Что должен иметь компьютер в первую очередь согласно принципам фон Неймана

Обновлено: 05.07.2024

Модель фон Неймана — это компьютерная архитектура, предложенная Джоном фон Нейманом в 1946 году. Она состоит из пяти основных компонентов: памяти, блока обработки, блока управления, устройства ввода и устройства вывода. Идея состоит в том, что программные инструкции хранятся в памяти, а не передаются в компьютер во время выполнения.

Память

Память — это место, где хранятся инструкции и данные. Он содержит регистр адреса памяти (MAR) и регистр данных памяти (MDR). Чтобы прочитать из памяти, поместите адрес, с которого вы хотите прочитать, в MAR, и данные по этому адресу будут сохранены в MDR. Для записи в память поместите адрес в MAR, а данные в MDR и подтвердите сигнал Write Enabled.

Блок обработки

Блок обработки состоит из АЛУ и файла временных регистров. ALU используется для выполнения арифметических и логических операций. Размер слова — это размер элементов, обрабатываемых АЛУ. LC3 имеет размер слова 16 бит. Регистры используются для временного хранения. LC3 имеет восемь временных регистров (от R0 до R7).

Блок управления

Блок управления включает счетчик программ, регистр инструкций и конечный автомат. Счетчик программ содержит адрес следующей инструкции. Регистр инструкций содержит содержимое текущей инструкции. Конечный автомат управляет всеми компонентами.

Устройства ввода/вывода

Примерами устройств ввода являются клавиатура, мышь и микрофон. Примерами устройств вывода являются монитор, принтер и динамик. Связанные регистры: KBDR и KBSR для клавиатуры и DDR и DSR для монитора.

Цикл инструкций

Цикл инструкции управляется блоком управления. В цикле есть шесть возможных фаз. FETCH — когда инструкция загружается. Адрес инструкции находится в программном счетчике, а содержимое инструкции хранится в регистре инструкций. Счетчик программы увеличивается во время фазы FETCH. Фаза DECODE выясняет, о чем инструкция. Для LC3 первые 4 бита — это код операции, определяющий операцию, а следующие 12 бит — операнд. Фаза EVALUATE ADDRESS вычисляет адрес памяти, который может быть задействован. Например, инструкция LDR должна вычислять адрес данных, добавляя смещение к значению, хранящемуся в регистре. Фаза FETCH OPERANDS получает операнды для инструкции. Они могут быть в адресе памяти, вычисленном на предыдущем этапе, или в файле регистров. Фаза EXECUTE выполняет инструкцию. Например, инструкция ADD складывает два числа с помощью ALU. Обратите внимание, что на этом этапе инструкции сохранения и загрузки ничего не делают. Наконец, на этапе STORE RESULT результат выполнения сохраняется в памяти или в регистрах.

Архитектура фон Неймана была впервые опубликована Джоном фон Нейманом в 1945 году.

Его архитектура компьютерной архитектуры состоит из блока управления, арифметико-логического блока (ALU), блока памяти, регистров и входов/выходов.

Архитектура фон Неймана основана на концепции компьютера с хранимой программой, в которой данные команд и данные программы хранятся в одной и той же памяти. Этот дизайн до сих пор используется в большинстве компьютеров, выпускаемых сегодня.

Центральный процессор (ЦП)

Центральный процессор (ЦП) — это электронная схема, отвечающая за выполнение инструкций компьютерной программы.

Иногда его называют микропроцессором или процессором.

ЦП содержит ALU, CU и множество регистров.

Регистры

Регистры — это высокоскоростные области хранения в ЦП. Все данные должны храниться в регистре, прежде чем их можно будет обработать.

MAR	Регистр адреса памяти	Содержит расположение в памяти данных, к которым необходимо получить доступ
MDR	Регистр данных памяти	Содержит данные, которые передаются в память или из памяти
AC	Накопитель	Где хранятся промежуточные арифметические и логические результаты
ПК	Счетчик программ	td>	Содержит адрес следующей выполняемой инструкции
CIR	Регистр текущей инструкции	Содержит текущую инструкция во время обработки

Арифметико-логическое устройство (ALU)

АЛУ позволяет выполнять арифметические (сложение, вычитание и т. д.) и логические операции (И, ИЛИ, НЕ и т. д.).

