Основополагающие принципы устройства ЭВМ

Принципы Неймана-Лебедева
Фундаментальные идеи (принципы) компьютерных наук независимо друг от друга сформулировали Джон фон Нейман и Сергей Алексеевич Лебедев.

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
110010111011000
110010111011000
110010111011000
110010111011000
1100101
1100101
110010111011000
110010111011000
110010111011000
110010111011000
11001
110001
Устройство
ввода
Устройство
вывода
Внешняя
память
Память
ОЗУ, ПЗУ
Информационные потоки
Управление процессами
Процессор
АЛУ, УУ

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

Состав компонентов

Состав компонентов
Мышь, джойстик, графический планшет, сенсорный экран
Сканер, фотоаппарат, видео-камера
Ввод звуковой информации
Микрофон, диктофон
Игровые устройства
Джойстик, руль, световой пистолет
Указательные (координатные)
Ввод графической информации
В
КОМПЬЮТЕР
ВВОД
ИНФОРМАЦИИ
Алгоритмы обработки информации
П
Р
О
Ц
Е
С
С
О
Р

Игровой контроллер (при столкновении вибрирует)
Колонки, наушники, встроенный динамик
Состав компонентов
Дисковод, сетевая плата, интерактивная доска
Принтер, графопостроитель, монитор, проектор
Вывод звуковой информации
Игровые устройства
Устройства ввода/вывода
Вывод графической информации
ИЗ
КОМПЬЮТЕРА
ВЫВОД
ИНФОРМАЦИИ
Алгоритмы обработки информации
П
Р
О
Ц
Е
С
С
О
Р

{−,0,+}
Принцип двоичного кодирования
Выбор двоичной системы счисления обусловлен:
простотой выполнения арифметических операций в двоичной системе счисления
«согласованностью» с булевой логикой
простотой технической реализации

Троичный компьютер «СЕТУНЬ»
Использование в компьютерной технике классической двоичной системы счисления не лишено недостатков.
В 1958 г. в Московском государственном университете
им. М. В. Ломоносова под руководством Н. П. Брусенцова был создан троичный компьютер «Сетунь». В нём была применена уравновешенная троичная система счисления, использование которой впервые в истории позволило представлять одинаково просто как положительные, так и отрицательные числа.
Знаки троичной симметричной системы счисления {−,0,+}

Принцип однородности памяти
Память
Сегмент
Ячейка
Сегмент
Сегмент
Сегмент

Принцип адресности памяти
Адрес ячейки
(в 16-ой СС)
25F0:A3ED
Адрес
сегмента
Смещение
внутри
сегмента

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
Уровни иерархии взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть также найдены на более низком уровне.
Время доступа
Цена за байт
Объем памяти

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

Архитектура компьютера

Шина адреса
Шина управления
Шина данных
Архитектура компьютера
Процессор (АЛУ, УУ)
Память
(ОЗУ, ПЗУ)
Устройства ввода
Устройства вывода
Внешняя
память
Шина адреса используется для указания физического адреса по которому устройство обращается для проведения операции чтения или записи.
Шина данных используется для передачи данных между узлами компьютера
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.