Принципы фон Неймана работы компьютера

Работа над ENIAC была в самом разгаре, когда Герман Голдстейн встретился с американцем венгерского происхождения Джоном фон Нейманом, который был консультантом американской секретной программы по созданию атомной бомбы и занимался вопросом о том, как повысить счетные мощности для решения необходимых дифференциальных уравнений. В результате этой встречи Нейман, известный достижениями от разработки теории игр до вклада в создание ядерного оружия, начинает сотрудничать с рабочей группой ENIAC. Они вместе разрабатывают проект новой вычислительной машины, которая, во-первых, работает исключительно на электронных схемах, а во-вторых, программа вводится в нее не на бумажной ленте, а с помощью перфокарты, которая затем кодируется в виде пригодных для обработки символов и сохраняется в централизованной памяти. Даже сами изобретатели не сразу осознали ценность этого принципа, который не только позволяет вносить в программу изменения – эти изменения может вносить само вычислительное устройство.
Во время работы над EDVAC в 1945 г . между его разработчиками произошел крупный конфликт. Дело в том, что EDVAC стал базой для третьей масштабной теоретической работы по вычислительной технике (первая, описание “аналитической машины», принадлежала Чарльзу Бэббиджу, вторая – Алану Тьюрингу). Но ни Мочли, ни Эккерт не смогли обобщить свои знания и абстрагироваться от радиоламп и электронных схем. Может быть, они пренебрегали этим по соображениям секретности, может быть, физики не снизошли до строгого математического изложения. Фон Нейман же написал “Предварительный доклад о машине EDVAC », в котором детально изложил логическую организацию и общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств. Доклад был разослан многим ученным из разных стран и получил широкую известность (поэтому конструкторам ENIAC не удалось впоследствии запатентовать свой проект).
Фон Нейман был широко известен как выдающийся математик, и научная общественность приписала ему все идеи, лежащие в основе этой машины. В обиход вошло выражение “машина фон Неймана» (т.е. компьютер). Нейман нашел путь подключения рабочей программы не проводами или другими соединениями, а интегрированием ее в память машины в закодированном виде. Именно Нейман и придумал схему, которой до сих пор следуют все цифровые компьютеры. В общем виде схема представлена на рисунке. Сплошные стрелки — это управляющие связи (по ним идут сигналы управления), а пунктирные стрелки — это информационные связи (по ним идут данные, информация). К устройствам ввода/вывода относятся клавиатура, мышь, монитор, дисковод, CD ROM, принтер, сканер, микрофон, звуковые колонки, плоттер и т.д.
Компьютер должен иметь:

арифметическо-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции. В наше время это устройство называется центральный процессор. Центральный процессор (central processing unit) – микропроцессор компьютера, представляющий собой микросхему, которая управляет всеми процессами, происходящими в компьютере;
устройство управления, которое организует процесс выполнения программ. В современных компьютерах арифметическо-логическое устройство и устройство управления объединены в центральный процессор;
запоминающее устройство (память) для хранения программ и данных;
внешние устройства для ввода-вывода информации.

Память компьютера представляет собой некоторое количество пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково легко доступны для других устройств компьютера.
Принцип работы:

С помощью внешнего устройства в память компьютера вводится программа.
Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы и организует ее выполнение. Команда может задавать:

выполнение логических или арифметических операций;
чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций;
запись результатов в память;
ввод данных из внешнего устройства в память;
вывод данных из памяти на внешнее устройство.

Устройство управления начинает выполнение команды из ячейки памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако этот порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему необходимо продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в иной ячейки памяти.
Результаты выполнения программы выводятся на внешнее устройство компьютера.
Компьютер переходит в режим ожидания сигнала от внешнего устройства.

Один из принципов «Архитектуры фон Неймана» гласит: в компьютере не придется изменять подключения проводов, если все инструкции будут храниться в его памяти . И как только эту идею в рамках “архитектуры фон Неймана» воплотили на практике, родился современный компьютер.
Как всякая техника, компьютеры развивались в сторону увеличения функциональности, целесообразности и красоты. Есть вообще утверждение, претендующее на закон: совершенный прибор не может быть безобразным по внешнему виду и наоборот, красивая техника не бывает плохой. Компьютер становится не только полезным, но и украшающим помещение прибором. Внешний вид современного компьютера, конечно, соотносится со схемой фон Неймана, но в то же время и разнится с ней.
Благодаря фирме IBM идеи фон Неймана реализовались в виде широко распространенного в наше время принципа открытой архитектуры системных блоков компьютеров. Согласно этого принципа компьютер не является единым неразъемным устройством, а состоящим из независимо изготовленных частей, причем методы сопряжения устройств с компьютером не являются секретом фирмы-производителя, а доступны всем желающим. Таким образом, системные блоки можно собирать по принципу детского конструктора, то есть менять детали на другие, более мощные и современные, модернизируя свой компьютер ( апгрейд , upgrade — «повышать уровень»). Новые детали полностью взаимозаменяемы со старыми. «Открыто архитектурными» персональные компьютеры делает также системная шина, это некая виртуальная общая дорога или жила, или канал, в который выходят все выводы ото всех узлов и деталей системного блока. Надо сказать, что большие компьютеры (не персональные) не обладают свойством открытости, в них нельзя просто так что-то заменить другим, более совершенным, например, в самых современных компьютерах могут отсутствовать даже соединительные провода между элементами компьютерной системы: мышью, клавиатурой («keyboard»– «клавишная доска») и системным блоком. Они могут общаться между собой при помощи инфракрасного излучения, для этого в системном блоке есть специальное окошко приема инфракрасных сигналов (по типу пульта дистанционного управления телевизора).
В настоящее время обычный персональный компьютер представляет собой комплекс, состоящий из:

основной электронной платы (системной, материнской), на которой размещены те блоки, которые осуществляют обработку информации вычисления;
схем, управляющих другими устройствами компьютера, вставляемых в стандартные разъемы на системной плате – слоты;
дисков хранения информации;
блока питания, от которого подводится электропитание ко всем электронным схемам;
корпуса (системный блок), в котором все внутренние устройства компьютера устанавливаются на общей раме;
клавиатуры;
монитора;
других внешних устройств.

‹ Перспективы развития компьютерных систем
Вверх
Ручные и механические средства вычислений ›