สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์มีการพิจารณาการนำเสนอในระดับทั่วไป รวมถึงคำอธิบายความสามารถในการโปรแกรมของผู้ใช้ ระบบคำสั่ง ระบบการกำหนดแอดเดรส การจัดระเบียบหน่วยความจำ ฯลฯสถาปัตยกรรมกำหนดหลักการของการกระทำ ลิงค์ข้อมูลและการเชื่อมต่อโครงหลัก โหนดลอจิคัลคอมพิวเตอร์: โปรเซสเซอร์, หน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่ม (RAM, OP), ที่จัดเก็บข้อมูลภายนอกและ อุปกรณ์ต่อพ่วง.

ส่วนประกอบสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ได้แก่ ความสามารถด้านคอมพิวเตอร์และลอจิคัล ฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์

โครงสร้างคอมพิวเตอร์คือชุดขององค์ประกอบการทำงานและการเชื่อมต่อระหว่างองค์ประกอบเหล่านั้น องค์ประกอบต่างๆ อาจเป็นอุปกรณ์ทั่วไปได้ตั้งแต่โหนดโลจิคัลหลักของคอมพิวเตอร์ไปจนถึงวงจรที่ง่ายที่สุด โครงสร้างของคอมพิวเตอร์จะแสดงเป็นกราฟิกในรูปแบบของบล็อกไดอะแกรมซึ่งคุณสามารถอธิบายได้ในทุกระดับของรายละเอียด

สถาปัตยกรรมของคอมพิวเตอร์ควรแตกต่างจากโครงสร้างของคอมพิวเตอร์ โครงสร้างจะกำหนดชุดเฉพาะของอุปกรณ์ บล็อก โหนดที่ประกอบเป็นคอมพิวเตอร์ ในขณะที่สถาปัตยกรรมจะกำหนดกฎสำหรับการโต้ตอบของส่วนประกอบของคอมพิวเตอร์

หลักการของฟอน นอยมันน์ (สถาปัตยกรรม)- คอมพิวเตอร์ส่วนใหญ่มีพื้นฐานมาจากสิ่งต่อไปนี้: หลักการทั่วไปคิดค้นขึ้นในปี 1945 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน จอห์น ฟอน นอยมันน์

1. หลักการควบคุมโปรแกรม- ตามจากนั้นว่าโปรแกรมประกอบด้วยชุดคำสั่งที่ดำเนินการโดยโปรเซสเซอร์โดยอัตโนมัติตามลำดับในลำดับที่แน่นอน

โปรแกรมถูกดึงข้อมูลจากหน่วยความจำโดยใช้ตัวนับโปรแกรม การลงทะเบียนโปรเซสเซอร์นี้จะเพิ่มที่อยู่ของคำสั่งถัดไปที่จัดเก็บไว้ในนั้นตามลำดับตามความยาวของคำสั่ง เนื่องจากคำสั่งของโปรแกรมอยู่ในหน่วยความจำทีละคำสั่ง ดังนั้นสายคำสั่งจึงถูกจัดระเบียบจากเซลล์หน่วยความจำที่อยู่ตามลำดับ

โครงสร้างของคำสั่งแต่ละคำสั่งคือ:

<код операции> <операнды>,

ที่ไหน<код операции>กำหนดว่าควรดำเนินการใด

<операнды>- รายการ (อาจเป็นองค์ประกอบเดียว) ของค่าคงที่ ที่อยู่ หรือชื่อตัวแปรที่ใช้ดำเนินการนี้

ขึ้นอยู่กับจำนวนของตัวถูกดำเนินการ คำสั่งเครื่องที่อยู่หนึ่ง สอง และสามที่อยู่จะแตกต่างกัน แต่ละคำสั่งมีขนาดที่แน่นอน โดยวัดเป็นไบต์

2. หลักการ กระโดดแบบมีเงื่อนไข. หากหลังจากดำเนินการคำสั่งแล้วไม่ควรย้ายไปยังคำสั่งถัดไป แต่ไปยังคำสั่งอื่น ๆ จะใช้คำสั่งกระโดดแบบมีเงื่อนไขหรือไม่มีเงื่อนไข (สาขา) ซึ่งป้อนหมายเลขของเซลล์หน่วยความจำที่มีคำสั่งถัดไปลงในตัวนับคำสั่ง การดึงคำสั่งจากหน่วยความจำหยุดหลังจากเข้าถึงและดำเนินการคำสั่งหยุด