Блок управления (БУ)

Блок управления управляет работой АЛУ компьютера, памяти и устройств ввода/вывода, сообщая им, как реагировать на программные инструкции, которые он только что прочитал и интерпретировал из блока памяти.

Блок управления также обеспечивает синхронизацию и сигналы управления, необходимые другим компонентам компьютера.

Автобусы

Шины — это средства, с помощью которых данные передаются из одной части компьютера в другую, соединяя все основные внутренние компоненты с ЦП и памятью.

Стандартная системная шина ЦП состоит из шины управления, шины данных и адресной шины.

Адресная шина	Переносит адреса данных (но не самих данных) между процессором и памятью< /td>
Шина данных	Переносит данные между процессором, блоком памяти и устройствами ввода/вывода
Шина управления	Переносит управляющие сигналы/команды от ЦП (и сигналы состояния от других устройств) для управления и координации все действия на компьютере

Блок памяти

Блок памяти состоит из оперативной памяти, иногда называемой основной или основной памятью. В отличие от жесткого диска (вторичная память), эта память работает быстро и напрямую доступна ЦП.

ОЗУ разделено на разделы. Каждый раздел состоит из адреса и его содержимого (оба в двоичной форме).

Адрес будет однозначно идентифицировать каждое место в памяти.

Загрузка данных из постоянной памяти (жесткий диск) в более быструю и напрямую доступную временную память (ОЗУ) позволяет процессору работать намного быстрее.

Современные компьютеры основаны на концепции хранимой программы, предложенной Джоном фон Нейманом. В этой концепции хранимой программы программы и данные хранятся в отдельной единице хранения, называемой памятью, и обрабатываются одинаково. Эта новая идея означала, что компьютер с такой архитектурой будет намного проще перепрограммировать.

Основная структура выглядит следующим образом:

Он также известен как компьютер IAS и состоит из трех основных блоков:

Центральный процессор (ЦП)
Блок основной памяти
Устройство ввода/вывода

Блок управления.
Блок управления (CU) обрабатывает все управляющие сигналы процессора. Он направляет все потоки ввода и вывода, извлекает код для инструкций и контролирует, как данные перемещаются по системе.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ).
Арифметико-логическое устройство — это часть ЦП, которая выполняет все вычисления, которые могут потребоваться ЦП, например, вычисления. Сложение, вычитание, сравнение. Он выполняет логические операции, операции сдвига битов и арифметические операции.

Блок основной памяти (регистры) –
1. Накопитель: сохраняет результаты вычислений, выполненных АЛУ.
2. Счетчик программ (ПК): отслеживает расположение в памяти следующих инструкций, с которыми нужно работать. Затем ПК передает этот следующий адрес в регистр адреса памяти (MAR).
3. Регистр адреса памяти (MAR): в нем хранятся ячейки памяти инструкций, которые необходимо извлечь из памяти или сохранить в памяти.
4. Регистр данных памяти (MDR): в нем хранятся инструкции, извлеченные из памяти, или любые данные, которые должны быть переданы в память и сохранены в ней.
5. Регистр текущих инструкций (CIR): в нем хранятся последние извлеченные инструкции, пока он ожидает кодирования и выполнения.
6. Регистр буфера инструкций (IBR): инструкция, которая не должна выполняться немедленно, помещается в регистр буфера инструкций IBR.
Устройства ввода/вывода. Программа или данные считываются в основную память с устройства ввода или вторичного хранилища под управлением инструкции ввода ЦП. Устройства вывода используются для вывода информации с компьютера. Если какие-то результаты оцениваются компьютером и сохраняются в компьютере, то с помощью устройств вывода мы можем представить их пользователю.
Шины. Данные передаются из одной части компьютера в другую, соединяя все основные внутренние компоненты с ЦП и памятью с помощью шин. Типы:
1. Шина данных. Она передает данные между блоком памяти, устройствами ввода-вывода и процессором.
2. Адресная шина: по ней передается адрес данных (а не фактических данных) между памятью и процессором.
3. Шина управления: по ней передаются управляющие команды от ЦП (и сигналы состояния от других устройств) для контроля и координации всех действий внутри компьютера.

