Архитектура фон Неймана — Компьютерные системы, часть 4

Архитектура фон Неймана — Компьютерные системы, часть 4

Оглавление

3. Архитектура фон Неймана

Общее описание

Архитектура фон Неймана это модель организации компьютерной системы, предложенная американским математиком фон Нейманом в сороковых годах 20-ого века. Она описывает ключевые элементы, из которых должен состоять компьютер и как эти элементы должны взаимодействовать между собой. Большая часть современных компьютеров в той или ной мере следует этой архитектуре. Эта архитектура исходит из того, что компьютер имеет процессор и оперативную память, соединенные между собой шиной. Память используется как для хранения инструкций команд так и для хранения данных. Программа представляет собой набор команд, которые должен исполнить процессор. Он делает это в цикле: берет из памяти команду и исполняет ее, затем берет следующую команду и исполняет и так далее. Помимо процессора и оперативной памяти, которые являются ядром любой компьютерной системы в нее также входят устройства для ввода и вывода информации, их называют периферийными.

Оперативная память

Оперативная память представляет собой массив ячеек в каждой из которых хранится некое битовое значение. Каждая ячейка имеет свой уникальный адрес. Оперативная память хранит как инструкции так и данные. Процессор может обратиться к любой ячейке, зная ее адрес.

Процессор

Часть компьютера, которая отвечает за выполнение команд называется процессором.

Процессор состоит из трех ключевых элементов: арифметико-логического устройства, которое, как можно понять из названия, выполняет логические и арифметические операции над данными (например, сложение или инверсия), управляющего устройства, которое является “дирижером”, координирующим работу всех остальных устройств и регистров, которые временно хранят в себе информацию, необходимую процессору на данный момент. Регистры бывают специального назначения и общего назначения.

Регистры общего назначения это своего рода “руки” в которые процессор берет данные с которыми сейчас работает. Такие регистры могут служить в качестве ввода либо вывода для арифметико-логического устройства. Что бы, например, сложить два числа, которые хранятся в оперативной памяти, управляющее устройство должно обратится к оперативной памяти и перенести данные оттуда в регистры общего назначения, сообщить арифметическо-логическому устройству, в каких регистрах хранятся значение чисел, сообщить арифметическо-логическому устройству, что необходимо выполнить операцию сложения и, также, сообщить в какой регистр необходимо вывести результат этой операции. Что бы иметь возможность взаимодействовать друг с другом, процессор и оперативная память соединены друг с другом набором проводов, называемых шиной. Посредством шины процессор может читать данные из оперативной памяти, сообщая ей адрес интересующий ячейки, и посылая запрос на чтение. Похожим образом процессор может записывать данные в оперативную память, передавая ей адрес ячейки, в которую необходимо произвести запись, и посылая запрос на запись.

Ввод-вывод

Как уже было отмечено, компьютер нуждается в периферийных устройствах для ввода и вывода информации. Взаимодействие процессора с данными устройствами во-многом похоже на взаимодействие процессора с оперативной памятью. Периферийные устройства также подключены к шине и им также можно отправлять и принимать данные с помощью специальных команд. Каждое устройство имеет свой адрес и активируется, если этот адрес появляется на шине. После этого с ним можно работать – принимать либо отправлять информацию.