Основные факторы, определяющие принципы организации электронных вычислительных машин

Принципы организации электронных вычислительных машин

Какие основные факторы предопределяют принципы построения ЭВМ? Их достаточно много. Но если следовать схеме сверху - вниз, то это два основных фактора - назначение ЭВМ и элементная база.

Влияние элементной базы. Известно, что в ЭВМ используется исключительно двоично-кодированная форма представления информации. Почему? Во-первых, потому, что при этом предельно упрощается конструкция элементов и машины в целом. Пример: двоичная и десятичная арифметика – отличаются как небо и земля в смысле сложности алгоритмов операций и, как следствие, сложности устройств, реализующих эти операции. Более простой пример: триггер как элемент хранения двоичной цифры и элемент с десятью устойчивыми состояниями как элемент хранения десятичной цифры (существенно сложнее и дороже триггера). Вторая причина - при использовании двоично-кодированной формы существенно возрастает надёжность элементов и ЭВМ в целом.

Второй фактор назначение ЭВМ. Из определения ЭВМ (автоматизация обработки информации на основе алгоритмов) следует, что принципы организации ЭВМ неизбежно должны зависеть от свойств алгоритмов. Каких? Наиболее существенное влияние на организацию ЭВМ оказывают следующие три свойства алгоритмов.

1. Детерминированность (однозначность) вычислительных процессов, порождаемых алгоритмами.

2. При описании алгоритмов используется конечный набор элементарных операций. Примеры из начальной школы: правила умножения, деления и т.д.

3. Дискретное представление информации, с которой оперируют алгоритмы

Как они влияют на организацию ЭВМ?

Детерминированность процессов – это основное свойство алгоритмов, которое позволило Джону фон Нейману использовать алгоритм как основу, источник управления процессом вычислений, процессом обработки информации в ЭВМ. А именно: алгоритм представляется в форме программы, вводится в память машины и используется для управления вычислительным процессом (отсюда, кстати, потребность в “армии” программистов).

Конечный набор элементарных операций – отсюда вытекает, что и аппаратура ЭBM (т.е. ВК) должна выполнять конечный набор сравнительно простых операций: сложение, вычитание, умножение, деление и др. Следовательно, F={+,-,´,/,...} - список машинных операций конечен и сравнительно прост.

Дискретное представление информации, с которой оперируют алгоритмы. Из этого свойства следует, что информация в ЭВМ представляется исключительно в дискретной форме — числовой, символьной, в форме логических значений. Причём, с учётом фактора элементной базы – не просто числовой, символьной и т.д., а ещё и в двоично-кодированной форме.

Анализируя сказанное, можно сформулировать принципы построения и функционирования современных ЭВМ в виде нескольких основных тезисов. Впервые их сформулировал Джон фон Нейман в 1945 году под названием “Принципы программного управления ЭВМ”. В популярном изложении их можно сформулировать следующим образом.

1. Информация, подлежащая обработке с помощью ЭВМ, кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы информации - слова. Слово - это совокупность двоичных элементов a₁, a_2, ..., a_k, где a_i Î{0,1}, k=8,16,32,64, k=const.

2. Перед обработкой слова информации (исходные данные) размещаются в ячейках памяти ЭВМ. Ячейка памяти - это место хранения одного слова информации. Ячейки памяти нумеруются. Номер ячейки памяти называют адресом.

3. Алгоритм обработки информации представляется в виде последовательности управляющих слов - т.н. команд. Каждая команда задаёт, предписывает аппаратуре ЭВМ тип выполняемой операции (указывает одну операцию из списка F), т.е. указывает аппаратуре что делать. Кроме того, команда, в случае необходимости, указывает и местоположение операндов в памяти машины путём указания номера ячейки, т.е. указывает аппаратуре, где взять данные для обработки. Алгоритм, представленный в терминах команд, называют программой.

4. Команды, как и данные, кодируются в двоичной форме и располагаются в ячейках памяти ЭВМ.

5. Выполнение операций, предписанных программой, сводится к поочерёдному выбору команд из памяти и их выполнению (интерпретации) аппаратурой ЭВМ. Порядок, в котором команды извлекаются из памяти, задаётся алгоритмом решения задачи и зависит от исходных данных.

Здесь пора обсудить два вопроса. Почему ЭВМ столь широко применяются? Потому, что универсальны. Почему ЭВМ универсальны?

Универсальность ЭВМ вытекает из анализа сформулированных фон Нейманом принципов программного управления: функция ЭВМ задаётся программой, введённой в память ЭВМ, а не аппаратурой ЭВМ. Аппаратура ЭВМ может выполнять только операции из списка машинных операций F. Именно программа задаёт тот порядок, в котором операции должны выполняться для решения задачи (именно программа обеспечивает аранжировку операций). Таким образом, замена программы в памяти легко приводит к изменению функций ЭВМ, реализуемых аппаратурой ЭВМ.

Достоинства и недостатки фон Неймановских машин. Основные достоинства мы уже обсудили - это универсальность. Свойство универсальности является и основным недостатком! Почему? Дело в том, что для решения задачи алгоритм разрабатывается человеком и в форме программы загружается в память ЭВМ. Именно программа и несёт в себе всю необходимую для решения задачи информацию. Аппаратура ЭВМ лишь быстро и надёжно (т.е. без ошибок) реализует ее. Следовательно, аппаратура ЭВМ не обладает интеллектом и не может быть помощником человеку при решении интеллектуальных задач. Следовательно, ЭВМ - это просто автоматизированный калькулятор.

В связи с этим недостатком уже много лет актуальной является задача пересмотра классических принципов построения ЭВМ и поиск более рациональных. Переход к новым принципам организации ЭВМ специалисты связывают с появлением машин пятого поколения.

К настоящему времени сменилось четыре поколения машин. Все они фон Неймановские по принципу построения: первое поколение – ламповые ЭВМ, второе – ЭВМ на основе полупроводниковых дискретных элементов - транзисторов и интегральных схем (ИС) малой и средней степени интеграции, третье поколение – ЭВМ на основе ИС, четвертое поколение – ЭВМ на основе микропроцессорных больших ИС (БИС). Т.е. смена поколений развивалась по пути совершенствования элементной базы и технологии производства элементов и ЭВМ. Машины пятого поколения должны стать интеллектуальными. Для этого необходимо решить очень сложную проблему – проблему создания искусственного интеллекта. Когда она будет решена, тогда и появятся теоретические основы для создания новых принципов организации аппаратуры ЭВМ. Одна из современных попыток – попытка реализация языка Пролог на аппаратном уровне. Есть много и других попыток, но не очень успешных пока.

Дата добавления: 2014-01-11