прошлого века, базовые принципы построения ЭВМ не утратили свою актуальность и в наши дни.
1
2
3
4
5
6

Функциональная схема
Устройство, способное производить автоматические вычисления, должно иметь набор компонентов: блок обработки данных, блок управления, блок памяти, блоки ввода/вывода информации.

Состав компонентов
Процессор – информационный центр. Управляет всеми процессами и пропускает через себя все информационные потоки.
Составные блоки процессора:
арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет обработку данных
устройство управления (УУ) обеспечивает выполнение программы и организует согласованное взаимодействие всех узлов компьютера

Состав компонентов

Принцип двоичного кодирования
Вся информация, предназначенная для обработки на компьютере (числа, тексты, звуки, графика, видео), а также программы её обработки, представляются в виде двоичного кода.
Выбор двоичной системы счисления обусловлен:
простотой выполнения арифметических операций в двоичной системе счисления
«согласованностью» с булевой логикой
простотой технической реализации

Принцип однородности памяти
Команды программ и данные хранятся в одной и той же памяти. Команды и данные отличаются только по способу использования. Это утверждение называют принципом однородности памяти.
Ячейка
Сегмент
Сегмент
Сегмент
Сегмент
Память
Принцип однородности памяти

Принцип адресности памяти
Команды и данные размещаются в единой памяти, состоящей из ячеек, имеющих свои номера (адреса). Это принцип адресности памяти.

Принцип иерархичности памяти
Можно выделить два основных требования, предъявляемых к памяти компьютера:
объём памяти должен быть как можно больше
время доступа к памяти должно быть как можно меньше
В современных компьютерах используются устройства памяти нескольких уровней, различающиеся по своим основным характеристикам: времени доступа, сложности, объёму и стоимости.

Принцип иерархичности памяти
Трудности физической реализации запоминающего устройства высокого быстродействия и большого объёма требуют иерархической организации памяти.
Время доступа
Цена за байт
Объем памяти
Уровни иерархии взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть также найдены на более низком уровне.

Принцип программного управления
Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности команд. Команды представляют собой закодированные управляющие слова, в которых указывается:
какое выполнить действие
из каких ячеек считать операнды (данные, участвующие в операции)
в какую ячейку записать результат операции
Принцип программного управления определяет общий механизм автоматического выполнения программы.

Принцип программного управления

Архитектура компьютера
Архитектура – это общие принципы построения компьютера, отражающие программное управление работой и взаимодействие его основных узлов.

Архитектура компьютера
Магистраль (шина) - устройство для обмена данными между устройствами компьютера.
Шина адреса
Шина управления
Шина данных
Процессор (АЛУ, УУ)
Память
(ОЗУ, ПЗУ)
Устройства ввода
Устройства вывода
Внешняя
память
По шине управления передаются сигналы, управляющие обменом информацией между устройствами и синхронизирующие этот обмен.
Контроллер – специальный микропроцессор для управления внешними устройствами.

Архитектура компьютера
Данные между внешними устройствами по магистрали передаются напрямую
Существенное снижение нагрузки на центральный процессор
Повышение эффективности работы всей вычислительной системы
Современные компьютеры обладают магистрально-модульной архитектурой, главное достоинство которой заключается в возможности легко изменить конфигурацию.

Направления развития
Электронная техника подошла к предельным значениям своих тех-нических характеристик, которые определяются физическими законами
Поиск неэлектронных средств хранения и обработки данных. Создание квантовых и биологических компьютеров
НАНОТЕХНОЛОГИИ

Самое главное
Независимо друг от друга Джон фон Нейман и Сергей Алексеевич Лебедев сформулировали основополагающие принципы построения компьютеров:
состав основных компонентов вычислительной машины;
принцип двоичного кодирования;
принцип однородности памяти;
принцип адресности памяти;
принцип иерархической организации памяти;
принцип программного управления.