Узкое место фон Неймана.
Что бы мы ни делали для повышения производительности, мы не можем уйти от того факта, что инструкции можно выполнять только по одной и только последовательно. Оба эти фактора сдерживают компетентность центрального процессора. Это обычно называют «узким местом фон Неймана».Мы можем предоставить процессор фон Неймана с большим объемом кэш-памяти, оперативной памяти или более быстрыми компонентами, но если мы хотим получить первоначальный прирост производительности процессора, необходимо провести тщательную проверку конфигурации процессора.

Эта архитектура очень важна и используется в наших ПК и даже в суперкомпьютерах.

Плакат, демонстрирующий основы архитектуры фон Ньюмана. После внедрения компьютеры, разработанные с использованием архитектуры фон Неймана, можно было модифицировать и программировать, вводя инструкции в компьютерный код.

Архитектура фон Неймана помогла подготовить почву для современных вычислений благодаря фундаментальному способу перезаписи компьютеров. Когда они были впервые разработаны, компьютеры не были чем-то отдаленно напоминающим то, что мы считаем компьютером сегодня. Ранние компьютеры были предназначены для выполнения определенных задач и выполнения определенных функций, таких как математические. Их программирование было встроено в их конструкцию, а это означало, что «перепрограммировать» компьютер было просто невозможно: вместо этого компьютеры приходилось физически разбирать и переделывать.

Согласно заметкам фон Неймана, исходная архитектура сначала была набросана в виде диаграммы. Эта диаграмма работала как блок-схема, которая показывала, как данные будут вводиться, программироваться и храниться. Действительно, эта диаграмма особо не отличалась от блок-схем, которые ранее использовались программистами при создании компьютеров. Разница в том, что при реализации архитектура фон Неймана может использоваться для разных целей.

Это изменилось в результате появления модели фон Неймана. После внедрения компьютеры, разработанные с использованием архитектуры фон Неймана, можно было модифицировать и программировать, вводя инструкции в компьютерный код. Это позволило переписать функционирование компьютеров на основе разработки языка программирования. Кроме того, данные можно хранить, извлекать и делать доступными с помощью соответствующего использования устройства ввода, которое будет изменять информацию, хранящуюся в центральном процессоре устройства, а затем отображать ее на устройстве вывода.

Определение архитектуры фон Неймана первоначально относилось к конкретной предлагаемой архитектуре архитектуры компьютера, как было написано Джоном фон Нейманом в 1945 году. С тех пор это определение эволюционировало, чтобы относиться к определенным типам компьютеров. Одной из основных характеристик этих компьютеров является то, что их операции с данными и процессы извлечения инструментов могут выполняться одновременно, что было невозможно до внедрения архитектуры фон Неймана.

Как работает архитектура фон Неймана?

Крупный план процессора компьютерного чипа с печатной платой. Центральный процессор — одна из ключевых частей архитектуры фон Неймана.

Идея архитектуры фон Неймана на самом деле относительно проста для понимания, и ее можно разбить примерно на несколько частей. Ключевые характеристики включают в себя:

Устройство ввода

Устройство ввода — это буквально устройство, которое используется для ввода команд, данных или инструкций в компьютер. Наиболее распространенным примером является клавиатура, но она также может включать в себя мышь, шаровой манипулятор, микрофон, камеру и многое другое.

Центральный процессор

Центральный процессор, или ЦП, состоял из трех компонентов: блока управления, арифметико-логического блока и регистров. Затем ЦП будет взаимодействовать с модулем памяти.