ดังนั้นโปรเซสเซอร์จึงรันโปรแกรมโดยอัตโนมัติโดยไม่มีการแทรกแซงของมนุษย์

3. หลักการของความสม่ำเสมอของหน่วยความจำ- โปรแกรมและข้อมูลจะถูกจัดเก็บไว้ในหน่วยความจำเดียวกัน ดังนั้นคอมพิวเตอร์จึงไม่แยกแยะระหว่างสิ่งที่เก็บไว้ในเซลล์หน่วยความจำที่กำหนด - ตัวเลข ข้อความ หรือคำสั่ง คุณสามารถดำเนินการเดียวกันกับคำสั่งเช่นเดียวกับข้อมูล นี่เป็นการเปิดโอกาสให้เป็นไปได้มากมาย ตัวอย่างเช่น โปรแกรมยังสามารถประมวลผลได้ในระหว่างการดำเนินการ ซึ่งทำให้สามารถตั้งกฎสำหรับการได้รับบางส่วนในโปรแกรมเอง (นี่คือวิธีการจัดการวงจรและรูทีนย่อยในโปรแกรม) นอกจากนี้ สามารถรับคำสั่งจากโปรแกรมหนึ่งโดยเป็นผลมาจากการทำงานของอีกโปรแกรมหนึ่งได้ วิธีการแปล - การแปลข้อความโปรแกรมจากภาษาการเขียนโปรแกรม - เป็นไปตามหลักการนี้ ระดับสูงเป็นภาษาของเครื่องเฉพาะ

4. หลักการวางโปรแกรมไว้ในหน่วยความจำ- โปรแกรมที่จำเป็นสำหรับการทำงานของคอมพิวเตอร์นั้นถูกติดตั้งไว้ล่วงหน้าในหน่วยความจำของคอมพิวเตอร์ แทนที่จะป้อนคำสั่งทีละคำสั่ง

5. หลักการกำหนดเป้าหมาย- โครงสร้างหน่วยความจำหลักประกอบด้วยเซลล์ที่จัดลำดับใหม่ เซลล์ใดๆ สามารถใช้ได้กับโปรเซสเซอร์ได้ตลอดเวลา นี่แสดงถึงความสามารถในการตั้งชื่อพื้นที่หน่วยความจำเพื่อให้สามารถเข้าถึงหรือเปลี่ยนแปลงค่าที่เก็บไว้ในนั้นในภายหลังระหว่างการทำงานของโปรแกรมโดยใช้ชื่อที่กำหนด

6. หลักการของลำดับชั้นของหน่วยความจำ- หน่วยความจำคอมพิวเตอร์มีความหลากหลาย สำหรับข้อมูลที่ใช้บ่อยจะมีการจัดสรรหน่วยความจำให้เล็กลงแต่เร็วขึ้น สำหรับข้อมูลที่ไม่ค่อยได้ใช้ ระบบจะจัดสรรหน่วยความจำให้ใหญ่ขึ้นแต่ช้ากว่า

7. หลักการของระบบเลขฐานสอง- สำหรับการแสดงข้อมูลและโปรแกรมภายในหน่วยความจำคอมพิวเตอร์จะใช้ระบบเลขฐานสองซึ่งสามารถนำไปใช้ในทางเทคนิคได้ง่ายขึ้น

คอมพิวเตอร์ที่สร้างขึ้นตามหลักการเหล่านี้เป็นประเภท von Neumann มีคอมพิวเตอร์ประเภทอื่น ๆ ที่แตกต่างโดยพื้นฐานจากคอมพิวเตอร์ของฟอนนอยมันน์ ตัวอย่างเช่น หลักการของการควบคุมโปรแกรมอาจไม่บรรลุผล เช่น สามารถทำงานได้โดยไม่ต้องมีตัวนับโปรแกรม (การลงทะเบียนที่อยู่) ชี้ไปที่คำสั่งโปรแกรมที่กำลังดำเนินการ ในการเข้าถึงตัวแปรที่จัดเก็บไว้ในหน่วยความจำ คอมพิวเตอร์เหล่านี้ไม่จำเป็นต้องตั้งชื่อ คอมพิวเตอร์ดังกล่าวเรียกว่าคอมพิวเตอร์ที่ไม่ใช่ฟอนนอยมันน์

เครื่อง von Neumann ประกอบด้วยหน่วยความจำ ซึ่งเป็นชุดของรีจิสเตอร์, ALU, อุปกรณ์อินพุต/เอาท์พุต และอุปกรณ์ควบคุม (รูปที่ 3.7)

