Принципы фон-Неймана

Архитектура фон Неймана (англ. Von Neumann architecture) — широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы 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 физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.

Каноническую функциональную структуру ЭВМ (выше на схеме), связывают с именем Дж. фон Неймана. Структура ЭВМ включает арифметико-логическое устройство (АЛУ), память или запоминающее устройство (ЗУ), устройства ввода (УВв) и вывода (УВыв) информации и устройство управления (УУ). Функциональное назначение устройств ЭВМ: АЛУ служит для выполнения арифметических и логических операций над данными (операндами: числами или словами, в частности, буквенными последовательностями), а также операций условного и безусловного переходов; ЗУ используется для хранения программ и данных; УВв – для ввода программ и данных, а УВыв – для вывода из ЭВМ любой информации (в частности, результатов); УУ координирует работу всех остальных устройств при выполнении программ.

Конструкция ЭВМ основывается на предложениях, выдвинутых Дж. фон Нейманом (John von Neumann, 1903 – 57). Во время разработки машины EDVAC, в середине 1945 г., Дж. фон Нейман написал 100-страничный отчет, суммирующий результаты работ над ЭВМ. Этот отчет стал известен как первый “набросок” ("First Draft of a Report on the EDVAC"). Отчет был недописан, в нем не достает многих ссылок. Однако в своем отчете Дж. фон Нейман достаточно ясно изложил принципы работы и функциональную структуру ЭВМ ("the working principles and functional structure of modern computers"). Главное то, что он предложил отказаться от ручных переключателей, используемых при программировании ENIAC, и хранить программу работы ЭВМ в ее оперативном запоминающем устройстве (памяти) и модифицировать программу с помощью самой же машины.

Опишем архитектурные принципы построения ЭВМ.

1. Программное управление работой ЭВМ. Программы состоят из отдельных шагов – команд; команда осуществляет единичный акт преобразования информации.
2. Условный переход. Это возможность перехода в процессе вычислений на тот или иной участок программы в зависимости от промежуточных, получаемых в ходе вычислений результатов (обычно в зависимости от знака результата после завершения арифметической операции или от результата выполнения логической операции).
3. Принцип хранимой программы предопределяет ее запоминание вместе с исходными данными в одной и той же оперативной памяти.
4. Использование двоичной системы счисления для представления информации в ЭВМ. Это существенно расширило номенклатуру физических приборов и явлений, для применения в ЭВМ.
5. Иерархичность запоминающих устройств (ЗУ). С самого начала развития ЭВМ существовало несоответствие между быстродействиями АУ и оперативной памяти. Иерархичность ЗУ в ЭВМ является важным компромиссом между емкостью, быстродействием, относительной дешевизной и надежностью.

Эти принципы Дж. фон Неймана, не смотря на свою простоту и очевидность, являются фундаментальными положениями, определившими на многие годы бурное развитие вычислительной техники и кибернетики.