Блок управления

Блок управления работает, как следует из его названия, управляя логическими блоками и предоставляя инструкции, с помощью которых эти логические блоки будут реагировать на инструкции программы. Это также даст инструкции о том, как должны взаимодействовать другие компоненты.

Арифметико-логическое устройство

Это устройство отвечало за арифметические и логические команды, контролируя, как эти операции будут работать.

Регистры

Регистры позволяли сохранять данные перед их обработкой. Было пять типов регистров для хранения данных: регистр адреса памяти, аккумулятор, регистр данных памяти, счетчик команд и регистр текущей инструкции. В этих разных регистрах будут храниться разные типы данных.

Блок памяти

ЦП может получить доступ к блоку памяти. Данные можно загружать в блок памяти и извлекать из него, что упрощает хранение и доступ к ним.

Устройство вывода

Устройства вывода — это устройства, которые в конечном итоге используются после завершения компьютерной программы. Мониторы и принтеры являются наиболее распространенными примерами, но динамики также могут быть устройствами вывода.

Кто создал архитектуру фон Неймана?

Как следует из названия, термин «Архитектура фон Неймана» был придуман Джоном фон Нейманом. Фон Нейман был еврейским ученым-компьютерщиком, бежавшим от нацистского режима в Европе. Фон Нейман работал с различными учеными-компьютерщиками и впервые встретился с Аланом Тьюрингом в середине 1930-х годов, когда он познакомился с идеями Тьюринга об изобретении компьютера, который можно было бы использовать для хранения данных. Как отмечается в биографии фон Неймана, это взаимодействие вдохновило архитектуру.

После работы над различными проектами, включая Манхэттенский проект, фон Нейман впервые столкнулся с ENAIC. ENAIC был одним из первых в мире программируемых компьютеров и мог выполнять несколько задач. Кроме того, он был полностью программируемым, а это означало, что в отличие от более распространенных компьютеров того времени он мог выполнять несколько задач.

Во время работы в Инженерной школе Мура в Филадельфии фон Нейман впервые написал отчет о предлагаемом цифровом дизайне компьютеров. В этом отчете фон Нейман изложит первую модель этих компьютеров. Эта модель предлагает, как должны работать компьютеры, чтобы их можно было программировать и перепрограммировать.

Эта архитектура также известна как Принстонская архитектура из-за связи фон Неймана с Принстоном.

Джон фон Нейман изложил первую модель компьютеров архитектуры фон Неймана. В этой модели предлагалось, как должны работать компьютеры, чтобы их можно было программировать и перепрограммировать.

Каковы приложения архитектуры фон Неймана?

Проще говоря, архитектура фон Неймана по-прежнему актуальна в современных компьютерах. Это по многим причинам. Во-первых, это делает компьютеры менее дорогими, поскольку одно и то же оборудование можно использовать для нескольких задач, что требует меньшего количества деталей. Это также делает компьютеры значительно быстрее и эффективнее.

Конечно, дизайн этой архитектуры значительно изменился с тех пор, как фон Нейман впервые разработал ее. Примеры этой эволюции включают более быстрые и меньшие детали и комбинированные шины для ввода и вывода. Все эти инновации сделали более быстрые компьютеры более доступными.

Примеры архитектуры фон Неймана в реальном мире

Примеры этой архитектуры по-прежнему актуальны и актуальны в реальном мире. Он также использовался во многих первых в мире больших компьютерах, включая ARC2, Manchester Baby и EDSAC. Действительно, множество этих ранних компьютеров использовали преимущества архитектуры фон Неймана, поскольку эта компьютерная архитектура была по существу основной формой, которую использовали компьютеры на заре своего существования.

Архитектура фон Неймана против архитектуры Гарварда

Помимо модели фон Неймана были разработаны и другие формы компьютерной архитектуры. Примечания к архитектуре Гарварда демонстрируют модель со ступицей и спицами, с блоком управления в центре. АЛУ, память инструкций, память данных и устройства ввода/вывода — все они попадают в блок управления.

