Определяющие принципы организации ЭВМ

Выделяют два основных фактора - на­значение ЭВМ и элементная база.

Элементная база. В ЭВМ используется исключительно дво­ично-кодированная форма представления информации по следующим причинам:

Во-первых, потому, что при этом предельно упрощается конструкция элементов н машины в целом.

Пример1: дво­ичная и десятичная арифметика – существенно отличаются по уровню сложности алго­ритмов операций и, как следствие, сложности устройств, реализующих эти операции.

Пример2: триггер как элемент с двумя устойчивыми состояниями, обеспечивающий хранение двоичной цифры и элемент с десятью устойчивыми состояниями как элемент хранения десятичной цифры (существенно слож­нее и дороже триггера).

Во-вторых (Вторая причина)- при использовании двоично-кодированной фор­мы существенно возрастает надёжность элементов и ЭВМ в целом, как следствие первой причины – простые системы надежней сложных.

Назначение ЭВМ. Из определения ЭВМ (автоматизация обработки информации на основе алгоритмов) следует, что принципы организации ЭВМ неизбежно должны зависеть от свойств алгоритмов. Каких? Наиболее существенное влияние на орга­низацию ЭВМ оказывают следующие три свойства алгоритмов.

1. Детерминированность (однозначность, предопределенность) вычислительных процессов, порождае­мых алгоритмами.

Детерминированность процессов - это основное свойство алгоритмов, которое по­зволило Джону фон Нейману использовать алгоритм как основу, источник управления процессом вычислений, процессом обработки информации в ЭВМ. А именно: алгоритм представляется в форме программы, вводится в память машины и используется для управления вычислительным процессом, (отсюда, кстати, потребность в ''армии" програм­мистов).

2. При описании алгоритмов используется конечный набор элементарных опера­ций. Примеры из начальной школы: правила умножения, деления н т.д.

Конечный набор элементарных операций определяет, для аппаратуры ЭВМ (т.е. ВК) конечный набор сравнительно простых операций: сло­жение, вычитание, умножение, деление и др.

F = {+,—,x,/,...}.

3. Дискретное представление информации, с которой оперируют алгоритмы. Как оно влияют на организацию ЭВМ?

Из это­го свойства следует, что информация в ЭВМ представляется исключительно в дискретной форме — числовой, символьной, в форме логических значений. Причём, с учетом фактора элементной базы - не просто числовой, символьной и т.д., а еще и в единой (общей для всех форм) двоично-кодированной форме.

Анализируя сказанное, можно сформулировать принципы построения и функциони­рования современных ЭВМ в виде нескольких основных тезисов. Впервые их сформули­ровал Джон фон Нейман в 1945 году под названием ''Принципы программного управле­ния ЭВМ". В популярном изложении их можно сформулировать следующим образом.

1. Информация, подлежащая обработке с помощью 5ВМ, кодируется в двоич­ной форме и разделяется на единицы информации - слова. Слово - это совокупность двоичных элементов: а₁, а₂ ,…, а_k, где a_i Î{0, 1}, k = 8, 16, 32, 64. k=const.

2. Перед обработкой слова информации (исходные данные) размещаются в ячейках памяти ЭВМ. Ячейка памяти - это место хранения одного слова информации. Ячейки памяти нумеруются. Номер ячейки памяти называют адресом ячейки..

3. Алгоритм обработки информации представляется в виде последовательно­сти управляющих слов - т.н. команд. Каждая команда задает, предписывает аппаратуре ЭВМ тип выполняемой операции (указывает одну операцию из списка F), т.е. указывает аппаратуре что делать. Кроме того, команда, в случае необходимости, указывает и место­положение операндов в памяти машины путём указания номера ячейки, т.е. указывает ап­паратуре, где взять данные для обработки. Алгоритм, представленный в терминах команд, называют программой.

4. Команды, как и данные, кодируются в двоичной форме и располагаются в ячейках памяти ЭВМ.

5. Выполнение операций, предписанных программой, сводится к поочерёдно­му выбору команд из памяти и их выполнению (интерпретации) аппаратурой ЭВМ. Поря­док, в котором команды извлекаются из памяти, задаётся алгоритмом решения задачи и зависит от исходных данных.

Здесь пора обсудить два вопроса. Почему ЭВМ столь широко применяются? Пото­му, что универсальны. Почему ЭВМ универсальны?

Следствием сформулированных фон Нейманом принципов программного управления явилась универсальность ЭВМ

функция ЭВМ задаётся программой, введённой в память ЭВМ, а не аппаратурой ЭВМ. Аппаратура ЭВМ может выполнять только операции из списка машинных операций F.

Именно программа задаёт тот порядок, в котором операции должны выполняться для решения задачи (именно программа обеспечивает организацию выполнения операций).

Таким образом, замена программы в памяти легко приводит к изме­нению функций ЭВМ, реализуемых аппаратурой ЭВМ.

Достоинства и недостатки фон Неймановских машин. Основные достоинства мы уже обсудили - это универсальность. Свойство универсальности является и основным не­достатком! Почему? Дело в том, что для решения задачи алгоритм разрабатывается чело­веком и в форме программы загружается в память ЭВМ.

Именно программа и несёт в себе всю необходимую для решения задачи информацию.

Аппаратура ЭВМ лишь быстро и на­дёжно (т.е. без ошибок) реализует ее.

Следовательно, аппаратура ЭВМ не обладает интел­лектом и не может быть помощником человеку при решении интеллектуальных задач.

Следовательно, ЭВМ - это просто автоматизированный калькулятор.

В связи с этим недостатком уже много лет актуальной является задача пересмотра классических принципов построения ЭВМ и поиск более рациональных.

Переход к новым принципам организации ЭВМ специалисты связывают с появлением машин пятого поко­ления.

К настоящему времени сменилось четыре поколения машин. Все они фон Нейманов­ские по принципу построения:

• первое поколение - ламповые ЭВМ,
• второе поколение - ЭВМ на ос­нове полупроводниковых дискретных элементов - транзисторов и интегральных схем (ИС) малой и средней степени интеграции,
• третье поколение — ЭВМ на основе больших интегральных схем БИС.
• чет­вертое поколение - ЭВМ на основе микропроцессорных больших ИС и сверх больших ИС (СБИС).