Аппаратное обеспечение. Машина Джон фон Неймана

Машина фон Неймана - математическая модель, абстракция принципов, по которым работают почти все современные электронные компьютеры.

Согласно принципам, сформулированным в начале 20-го века математиком Фон-Нейманом, компьютер должен:

· иметь оперативную память

· программу, которая используется для управления компьютером и хранится в оперативной памяти наравне с данными

· код программы хранится и выполняется последовательно (линейно) сверху вниз

В 1946 году группа ученых во главе с Джоном фон Нейманом (Г.Голдстайн, А.Беркс) написали статью «Предварительное рассмотрение логической конструкции ЭВ устройства». Там обосновывается использование двоичной системы для представления данных в ЭВМ (преимущественно для технической реализации, простота выполнения арифметических и логических операций). До этого машины хранили данные в 10–ом виде.

1.Принцип программного управления. Он обеспечивает автоматизацию процессов вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Как это выполняется? Введем 2 определения. Регистр – специализированная дополнительная ячейка памяти в процессоре. Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Счетчик команд – регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды, он служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти. То есть, с его помощью осуществляется выборка программы из памяти. Этот регистр последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым осуществляется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой – то другой, используются команды условного или безусловного переходов. Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что храниться в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Иногда этот принцип называют «принцип хранимой команды». И это отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатом вычислений.

3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Это позволяет обращаться к произвольной ячейке (адресу) без просмотра предыдущих.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относят к типу фон неймановских. На сегодняшний день это подавляющие большинство компьютеров, в том числе и IBM PС–совместимые. Но есть и компьютерные системы с иной архитектурой – например системы для параллельных вычислений.

Аппаратное обеспечение компьютера – это все аппаратные средства, из которых состоит компьютер, т.е. вся аппаратура, необходимая для работы компьютера.
Аппаратное обеспечение компьютера можно разделить на две части:
• основные устройства компьютера;
• дополнительные устройства компьютера.
К основным устройствам компьютера относятся:
• монитор (или дисплей) – устройство вывода информации;
• клавиатура – устройство ввода информации;
• системный блок.
Эти устройства называются основными, потому что без них невозможна работа на компьютере.
Самым важным из этих трех устройств является системный блок. В системном блоке располагаются основные элементы компьютера:
§ микропроцессор (центральный процессор) – электронная микросхема, предназначенная для обеспечения общего управления компьютером, а также для выполнения всех операций, команд и программ;
§ сопроцессор – устройство (микросхема), обеспечивающая повышение производительности компьютера. Работает сопроцессор не всегда, а только в тех случаях, действительно «две головы лучше»;
§ оперативная память (ОЗУ или RAM) – область памяти, предназначенная для временного хранения программ и данных. После включения компьютера, туда помещается выполняемая в данное время программа, и компьютер работает с ней. При выключении питания ЭВМ, содержание оперативной памяти теряется;
§ кэш-память – сверхбыстродействующая память, которая является промежуточной между основной памятью и процессором. Кэш диска – область оперативной памяти, в которой операционная система сохраняет содержимое части магнитного диска, к которой происходили обращения. В результате при повторном обращении к диску данные выбираются из дискового КЭШа, не требуя выполнения медленных операций ввода-вывода.
§ постоянная память (ПЗУ или ROM) содержит программы и данные, определяющие работу ПЭВМ после включения питания. Информация в ПЗУ заносится на заводе-изготовителе один раз и навсегда, то есть содержимое этой области памяти (реализованной чаще всего на одной микросхеме) не может быть изменено пользователем. В ПЗУ хранятся следующие программы:
F самотестирования устройств ПК при включении питания;
F начальной загрузки ОС;
F пакет программ-драйверов, которые реанимируют базисный интерфейс между ОС и аппаратными средствами;
F установки параметров конфигурации системы.
§ блок питания (генератор тактовых импульсов), который преобразует электрический ток сети и подает его на электронные схемы компьютера;
§ устройство управления вырабатывает и распределяет по различным устройствам управляющие сигналы.
Перечисленные устройства (микропроцессор, сопроцессор, ПЗУ, ОЗУ, генератор тактовых импульсов, устройство управления) объединены системной (материнской) платой. Кроме того, в состав системного блока входят также:
§ шины (bus) – их называют компьютерными артериями, по которым передается информация. Различают два вида шин: системная и локальная шины. Системная шина предназначена для организации взаимодействия периферийных устройств с ядром компьютера, в состав которого входит микропроцессор, ОЗУ и ПЗУ. Локальной обычно называют шину, которая непосредственно выходит на контакты микропроцессора и которая обычно работает на внешней частоте микропроцессора.
Остальные устройства компьютера называют дополнительными, потому что они дают дополнительные возможности при работе на компьютере. По-другому эти устройства называются периферийные или периферия. К ним относят:
Ø мышь – устройство, позволяющее управлять курсором, и предназначенное для ввода информации в компьютер;