С одной стороны, обе формы архитектуры задают способы обработки компьютерами данных и информации. Обе архитектуры работают с блоком управления в своих центрах и имеют память, которая вводит данные в блок управления и взаимодействует с ним.

Основное отличие состоит в том, что в этой архитектуре для памяти и программирования используется путь одноразового использования и единых данных (SISD). Гарвардская архитектура использовала отдельные пути. Данные также хранятся по-разному.

Полное руководство по архитектуре фон Неймана. Часто задаваемые вопросы (часто задаваемые вопросы)

Что подразумевается под архитектурой фон Неймана?

Архитектура фон Неймана создала бы модель, по которой работают современные компьютеры. и помогли подготовить почву для первых программируемых компьютеров. Он состоял из нескольких компонентов, которые при совместной работе могут хранить данные инструкций и программные данные в одной и той же памяти. В результате компьютеры могут работать быстрее и эффективнее.

Архитектура фон Неймана имеет много важных характеристик. Одним из таких примеров является SISD, что означает «Единая инструкция, единые данные». В SISD используются отдельные процессы. В частности, один процессор выполнял одну кодовую инструкцию, и это делается для работы с данными, хранящимися в одной памяти. Эволюция SISD сделала компьютеры гораздо более эффективными и программируемыми, поскольку они позволяли компьютерам выполнять несколько задач одновременно, тем самым устраняя узкие места в памяти и данных.

Каковы основные особенности архитектуры фон Неймана?

Основная особенность заключается в том, что компьютеры по существу работают с помощью блок-схемы. Во-первых, устройство ввода используется для ввода определенных данных или команд. Этот ввод может быть разнообразным, но чаще всего это ввод с клавиатуры. Затем этот ввод обрабатывается центральным процессором, который состоит из блока управления, логического блока и любого количества блоков регистров. Эта информация хранится в блоке памяти. Когда в компьютер вводятся правильные входные данные, запускается программа, и результаты этой программы затем можно просмотреть на устройстве вывода. Этим устройством вывода чаще всего является компьютерный монитор или принтер.

Что такое архитектура фон Неймана и почему она важна?

Архитектура фон Неймана на самом деле представляет собой блок-схему, которая помогла создать процессы и характеристики современных компьютеров.

Это важно, потому что оно непосредственно вдохновило на разработку будущих компьютеров. Раньше компьютеры приходилось физически разбирать и перепрограммировать, прежде чем они могли функционировать несколькими способами. Благодаря процессам, заложенным архитектурой фон Неймана, компьютеры можно было запрограммировать на выполнение определенных задач, и эта программа могла храниться в блоке памяти компьютера. Более того, позже компьютеры можно будет перепрограммировать для выполнения других задач.

Какие четыре части архитектуры фон Неймана?

Четыре части архитектуры фон Неймана – это устройство ввода, центральный процессор, блок памяти и устройство вывода.

В этой главе изучается проектирование и организация компьютеров на более высоком уровне абстракции, на уровне модели фон Неймана. Подробно рассмотрены концепция хранимой программы, последовательное выполнение инструкций и четыре основные подсистемы архитектуры фон Неймана: память, ввод/вывод, арифметико-логическое устройство и блок управления. Используя гипотетический набор инструкций, глава прослеживает этапы выборки, декодирования и выполнения выполнения программы. Он заканчивается обсуждением будущего компьютерных систем и моделей, отличных от фон Неймана, включая компьютеры с параллельной обработкой данных.

Цели главы

Введение

Чтобы понять, как компьютер «действительно работает», полезно описать его как набор функциональных блоков, каждый из которых выполняет определенную задачу, например ввод/вывод или хранение информации. Компьютерная организация - это область компьютерных наук, которая фокусируется на этом уровне абстракции. Хотя все устройства, описанные в этой главе, реализованы в терминах схем и вентилей, их легче понять, если немного абстрагироваться. Напомним, что построение иерархии абстракций является ключевым организующим принципом этого текста.

