От вычислителя к ЭВМ

«Естественное» происхождение архитектуры фон Неймана.

Как превратить калькулятор в ЭВМ

ЭВМ: электронно-вычислительная машина

1. Электронная элементная база
2. Не механическая, и, что важнее, — не аналоговая
3. Агрегат производит вычисления
   • Вероятно, и передачу/хранение?
4. Вычисления машинные
   • Алгоритмические?
   Электронно-вычислительный агрегат — 1, 2:
   • Клавиатура для ввода
   • Чисел
   • Действий с числами
5. Дисплей для вывода чисел
6. Работа:
   • ручной ввод чисел и действий над ними,
   • запоминание промежуточных результатов «на бумажке»
   Чего не хватает для алгоритмических вычислений? Смотрим определение алгоритма: «описание последовательности действий, выполнение которых за конечное число шагов приведет к решению поставленной задачи» Всего хватает, но многое не машинизировано

Запись алгоритма

Алгоритм надо записывать, хранить и выполнять

1. ⇒ Память для команд

2. ⇒ Порядок выполнения команд из памяти

3. ⇒ (требование алгоритмизации) возможность выполнять или не выполнять команды в зависимости от свойств данных (ветвление) Ограничения возможной реализации

   1. Команды хранятся в памяти пронумерованные (т. н. адреса ячеек памяти)

4. Команды выполняются подряд (в порядке номеров)

5. Вводятся дополнительные команды:

   • проверки свойств данных (сравнение как минимум)

   • переход по адресу команды в зависимости от проверок

   • в т. ч. переход назад для циклов
   Другие варианты реализации:
   • условное выполнение
6. параллельное выполнение независимых команд
   • что такое «независимых»?
7. граф выполнения вместо последовательности (связи между блоками команд вместо адресов)
8. …

Хранение данных

Что делать с данными в процессе выполнения?

• Хранить промежуточные результаты вычислений и обращаться к ним

• Выбирать из наборов заранее введённых/подготовленных данных

• Вводить и выводить наборы данных Вариант реализации: та же память, что и для команд:

  • основной тип данных — «ячейка», занимает столько же места, сколько одна команда

• все данные хранятся по адресам (тем же, что и адреса команд)

• в зависимости от ситуации одна и та же ячейка может интерпретироваться и как данные, и как команда
• если для кодирования данных одной ячейки не хватает, они записываются по частям в несклько подряд идущих ячеек
• однотипные наборы данных отличаются только адресом начала ⇒ удобно обрабатывать алгоритмом

• загрузка/выгрузка данных на внешние носители для последующего использования Другие варианты:

  • раздельная память для команд и для данных (а также — для данных различчного назначения)
    

  • как ни странно, не сильно меняет общую схему
• другие принципы адресации: частичная, неуникальная и т. п.
  • оказались невостребованы
• …

Упрощённая схема ЭВМ

Итак, в дополнение к вычислителю нам понадобятся:

• Способы хранения команд и данных — оперативная память

• Способы обращения к заданным командам и данным в памяти — адресация

• Описание команд и правила их выполнения — система команд

• Устройство управления, которое будет исполнять эти правила

• Среда передачи данных и команд между устройствами

• Способ, которым данные и команды (программа) оказываются в соответствующей памяти — ввод

• Способ, которым можно прочитать данные из соответствующей памяти — вывод С учётом допущенных ограничений:

  • Адресуемая оперативная память (возможно, общая для данных и команд)

• Последовательное выполнение команд

• Команды условного перехода по адресу

• Двоичная система счисления

• Внешняя память для долговременного хранения данных и команд

Работа А.Беркса, Г.Голдстайна и Д.Неймана «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства» не вводит явно этих принципов. но подразумевает:

Обратите внимание на то, что хранение данных во ВЗУ по сути мало чем отличается от ввода-вывода.

Алгоритм работы фон-неймановской ЭВМ

1. Ввод программы в память

   • => ПЗУ

2. Выполнение начинается с определённого адреса
3. УУ считывает команду по адресу из памяти
4. УУ интерпретирует команду:
5. УУ считывает данные из памяти (при необходимости)
6. АЛУ выполняет команду
7. УУ записывает данные в память (при необходимости)

8. УУ определяет адрес следующей команды (прибавляя к текущему адресу команды фиксированное смещение; в т. н. командах перехода адрес задаётся явно)

9. Переход к п. 3

Немного терминологии:

Регистры

Внутренние ячейки памяти АЛУ. Регистры могут явно указываться в командах или присутствовать неявно. Все термины ниже — не универсальные. Возможны варианты и отклонения.

Машинное слово

Адресуемая ячейка памяти, хранящая число.

• В классической архитектуре фон Неймана (т. н. Принстонской) невозможно отличить, является ли это число командой или данными (например, целочисленной константой). В оперативной памяти хранится и то, и другое.

• В т. н. Гарвардской архитектуре память данных и память команд строго разделены. В чистом виде среди процессоров общего назначения не встречается.

Адрес

Номер ячейки. Адреса обычно идут подряд, нумерация начинается с нуля. Нередко нумеруются не сами ячейки (машинные слова), а составляющие их байты. В этом случае в этом случае адрес машинного слова кратен его размеру в байтах.

• Чем больше ячеек памяти, тем длиннее адрес => тем больше размер ячейки.

Такт работы ЭВМ

Циклическая часть работы ЭВМ (п. 3 - 9). Однако часто бывает, что операции с памятью данных, памятью команд и регистрами идут параллельно.

Шина

Устройство передачи данных между узлами ЭВМ. Как правило, шин несколько: например, для записи в память надо передавать два вида информации — адрес и содержимое. Для внешних устройств может быть своя шина.