Середина 40-х годов прошлого века может вправе считаться сроком зарождения современной вычислительной техники. С этой датой связана публикация американского математика венгерского происхождения Джона фон Неймана (John Von Neumann) отчета по результатам проектирования компьютера EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer — Электронный Компьютер Дискретных Переменных) под названием «Предварительный доклад о компьютере EDVAC» (A First Draft Report on the EDVAC). В данном отчете декларировались основные концепции организации компьютеров, которые должны были быть реализованы в EDVAC. Основными разработчиками этого компьютера были Джон Мочли (John Mauchly) и Джон Преспер Эккерт (John Presper Eckert). Следует отметить, что к тому времени Мочли и Эккерт имели успешный опыт разработки компьютера ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer). Скандальность данной ситуации состояла в том, что внутрикорпоративный отчет, основанный на предложениях Моучли и Эккерта или предложениях, полученных совместно Моучли, Эккертом и фон Нейманом, был подготовлен и опубликован за авторством только Джона фон Неймана. Распространение данного отчета в научной среде породило появление принципов фон Неймана, которые как минимум должны были именоваться принципами Мочли, Эккерта, фон Неймана. Мы не вправе и не в силах изменить ход истории и сложившуюся терминологию, поэтому в дальнейшем также будем использовать термин принципы построения компьютера фон Неймана. Итак, в чем же состояли принципы организации машины фон Неймана?
1. Принцип двоичного кодирования информации: все поступающие и обрабатываемые компьютером данные кодируются при помощи двоичных сигналов.
2. Принцип программного управления. Программа состоит из команд, в которых закодированы операция и операнды, над которыми должна выполниться данная операция. Выполнение компьютером программы — это автоматическое выполнение определенной последовательности команд, составляющих программу. В компьютере имеется устройство, обеспечивающее выполнение команд, — процессор. Последовательность выполняемых процессором команд определяется последовательностью команд и данных, составляющих программу.
3. Принцип хранимой программы. Для хранения команд и данных программы используется единое устройство памяти, которое представляется в виде вектора слов. Все слова имеют последовательную адресацию. Команды и данные представляются единым образом. Интерпретация информации памяти и, соответственно, ее идентификация как команды или как данных происходит неявно при выполнении очередной команды. К примеру, содержимое слова, адрес которого используется в команде перехода в качестве операнда, интерпретируется как команда. Если то же слово используется в качестве операнда команды сложения, то его содержимое интерпретируется как данные. Это свойство определяет возможность программной генерации команд с последующим их выполнением.
Рис. 20. Структура компьютера фон Неймана.
Рассмотрим упрощенную структуру компьютера фон Неймана (Рис. 20):
— Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), или основная память, — устройство хранения данных, в котором находится исполняемая в настоящее время программа.
— Внешние устройства — программно управляемые устройства, входящие в состав компьютера, т.е. устройства, с которыми выполняемая программа может обмениваться данными.
— Процессор, или центральный процессор (ЦП), — основной компонент компьютера, обеспечивающий выполнение программ, процессор координирует работу внешних устройств и оперативной памяти. Процессор состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ) и устройства управления (УУ). Устройство управления обеспечивает последовательную выборку команд, составляющих программу, из памяти, выделение и анализ кода операции, получение значений операндов. В зависимости от кода операции команда выполняется либо в устройстве управления (обычно это могут быть команды передачи управления), либо код операции и операнды передаются для выполнения в АЛУ. После чего выбирается из памяти следующая команда программы, и т.д. В системе команд компьютера предусмотрены команды обмена с внешними устройствами.
Современные компьютеры по многим показателям не соответствуют модели фон Неймана. Ниже мы рассмотрим базовые структурные и функциональные особенности современных компьютеров (Рис. 21), уделив особое внимание организации компьютера, как системы, объединяющей разнородные по назначению и производительности аппаратные компоненты, работающей под управлением операционной системы. Скорости обработки информации в процессоре, доступа к данным, размещенным в оперативной памяти, обмена данными с внешними устройствами могут отличаться друг от друга на порядки. И если в системе не будут предусмотрены средства, компенсирующие этот дисбаланс, то итоговая производительность будет определяться наименее производительным элементом, активно используемым в работе системы.
Рис. 21. Базовая архитектура [R5] современных компьютеров.
Итоговая производительность вычислительной системы во многом определяется решениями на уровнях аппаратуры и операционной системы, которые позволяют минимизировать последствия дисбаланса в производительности как аппаратных, так и программных компонентов.