Компоненты компьютерной системы

В главе 1 обсуждалось развитие современной компьютерной системы и упоминалась архитектура фон Неймана. Это абстрактный дизайн компьютерной системы, который стал «стандартной» архитектурой практически для всех современных компьютеров. Машина фон Неймана имеет четыре основные системы: память, способ ввода/вывода, арифметико-логическое устройство и блок управления. Если вы вернетесь к главе 1, то увидите, что это, по сути, те же самые компоненты, которые предусматривал Чарльз Бэббидж. Такой компьютер последовательно выполняет одну инструкцию за раз. Фон Нейман представил концепцию хранимой программы, согласно которой сама программа хранится в памяти компьютера. Это оказалось очень важной идеей в развитии современных компьютеров.

Память и кэш

Подсистема памяти управляет информацией (программой и данными), с которыми работает компьютер. Память компьютера обычно имеет произвольный доступ (ОЗУ): данные хранятся в ячейках, обычно длиной 8 бит, которые последовательно нумеруются. Значения сохраняются и извлекаются с использованием адреса памяти ячейки, и всем ячейкам требуется одинаковое время для сохранения или выборки. Максимальное адресное пространство памяти ограничено размером адреса: если адрес имеет длину N, то может быть не более 2 N ячеек. Каждая ячейка памяти имеет два связанных с ней значения: адрес и содержимое.

Система памяти должна поддерживать две операции: «извлечение» содержимого ячейки при заданном ее адресе и «сохранение» нового значения в ячейке при заданном ее адресе. Для этих операций с памятью отведены две специальные области памяти, называемые регистрами. MAR (регистр адреса памяти) содержит адрес ячейки памяти, к которой обращаются или изменяются; MDR (регистр данных памяти) используется либо для получения результата выборки, либо для хранения нового значения для сохранения. Выбор конкретной ячейки памяти по адресу в MAR требует, чтобы схема декодера (или, чаще, два декодера) сигнализировала об одной ячейке памяти. Схема «контроллер выборки/сохранения» решает, требуется ли выборка или сохранение на каждом временном шаге.

Кэш-память — это набор относительно небольших, очень быстрых ячеек памяти, которые используются для хранения значений данных, которые используются в данный момент: большинство программ, как правило, используют и повторно используют одни и те же ячейки памяти и их соседи. При доступе к данным компьютер сначала смотрит в кэш-память. Если данных нет, компьютер ищет в обычной оперативной памяти. Это обеспечивает эффективный доступ к памяти без непомерно высоких затрат на хранение всего ОЗУ в быстрой, но дорогой памяти.

Ввод/вывод и запоминающее устройство

Подсистема ввода-вывода позволяет компьютеру взаимодействовать с внешним миром, включая архивное хранилище информации, необходимой системе. Устройства ввода-вывода сильно различаются: клавиатура, мышь, монитор, принтер, жесткий диск, ленточный накопитель и т. д. Каждое из них имеет разные способы связи. Устройства хранения с прямым доступом, такие как жесткие диски и DVD, используют организацию, аналогичную системам памяти, но с гораздо более медленным временем доступа. На таких устройствах данные хранятся в виде концентрических колец. Чтобы найти конкретное значение данных, устройство должно переместить головку чтения/записи в правильное кольцо, а затем дождаться, пока диск повернется в точное физическое место на диске. Устройства хранения данных с последовательным доступом, такие как ленточные накопители, хранят данные последовательно на магнитной ленте. Время доступа к разным ячейкам различается в зависимости от того, где на ленте хранятся данные. Такие устройства хранения обычно используются для систем резервного копирования, чтобы недорого архивировать данные в случае сбоя системы.

Большинство устройств ввода-вывода работают очень медленно по сравнению даже со временем доступа к ОЗУ или процессорному времени. Контроллер ввода-вывода — это специальный компьютер, который действует как связующее звено между ЦП и устройством ввода-вывода. Он получает запросы на чтение или запись, сохраняет соответствующую адресную информацию и позволяет ЦП перейти к какой-либо другой задаче. Когда запрос ввода-вывода завершен, он «прерывает» ЦП, чтобы сообщить ему, что данные готовы.

