Принципы фон Неймана

1. Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах. Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.
2. Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.
3. Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.
4. Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.
5. Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.

Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.

Суть этих принципов:

1. Джон фон Нейман выдвинул идею нового типа логической организации ЭВМ:

· Наличие устройства ввода-вывода информации;

· Адресуемая память;

· Процессор, состоящий из устройства управления и арифметико-логического устройства;

· Данные и программы хранятся вместе

Именно эти устройства являются базовыми и достаточными для работы компьютера на пользовательском уровне.

2. Компьютер не является неделимым, цельным объектом. Он состоит из некоторого количества устройств – модулей. (Комплектовать свой компьютер из этих модулей пользователь может по собственному желанию). А связаны все модули компьютера между собой через набор электронных линий – магистраль (системная шина). Шина - это кабель, состоящий из множества проводов.

Магистраль обеспечивает обмен данными между устройствами компьютера.

Магистраль состоит из трех частей:

1. Шина адреса, на которой устанавливается адрес требуемой ячейки памяти или устройства, с которым будет происходить обмен информацией.

2. Шина данных, по которой будет передаваться необходимая информация.

3. Шина управления, регулирующая этот процесс. (по шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Эти сигналы показывают – какую операцию следует производить).

Для того, чтобы компьютер функционировал правильно, необходимо, чтобы все его устройства работали дружно, «понимали» друг друга и «не конфликтовали». Это обеспечивается благодаря одинаковому интерфейсу, который имеют все устройства компьютера.
Интерфейс – это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой.

Так как обмен данными между устройствами происходит через магистраль, то для согласования интерфейсов все внешние устройства подключаются в шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты.

Порты бывают последовательные и параллельные. К последовательным портам присоединяют медленно действующие или удаленные устройства (мышь, модем), а к параллельным более быстрые (сканер, принтер). Клавиатура и монитор подсоединяется к специализированным портам.

Для того, чтобы по ошибке или незнанию не подключить устройство к чужому порту, каждое устройство имеет индивидуальную форму штеккера, не подходящую к «чужому» разъему.
Информация, представленная в цифровой форме и обрабатываемая на компьютере, называется данными.

Последовательность команд, которую выполняет компьютер в процессе обработки данных, называется программой.

Обработка данных на компьютере:

1. Пользователь запускает программу, хранящуюся в долговременной памяти, она загружается в оперативную и начинает выполняться.

2. Выполнение: процессор считывает команды и выполняет их. Необходимые данные загружаются в оперативную память из долговременной памяти или вводятся с помощью устройств ввода.

3. Выходные (полученные) данные записываются процессором в оперативную или долговременную память, а также предоставляются пользователю с помощью устройств вывода информации.

Для обеспечения информационного обмена между различными устройствами должна быть предусмотрена какая-то магистраль для перемещения потоков информации.

Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления, которые представляют собой многопроводные линии. К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией на машинном языке (последовательностями нулей и единиц в форме электрических импульсов).

Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении, т. е. шина данных является двунаправленной. К основным режимам работы процессора с использованием шины данных можно отнести следующие: запись/чтение данных из оперативной памяти, запись/чтение данных из внешней памяти, чтение данных с устройства ввода, пересылка данных на устройство вывода.

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, то есть количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться или передаваться процессором одновременно. Разрядность процессоров постоянно увеличивается по мере развития компьютерной техники.

Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении — от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).

Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти (адресное пространство), то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса.

Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:

N=2^I, где I – разрядность шины адреса.

Каждой шине соответствует свое адресное пространство, т. е. максимальный объем адресуемой памяти:

Кб

Мб

Мб

Гб

Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления показывают, какую операцию — считывание или запись информации из памяти — нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и так далее.

Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Каждая отдельная функция компьютера реализуется одним или несколькими модулями – конструктивно и функционально законченных электронных блоков в стандартном исполнении. Организация структуры компьютера на модульной основе аналогична строительству блочного дома.

Основными модулями компьютера являются память и процессор. Процессор – это устройство управляющее работой всех блоков компьютера. Действия процессора определяются командами программы, хранящейся в памяти. Процессор - это электронная схема, выполняющая обработку информации.

Процессор является основной микросхемой компьютера и представляет собой небольшую плоскую полупроводниковую пластину размером примерно 2Х2 см., на которой размещается десятки млн функциональных элементов. У компьютеров 4 поколения функции процессора выполняет микропроцессор – сверхбольшая интегральная схема, реализованная в едином полупроводниковом кристалле площадью меньше 0, 1 см².

На таком кристалле может размещаться до 5, 5 млн. транзисторов. Эти элементы образуют сложную структуру и позволяют процессору производить обработку информации с очень высокой скоростью. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к материнской плате компьютера.

