Машина Фон Неймана

В 1946 Джон фон Нейман (с соавторами) описал архитектуру некоторого абстрактного вычисли­теля, который сейчас принято называть машиной фон Неймана [2]. Эта машина является абстрактной моделью ЭВМ, однако, эта абстракция отличается от абстрактных исполнителей алгоритмов (например, машины Тьюринга). Если машину Тьюринга принципиально нельзя реализовать из-за входящей в её архитектуру бесконечной ленты, то машина фон Неймана не поддаётся реализации, так как многие детали в архитектуре этой машины не конкретизированы. Это было сделано специально, чтобы не сковывать творческого подхода к делу у инженеров-разработчиков новых ЭВМ.

В некотором смысле машина фон Неймана подобна абстрактным структурам данных, которые Вы изучали в предыдущем семестре. Для таких структур данных, как Вы помните, для их использования необходимо было произвести отображение на структуры данных хранения и реализовать соответствующие операции над этими данными.

Можно сказать, что в машине фон Неймана зафиксированы те особенности архитектуры, которые в той или иной степени должны быть присущи, по мнению авторов этой абстрактной машины, всем компьютерам. Разумеется, практически все современные ЭВМ по своей архитектуре отличаются от машины фон Неймана, однако эти отличия удобно изучать именно как отличия, проводя сравнения и сопоставления с машиной фон Неймана. При нашем рассмотрении данной машины будет обращено внимание на отличия архитектуры машины фон Неймана от современных ЭВМ. Основополагающие свойства архитектуры машины фон Неймана будут сформулированы в виде принципов фон Неймана. Эти принципы многие годы определяли основные черты архитектуры ЭВМ нескольких поколений [3].

На рис. 2.1 приведена схема машины фон Неймана, как она изображается в большинстве учебников, посвящённых архитектуре ЭВМ. На этом рисунке толстыми стрелками показаны потоки команд и данных, а тонкими – передача между устройствами управляющих сигналов. Машина фон Неймана состоит из памяти, устройств ввода/вывода и центрального процессора (ЦП). Центральный процессор, в свою очередь, состоит из устройства управления (УУ) и арифметико-логического устройства (АЛУ). Рассмотрим последовательно устройства машины фон Неймана и выполняемые ими функции.

Память

Принцип линейности и однородности памяти.

Память – линейная (упорядоченная) однородная последовательность некоторых элементов, называемых ячейками. В любую ячейку памяти другие устройства машины (по толстым стрелкам) могут записать и считать информацию, причём время чтения из любой ячейки одинаково для всех ячеек. Время записи в любую ячейку тоже одинаково (это и есть принцип однородности памяти).[2] Такая память в современных компьютерах называется памятью с произвольным доступом (Random Access Memory, RAM). На практике многие ЭВМ могут иметь участки памяти разных видов, одни из которых поддерживают только чтение информации (Read Only Memory, ROM), другие могут допускать запись, но за большее время, чем в остальную память (это так называемая полупостоянная память) и др.

Ячейки памяти в машине фон Неймана нумеруются от нуля до некоторого положительного числа N, которое обычно является степенью двойки. Адресом ячейки называется её номер. Каждая ячейка состоит из более мелких частей, именуемых разрядами и нумеруемых также от нуля и до определённого числа. Количество разрядов в ячейке обозначает разрядность памяти. Каждый разряд может хранить цифру в некоторой системе счисления. В большинстве ЭВМ используется двоичная система счисления, т.к. это более выгодно с точки зрения аппаратной реализации, в этом случае каждый разряд хранит один бит информации. Восемь бит составляет один байт.

Содержимое ячейки называется машинным словом. С точки зрения архитектуры, машинное слово – это минимальный объём данных, которым могут обмениваться различные узлы машины (не надо, однако, забывать о передаче управляющих сигналов по тонким стрелкам). Из каждой ячейки памяти можно считать копию машинного слова и передать её в другую часть памяти, при этом оригинал не меняется. При записи в память старое содержимое ячейки пропадает и заменяется новым машинным словом.

Заметим, что на практике решение задачи сохранения исходного машинного слова при чтении из ячейки для некоторых видов памяти является нетривиальным и достаточно трудоёмким, так как в этой памяти (она называется динамической памятью) при чтении оригинал разрушается. Приведём типичные характеристики памяти современных ЭВМ.

1. Объём памяти – сотни миллионов ячеек (обычно восьмиразрядных).

2. Скорость работы памяти: время доступа (минимальная задержка на чтение слова) и время цикла (минимальная задержка на чтение из одной и той же ячейки двух слов) – порядка единиц и десятков наносекунд (1 секунда=10⁹ наносекунд). Заметим, что для упомянутой выше динамической памяти время цикла больше, чем время доступа, так как надо ещё восстановить разрушенное при чтении содержимое ячейки.

3. Стоимость. Для основной памяти ЭВМ пока достаточно знать, что чем быстрее такая память, тем она, естественно, дороже. Конкретные значения стоимости памяти не представляют интереса в рамках наших лекций.

Принцип неразличимости команд и данных. Машинное слово представляет собой либо команду, либо подлежащее обработке данное (число, символьная информация, элемент изображения и т.д.). Для краткости в дальнейшем будем называть такую информацию ²числами². Данный принцип фон Неймана заключается в том, что числа и команды неотличимы друг от друга – в памяти и те и другое представляются некоторым набором разрядов, причём по внешнему виду машинного слова нельзя определить, что оно представляет – команду или число.

Из этого принципа вытекает очевидное следствие – принцип хранимой программы. Этот принцип является очень важным, его суть состоит в том, что программа хранится в памяти вместе с числами, а значит, может изменяться во время счёта этой программы. Говорят также, что программа может самомодифицироваться во время счёта. Заметим, что, когда фон Нейман писал свою работу, большинство тогдашних ЭВМ хранили программу в памяти одного вида, а числа – в памяти другого вида. В современных ЭВМ и программы, и данные хранятся в одной и той же памяти.