Базовые принципы устройства Энциклопедия учителя информатики Газета «Первое сентября»

Фундаментальные принципы устройства ЭВМ были впервые систематически изложены в 1946 году в ставшей классической статье Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства Часто совокупность предложенных в вышеназванной статье принципов называют фон-неймановской архитектурой ЭВМ, что не совсем точно. Во-первых, многие из описанных в статье идей не принадлежат ни самому Нейману, ни его соавторам (первоначальный вариант статьи представлял собой научный отчет, обобщивший опыт большого количества ученых и инженеров).

Логика работы вычислительного устройства определяет его основные компоненты. Любое устройство, способное производить автоматические вычисления, должно иметь вполне определенный набор компонентов.

Принцип двоичного кодирования всей информации. Наиболее рациональным для технической реализации методом представления как данных, так и программы их обработки, является двоичное кодирование. Устройства для хранения двоичной информации, а также осуществление алгоритмов ее обработки наиболее просты и дешевы. Хотя в первых машинах использовались только числовые данные, расширение обрабатываемой информации (текст, графика, звук, видео) не привело к изменению двоичного характера кодирования.

Принцип хранимой программы. Команды программы и данные по форме представления одинаковы, следовательно, они могут храниться в единой памяти. Не существует принципиальной разницы между двоичными кодами машинной команды, числа, символа и т.д. Данный принцип, в частности, позволяет компьютеру автоматически формировать для себя программы.

Принцип программного управления. Данный принцип определяет механизм автоматического выполнения программы.

Принцип адресации памяти. Память машины разделяется на отдельные ячейки, каждая из которых имеет свой адрес (номер). Первоначально, когда в памяти ЭВМ хранились только команды программы и числа, каждая ячейка содержала большое количество двоичных разрядов (30–40). Начиная с третьего поколения появляются другие виды данных, имеющих разную длину. Наиболее оптимальными для такой ситуации оказываются 8-битные ячейки, которые для длинных данных могут объединяться.

Принцип иерархической организации различных видов памяти. К памяти компьютера предъявляется два противоречивых требования: ее объем должен быть как можно больше, а скорость работы как можно выше. Ни одно практическое устройство не может удовлетворять им одновременно. Для преодоления указанного противоречия приходится использовать несколько различных видов памяти, связанных друг с другом. При этом чем выше быстродействие памяти, тем меньше ее объем. Например, количество регистров процессора, образующих его внутреннюю сверхоперативную память, невелико. Объем ОЗУ гораздо больше, но информационный обмен с памятью протекает существенно медленнее, чем с регистрами. В качестве компромиссного решения выступает кэш-память, имеющая промежуточные значения объема и быстродействия. Аналогичные рассуждения справедливы и для внешней (дисковой) памяти.

Принципы реализации машинной арифметики.

Для конкретного семейства компьютеров, например IBM PC или Apple, фундаментальные принципы дополняются базовыми принципами архитектуры данного семейства. Совокупность всех этих положений образуют теоретические основы устройства компьютеров данной серии.