Назначение микропроцессора:

1. Выполнять команды программы, находящейся в оперативной памяти.
   Координировать работу всех устройств компьютера.

В состав процессора обязательно входят:

• устройство управления (координирует работу всех устройств компьютера);
• арифметико-логическое устройство (выполняет команды программы, находящейся в оперативной памяти);
• регистры памяти (ячейки, в которых по очереди помещаются команды программы, по которой работает процессор и вся необходимая информация для их выполнения);
• шины данных, команд, адресов (по этим магистралям происходит обмен данными между внутренними устройствами процессора и внешними по отношению к нему).

Характеристики процессора:

1. Тактовая частота – скорость передачи информации между устройствами компьютера (измеряется в МГц и ГГц 1МГц=миллион тактов в секунду).
Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет за одну секунду. Такт – это промежуток времени между двумя последовательными импульсами, подаваемыми специальной микросхемой – генератором тактовой частоты (вырабатывает электрические импульсы и посылает их по проводам; чем быстрее идет электрический сигнал, тем быстрее процессор обрабатывает информацию).
2. Разрядность процессора - это число одновременно обрабатываемых процессором битов.

Регистр - это ячейка процессора, в которой хранится машинное слово. Машинное слово представляет собой некоторое число или команду, которые записаны в двоисном виде. Существует много разнообразных процессоров, и у каждого свои регистры. Регистры бывают 8-, 16-, 32-, 64-разрядные. Это значит в регистр помещается соответственно 8, 16, 32, 64 бита двоичной информации. Именно размер регистра определяет разрядность процессора.

Различают внутреннюю и внешнюю разрядность.

Внутренняя разрядность процессора определяет, какое количество битов он может обрабатывать одновременно при выполнении арифметических операций.
Внешняя разрядность процессора определяет сколько битов одновременно он может принимать или передавать во внешние устройства.

3. Адресное пространство процессора - максимальное количество памяти, которое процессор может обслужить. Одной из функций процессора является организация обмена данных между внешней памятью и оперативной памятью. Для того, чтобы в оперативной памяти найти нужные данные, процессор должен знать их адрес. Адрес к процессору передается по адресной шине. Если шина является N-разрядной, то по ней можно передать 2^N двоичных чисел.
2^N - это объем адресного пространства процессора.

Модульная организация опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.

Магистрально-модульный принцип имеет ряд достоинств:

1. для работы с внешними устройствами используются те же команды процессора, что и для работы с памятью.

2. подключение к магистрали дополнительных устройств не требует изменений в уже существующих устройствах, процессоре, памяти.

3. меняя состав модулей можно изменять мощность и назначение компьютера в процессе его эксплуатации.

Принцип открытой архитектуры – правила построения компьютера, в соответствии с которыми каждый новый блок должен быть совместим со старым и легко устанавливаться в том же месте в компьютере.

В компьютере столь же легко можно заменить старые блоки на новые, где бы они ни располагались, в результате чего работа компьютера не только не нарушается, но и становится более производительной. Этот принцип позволяет не выбрасывать, а модернизировать ранее купленный компьютер, легко заменяя в нем устаревшие блоки на более совершенные и удобные, а так же приобретать и устанавливать новые блоки. Причем во всех разъемы для их подключения являются стандартными и не требуют никаких изменений в самой конструкции компьютера.

Как узнать характеристики компьютера

Наверно, каждому пользователю ПК известно, что возможности компьютера не безграничны и зависят от характеристик основных устройств, входящих в его состав. Чем выше будет производительность каждого из этих устройств, тем значительней будет и общая производительность всего компьютера. Значение имеет также версия Windows, используемая на компьютере.

Сравнивая упомянутые характеристики с требованиями тех или иных программ (компьютерные игры, офисные приложения и др.), пользователь может определить, соответствует им компьютер или нет.

Основные характеристики компьютера

• тактовая частота центрального процессора (CPU).

Чем выше частота процессора – тем лучше. Этот показатель измеряется в гигагерцах (сокращенно - Ггц, англ. - GHz) или мегагерцах (Мгц, MHz). 1 Ггц = 1000 Мгц;

• количество ядер центрального процессора (чем больше – тем лучше).

Процессор современного домашнего или офисного компьютера может иметь до 8 ядер (со временем, вероятно, будет еще больше);

• объем оперативной памяти компьютера (ОЗУ)

Показатель измеряется в гигабайтах (ГБ) или мегабайтах (МБ). 1 ГБ = 1024 МБ. Чем больше у компьютера оперативной памяти – тем лучше;