Арифметико-логическое устройство

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) — это система, которая выполняет фактические вычисления: основные арифметические операции и операции сравнения. Современные компьютеры часто сочетают АЛУ с блоком управления, но концептуально они остаются разными. Многие современные компьютеры имеют более одного ALU или специальный для операций с действительными числами. ALU содержит некоторое количество регистров, очень быстрых ячеек памяти, которые называются специальными именами, а не адресами. Обычно регистр может передавать свое значение в качестве входных данных для вычислительной схемы АЛУ или может иметь значение, установленное в качестве выходных данных схемы. Современные компьютеры имеют до нескольких сотен регистров, от 16 до 64, назначенных АЛУ.

Схема АЛУ выполняет ряд арифметических операций, операций сравнения и логических операций (например, сложение, вычитание, меньше, И). Когда АЛУ выполняет вычисление, все его подсхемы работают с входными данными, которые копируются из указанного регистра. Затем он использует мультиплексор для выбора только одного действительно нужного ответа.

Блок управления

Блок управления управляет выполнением программы, хранящейся в памяти компьютера. Он многократно извлекает инструкции из памяти, декодирует их, чтобы определить, что следует делать, и посылает соответствующие сигналы другим частям компьютера. Инструкции хранятся в машинном коде: каждой операции, которую может выполнять аппаратное обеспечение, назначается беззнаковое двоичное число. Этот код хранится в памяти, за которым следует правильное количество адресов памяти, сохраненных в виде двоичных чисел фиксированного размера для этой операции. Типичный набор инструкций содержит операции для передачи данных, арифметических операций, сравнения и ветвления. Операции передачи данных перемещают значения. Арифметические операции выполняют вычисления, сохраняя результат в указанном месте. Операции сравнения устанавливают биты специального назначения, чтобы отразить результат сравнения для дальнейшего использования. Операции ветвления изменяют обычную последовательность выполнения. Обычно блок управления последовательно выполняет каждую команду в памяти. Операция ветвления указывает блоку управления перейти в указанное место для продолжения выполнения.

Блоку управления необходимы два специальных регистра: счетчик программ (ПК) и регистр команд (ИК). Счетчик программ содержит адрес следующей команды, которая должна быть выполнена. IR содержит код текущей инструкции, пока она декодируется. Схема декодера инструкций преобразует код операции в сигнал для правильной подсистемы компьютера.

Соединяем все части вместе — архитектура фон Неймана

В предыдущем разделе были описаны все части компьютера фон Неймана. Все эти подсистемы соединены шиной, набором проводов, по которым они могут взаимодействовать друг с другом. Блок управления отвечает за весь процесс. Подробный пример, описывающий каждую фазу работы блока управления, приведен в главе.Обратите внимание, как ученые-компьютерщики уже абстрагировались от описания компьютера на уровне ворот, чтобы оперировать абстракцией, присущей машинному языку. Дальнейшая абстракция упростит использование компьютера и, следовательно, усложнит задачи, которые можно выполнять.

Архитектура фон Неймана доминировала в компьютерном дизайне до настоящего времени. Однако по мере появления все более сложных и ресурсоемких приложений компьютерная индустрия начала сталкиваться с физическими ограничениями существующей архитектуры и лежащих в ее основе схем. Важной областью исследований в области информатики является исследование новых архитектур, которые могут быть быстрее. Параллельная обработка — одна из важных областей исследований нефоннеймановских компьютеров. Были исследованы разные модели: SIMD, MIMD и другие. SIMD-компьютеры одновременно применяют одну и ту же программу к нескольким частям данных. Компьютеры MIMD имеют разные процессоры, работающие с разными данными одновременно. Современные суперкомпьютеры, как правило, представляют собой параллельные машины, и даже в большинстве современных ПК может быть несколько процессоров, чтобы повысить скорость обработки компьютера.

Читайте также: