Концепция фон Неймана

Синоним: концепция хранимой программы

Компьютер IAS (1952 г.) – прототип всех последующих компьютеров общего назначения с хранимой в памяти программой:

Четыре принципа концепции:

- двоичное кодирование:

Вся информация (как данные, так и команды) кодируется двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип информации имеет свой формат. Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. (Обычно: числа – поле знака, значащих разрядов; команды – поле кода операции и адресная часть).

- программное управление:

Все вычисления должны быть представлены в виде программы. Программа – последовательность команд. Каждая команда соответствует определенной операции; команды хранятся и выполняются в естественной последовательности (порядок выполнения может быть изменен специальными командами)

- однородность памяти:

Команды и данные:

- хранятся в одной и той же памяти;

- внешне в памяти неразличимы; распознаются только по способу использования.

- адресуемость:

ОП – совокупность пронумерованных ячеек памяти, каждая из которых в любой момент доступна ЦП. Команды и данные:

1. разделены на единицы информации – слова;

2. хранятся в ячейках памяти;

3. доступ производится по номерам ячеек – адресам.

5. Машина фон Неймана: принцип разработки, базовые компоненты.

Принципы разработки основаны на следствиях из концепции фон Неймана:

1. Данные и команды хранятся совместно в единой подсистеме памяти, способной выполнять операции чтения и записи.

2. Обращение к информационным элементам в памяти:

производится по адресам, характеризующим их положение в общем массиве;

не зависит от смысла затребованной информации (данные или команда).

3. Алгоритм решения задачи реализуется последовательным выполнением элементарных команд в порядке их расположения в памяти, если только иное не будет указано явно.

Базовые компоненты:

- ОП - содержит множество ячеек, каждая из которых имеет свой числовой идентификатор – адрес, и хранит число, которое можно интерпретировать и как элемент данных, и как команду.

- ЦП – АЛУ, УУ, Регистры (instruction register, program counter, memory and i/o address redisters, memory and i/o buffer register)

- МВВ – осуществляет передачу данных от ПУ (периферийных устройств) в ЦП или в ОП и обратно. Содержит внутренние буферы для временного хранения передаваемых данных.

6. Цикл выполнения команды: состояния; детализированный граф переходов.

ВК – выборка команды (чтение по адресу РС в регистр IR);

ДК – декодирование (интерпретация) команды;

АИ – формирование адреса операнда-источника.

ВО – выборка операнда-источника;

ИО – исполнение операции;

АП – формирование адреса операнда-приемника;

ЗР – запись результата в ячейку ОП или передача в МВВ;

АК – формирование адреса следующей команды.

К рисунку: в верхней части – внешние операции ЦП; в нижней части – внутренние операции.

7. Архитектура системы команд: основные понятия, свойства, общая характеристика.

Машинная команда – информационный элемент, задающий выработку в ЦП электронных сигналов, необходимых для выполнения действия над операндами.

Команда должна содержать сведения, необходимые для однозначной ее интерпретации и выполнения процессором.

Операнды – данные, которыми оперируют машинные команды.

Система команд компьютера – полный перечень команд, которые способен выполнять процессор данного компьютера.

Архитектура системы команд (АСК) – набор средств компьютера, которые видны и доступны программисту. АСК характеризуется такими параметрами:

- вид и форма представления данных;

- места хранение данных (кроме ОП);

- способ осуществления доступа к данным;

- множество операций, которые могут быть выполнены над данными;

- количество операндов команд;

- способ определения адреса следующей команды;

- способ кодирования команд.

Свойства АСК:

1. Один из основных компонентов технического задания на разработку [аппаратуры], определяющий функциональные возможности ЦП.

2. Линия согласования нужд разработчиков ПО компьютера с возможностями создателей аппаратного обеспечения.

8. Команды компьютера общего назначения: основные группы.

Основные группы:

- команды пересылки данных – должны содержать адрес источника и приемника, длину пересылаемых данных, способы адресации операндов;

- команды обработки:

= арифметические и логические (бинарные, унарные, сравнения, преобразования; и, или, не, сдвиги);

= обработка строк (перемещение, сравнение, поиск);

= обработка векторов - обрабатывают сразу несколько операндов;

= преобразование – изменения формата представления данных;

- команды ввода-вывода – управление, проверка состояния устройств, ввод-вывод;

- команды управления системой – обычно используются операционной системой;

- команды управления потоком команд – изменяют последовательность вычислений

= условный переход;

= безусловный переход;

= вызов процедур и выход из них.

9. Команды компьютера общего назначения: компоненты, формат, операционная часть.

Компоненты команды: команда должна содержать сведения о:

- выполняемой операции;

- операнде-источнике;

- операнде-приемнике;

- расположении следующей команды.

Обычно выделяют 2 части команды – адресная и операционная части.

Формат команды определяет ее структуру:

а) количество двоичных разрядов, отводимых под всю команду;

б) количество и расположение отдельных полей.

Поле – совокупность двоичных разрядов, кодирующих составную часть команды.

В большинстве современных компьютеров используется несколько вариантов формата команды.

Операционная часть команды содержит код операции, который задает тип операции и специфицирует ее операнды. Длина операционной части должна быть достаточной для представления всех выполняемых процессором операций. Если число всех операций М, то длина операционной части - .