อุปกรณ์อินพุตส่งคำสั่งและข้อมูลไปยัง ALU จากจุดที่เขียนลงในหน่วยความจำ ทั้งหมด ทีม, จำนวนทั้งสิ้นซึ่งเรียกว่าโปรแกรมถูกเขียนลงในหน่วยความจำลงในเซลล์ที่อยู่ติดกันโดยเรียงลำดับที่อยู่จากน้อยไปหามาก และข้อมูลที่ต้องประมวลผลจะถูกเขียนลงในเซลล์ด้วยที่อยู่ที่กำหนดเอง คำสั่งสุดท้ายของโปรแกรมจำเป็นต้องเป็นคำสั่งหยุด แต่ละคำสั่งประกอบด้วยรหัสของการดำเนินการที่ต้องดำเนินการและที่อยู่ของเซลล์ที่มีข้อมูลที่ประมวลผลโดยคำสั่งนี้ อุปกรณ์ควบคุมประกอบด้วยรีจิสเตอร์พิเศษที่เรียกว่า " ตัวนับโปรแกรม- หลังจากโหลดโปรแกรมและข้อมูลลงในหน่วยความจำแล้ว ที่อยู่ของคำสั่งแรกของโปรแกรมจะถูกเขียนไปที่ตัวนับโปรแกรม หลังจากนั้นคอมพิวเตอร์จะเข้าสู่โหมดการทำงานของโปรแกรมอัตโนมัติ

ข้าว. 3.7. เครื่องของวอนนอยมันน์

อุปกรณ์ควบคุมอ่านเนื้อหาของเซลล์หน่วยความจำจากหน่วยความจำซึ่งอยู่ในตัวนับโปรแกรมและวางไว้ในอุปกรณ์พิเศษ - “ คำสั่งลงทะเบียน- คำสั่ง register จะเก็บคำสั่งในขณะที่ถูกดำเนินการ อุปกรณ์ควบคุมจะถอดรหัสประเภทของการดำเนินการคำสั่ง อ่านจากหน่วยความจำข้อมูลที่ระบุที่อยู่ไว้ในคำสั่ง และเริ่มดำเนินการ สำหรับแต่ละคำสั่ง อุปกรณ์ควบคุมจะมีอัลกอริธึมการประมวลผลของตัวเอง ซึ่งประกอบด้วยการสร้างสัญญาณควบคุมสำหรับอุปกรณ์อื่นๆ ทั้งหมดของเครื่อง อัลกอริธึมนี้สามารถนำไปใช้ได้โดยอาศัยการผสมผสาน วงจรลอจิกหรือใช้หน่วยความจำภายในแบบพิเศษ โดยที่อัลกอริธึมเหล่านี้ถูกบันทึกในรูปแบบของคำแนะนำระดับไมโครที่รวมกันเป็นไมโครโปรแกรม ไมโครโปรแกรมจะถูกดำเนินการตามหลักการเดียวกับโปรแกรมในหน่วยความจำหลัก กล่าวคือ ตามหลักการของฟอน นอยมันน์ คำสั่งย่อยแต่ละคำสั่งประกอบด้วยชุดสัญญาณควบคุมสำหรับอุปกรณ์เครื่องจักร โปรดทราบว่าอุปกรณ์สำหรับควบคุมการดำเนินการคำสั่งโปรเซสเซอร์ในระบบคอมพิวเตอร์สมัยใหม่นั้นถูกสร้างขึ้นบนหลักการของวงจรผสมหรือไมโครโปรแกรมออโตมาตะตามที่แบ่งออกเป็น RISCและ ซีไอเอสซีโปรเซสเซอร์ซึ่งจะกล่าวถึงด้านล่าง

ไมโครโปรแกรมสำหรับการรันคำสั่งใด ๆ จำเป็นต้องมีสัญญาณที่เปลี่ยนเนื้อหาของตัวนับโปรแกรมทีละตัว ดังนั้น หลังจากเสร็จสิ้นคำสั่งถัดไป ตัวนับโปรแกรมจะชี้ไปที่เซลล์หน่วยความจำถัดไปซึ่งมีคำสั่งโปรแกรมถัดไป อุปกรณ์ควบคุมจะอ่านคำสั่งที่อยู่ในตัวนับโปรแกรม วางคำสั่งไว้ในรีจิสเตอร์คำสั่ง ฯลฯ กระบวนการนี้จะดำเนินต่อไปจนกว่าคำสั่งปฏิบัติการถัดไปจะกลายเป็นคำสั่งเพื่อหยุดการทำงานของโปรแกรม เป็นที่น่าสนใจที่จะทราบว่าทั้งคำสั่งและข้อมูลที่อยู่ในหน่วยความจำเป็นชุดจำนวนเต็มไบนารี อุปกรณ์ควบคุมไม่สามารถแยกแยะคำสั่งจากข้อมูลได้ ดังนั้น หากโปรแกรมเมอร์ลืมจบโปรแกรมด้วยคำสั่งหยุด อุปกรณ์ควบคุมจะอ่านเซลล์หน่วยความจำถัดไปที่ไม่มีคำสั่งโปรแกรมอีกต่อไป และพยายามตีความว่าเป็นคำสั่ง

กรณีพิเศษถือได้ว่าเป็นคำสั่งข้ามแบบไม่มีเงื่อนไขหรือแบบมีเงื่อนไข เมื่อคุณต้องการดำเนินการคำสั่งที่ไม่อยู่ถัดไปตามลำดับคำสั่งปัจจุบัน แต่ถูกแยกออกจากคำสั่งที่กำหนดด้วยที่อยู่จำนวนหนึ่ง ในกรณีนี้ คำสั่ง Jump จะมีที่อยู่ของเซลล์ที่ต้องถ่ายโอนตัวควบคุมไป ที่อยู่นี้ถูกเขียนโดยอุปกรณ์ควบคุมโดยตรงไปยังตัวนับโปรแกรมและการเปลี่ยนไปใช้คำสั่งโปรแกรมที่เกี่ยวข้องจะเกิดขึ้น

ในปี 1946 D. von Neumann, G. Goldstein และ A. Berks ในบทความร่วมกันของพวกเขา ได้สรุปหลักการใหม่สำหรับการสร้างและการทำงานของคอมพิวเตอร์ ต่อมาคอมพิวเตอร์สองเจเนอเรชั่นแรกก็ถูกสร้างขึ้นตามหลักการเหล่านี้ มีการเปลี่ยนแปลงบางอย่างในรุ่นต่อๆ ไป แม้ว่าหลักการของนอยมันน์จะยังคงมีความเกี่ยวข้องอยู่ในปัจจุบัน

ในความเป็นจริง นอยมันน์สามารถสรุปการพัฒนาทางวิทยาศาสตร์และการค้นพบของนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ จำนวนมาก และกำหนดสิ่งใหม่ที่เป็นพื้นฐานบนพื้นฐานของพวกเขา

หลักการควบคุมโปรแกรม:โปรแกรมประกอบด้วยชุดคำสั่งที่ดำเนินการโดยโปรเซสเซอร์ในลำดับที่แน่นอน

หลักการของความสม่ำเสมอของหน่วยความจำ:โปรแกรมและข้อมูลจะถูกจัดเก็บไว้ในหน่วยความจำเดียวกัน

หลักการกำหนดเป้าหมาย:โครงสร้างหน่วยความจำหลักประกอบด้วยเซลล์ที่มีหมายเลขกำกับ เซลล์ใดๆ สามารถใช้ได้กับโปรเซสเซอร์ได้ตลอดเวลา

คอมพิวเตอร์ที่สร้างขึ้นตามหลักการข้างต้นเป็นแบบฟอนนอยมันน์

ผลลัพธ์ที่สำคัญที่สุดของหลักการเหล่านี้ก็คือ ขณะนี้โปรแกรมไม่ได้เป็นส่วนถาวรของเครื่องอีกต่อไป (เช่น เครื่องคิดเลข) สามารถเปลี่ยนโปรแกรมได้ง่าย จากการเปรียบเทียบ โปรแกรมของคอมพิวเตอร์ ENIAC (ซึ่งไม่มีโปรแกรมที่เก็บไว้) ถูกกำหนดโดยจัมเปอร์พิเศษบนแผงควบคุม อาจใช้เวลามากกว่าหนึ่งวันในการตั้งโปรแกรมเครื่องใหม่ (ตั้งค่าจัมเปอร์ต่างกัน) และถึงแม้ว่าโปรแกรมสำหรับ คอมพิวเตอร์สมัยใหม่อาจใช้เวลาหลายปีในการเขียน แต่ใช้งานได้กับคอมพิวเตอร์หลายล้านเครื่อง การติดตั้งโปรแกรมไม่จำเป็นต้องใช้เวลามากนัก

นอกเหนือจากหลักการสามข้อข้างต้นแล้ว von Neumann ยังเสนอหลักการของการเข้ารหัสไบนารี่ -ระบบเลขฐานสองใช้เพื่อแสดงข้อมูลและคำสั่ง (เครื่องแรกใช้ระบบเลขฐานสิบ) แต่การพัฒนาต่อมาแสดงให้เห็นความเป็นไปได้ในการใช้ระบบตัวเลขที่ไม่ใช่แบบดั้งเดิม

เมื่อต้นปี พ.ศ. 2499 ตามความคิดริเริ่มของนักวิชาการ S.L. Sobolev หัวหน้าภาควิชาคณิตศาสตร์คอมพิวเตอร์ คณะกลศาสตร์และคณิตศาสตร์ มหาวิทยาลัยมอสโก ศูนย์คอมพิวเตอร์ที่มหาวิทยาลัยแห่งรัฐมอสโก แผนกอิเล็กทรอนิกส์ได้ก่อตั้งขึ้นและเริ่มการสัมมนาโดยมีเป้าหมายเพื่อสร้างตัวอย่างดิจิทัลที่ใช้งานได้จริง คอมพิวเตอร์มีไว้สำหรับใช้ในมหาวิทยาลัยตลอดจนในห้องปฏิบัติการและสำนักงานการออกแบบขององค์กรอุตสาหกรรม จำเป็นต้องพัฒนาคอมพิวเตอร์ขนาดเล็กที่สามารถเรียนรู้และใช้งานได้ง่าย เชื่อถือได้ ราคาไม่แพง และในขณะเดียวกันก็มีประสิทธิภาพในงานที่หลากหลาย การศึกษาอย่างละเอียดเป็นเวลาหนึ่งปีของคอมพิวเตอร์ที่มีอยู่ในเวลานั้นและความสามารถทางเทคนิคของการนำไปใช้งานนำไปสู่การตัดสินใจที่ไม่ได้มาตรฐานเพื่อใช้ในเครื่องที่สร้างขึ้นไม่ใช่ไบนารี แต่เป็นรหัสสมมาตรแบบไตรภาคซึ่งใช้ระบบตัวเลขที่สมดุลซึ่ง D. Knuth ยี่สิบปีต่อมาอาจเรียกได้ว่าสง่างามที่สุดและเมื่อเป็นที่รู้จักในเวลาต่อมา K. Shannon ระบุข้อดีของมันในปี 1950 ต่างจากรหัสไบนารี่ที่มีตัวเลข 0, 1 ซึ่งเป็นที่ยอมรับโดยทั่วไปในคอมพิวเตอร์ยุคใหม่ซึ่งด้อยกว่าทางคณิตศาสตร์เนื่องจากเป็นไปไม่ได้ที่จะแทนตัวเลขลบโดยตรง รหัสไตรภาคที่มีตัวเลข -1, 0, 1 ให้ค่าที่เหมาะสมที่สุด การสร้างเลขคณิตของตัวเลขที่ลงนาม ระบบเลขไตรภาคนั้นมีพื้นฐานอยู่บนหลักการเข้ารหัสตัวเลขในตำแหน่งเดียวกับระบบเลขฐานสองที่นำมาใช้ในคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ แต่มีน้ำหนัก ฉันตำแหน่งที่ (หลัก) ในนั้นไม่เท่ากับ 2 ผม แต่ 3 ผม . ยิ่งกว่านั้นตัวเลขนั้นไม่ใช่สองหลัก (ไม่ใช่บิต) แต่เป็นสามหลัก (trites) - นอกเหนือจาก 0 และ 1 แล้วยังอนุญาตให้มีค่าที่สามซึ่งในระบบสมมาตรคือ -1 เนื่องจากทั้งสองค่าเป็นบวก และจำนวนลบสามารถแสดงได้สม่ำเสมอ ค่าของจำนวนเต็ม n-trite N ถูกกำหนดในลักษณะเดียวกันกับค่าของจำนวนเต็ม n-บิต:

โดยที่ i ∈ (1, 0, -1) คือค่าของหลักที่ i

ในเดือนเมษายน พ.ศ. 2503 ได้ทำการทดสอบระหว่างแผนกของคอมพิวเตอร์ต้นแบบที่เรียกว่า "เซตุน" จากผลการทดสอบเหล่านี้ "เซตุน" ได้รับการยอมรับว่าเป็นโมเดลการทำงานรุ่นแรกของคอมพิวเตอร์สากลที่ใช้องค์ประกอบที่ไม่มีหลอดไฟ ซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือ " ประสิทธิภาพสูง, ความน่าเชื่อถือเพียงพอ, ขนาดที่เล็กและง่ายต่อการบำรุงรักษา” “ Setun” ด้วยความเป็นธรรมชาติของโค้ดแบบสมมาตรแบบไตรภาคจึงกลายเป็นเครื่องมือคำนวณที่เป็นสากลอย่างแท้จริง ตั้งโปรแกรมได้ง่าย และมีประสิทธิภาพมากซึ่งได้รับการพิสูจน์แล้วในเชิงบวก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเช่น วิธีการทางเทคนิคสอนคณิตศาสตร์เชิงคำนวณในมหาวิทยาลัยมากกว่าสามสิบแห่ง และที่วิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์กองทัพอากาศ Zhukovsky ถูกนำมาใช้ครั้งแรกที่ "Setun" ระบบอัตโนมัติการฝึกอบรมคอมพิวเตอร์

ตามหลักการของฟอน นอยมันน์ คอมพิวเตอร์ประกอบด้วย

· หน่วยตรรกะทางคณิตศาสตร์ - ALU(อังกฤษ ALU หน่วยเลขคณิตและลอจิก) ซึ่งดำเนินการทางคณิตศาสตร์และตรรกะ อุปกรณ์ควบคุม -UU ออกแบบมาเพื่อจัดระเบียบการทำงานของโปรแกรม

· อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูล (ที่เก็บข้อมูล)รวมถึง หน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่ม (RAM - หน่วยความจำหลัก) และอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลภายนอก (ESD) ในเกี่ยวกับ หน่วยความจำหลัก ข้อมูลและโปรแกรมถูกเก็บไว้ โมดูลหน่วยความจำประกอบด้วยเซลล์ที่มีหมายเลขจำนวนมาก แต่ละเซลล์สามารถมีเลขฐานสองที่ถูกตีความว่าเป็นคำสั่งหรือข้อมูล

· ที่ อุปกรณ์อินพุต/เอาท์พุต, ซึ่งทำหน้าที่ถ่ายโอนข้อมูลระหว่างคอมพิวเตอร์และสภาพแวดล้อมภายนอกซึ่งประกอบด้วยอุปกรณ์ต่อพ่วงต่างๆ ได้แก่ หน่วยความจำสำรอง อุปกรณ์สื่อสาร และเทอร์มินัล

ให้การโต้ตอบระหว่างโปรเซสเซอร์ (ALU และหน่วยควบคุม) หน่วยความจำหลักและอุปกรณ์อินพุต/เอาท์พุตด้วย บัสระบบ .

สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ของ Von Neumann ถือเป็นสถาปัตยกรรมคลาสสิก โดยทั่วไป เมื่อพูดถึงสถาปัตยกรรม von Neumann หมายถึงการแยกทางกายภาพของโมดูลโปรเซสเซอร์ออกจากโปรแกรมและอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูล แนวคิดในการจัดเก็บข้อมูล โปรแกรมคอมพิวเตอร์ในหน่วยความจำที่ใช้ร่วมกันทำให้สามารถเปลี่ยนคอมพิวเตอร์ให้เป็นได้ อุปกรณ์สากลที่สามารถปฏิบัติงานได้หลากหลาย โปรแกรมและข้อมูลจะถูกป้อนลงในหน่วยความจำจากอุปกรณ์อินพุตผ่านหน่วยตรรกะทางคณิตศาสตร์ คำสั่งโปรแกรมทั้งหมดถูกเขียนลงในเซลล์หน่วยความจำที่อยู่ติดกัน และข้อมูลสำหรับการประมวลผลสามารถอยู่ในเซลล์ที่กำหนดเองได้ สำหรับโปรแกรมใดๆ คำสั่งสุดท้ายจะต้องเป็นคำสั่งปิดเครื่อง

คอมพิวเตอร์ส่วนใหญ่ในปัจจุบันเป็นเครื่องของฟอนนอยมันน์ ข้อยกเว้นเพียงอย่างเดียวคือระบบบางประเภทสำหรับ การคำนวณแบบขนานซึ่งไม่มีตัวนับโปรแกรม แนวคิดคลาสสิกของตัวแปรจะไม่ถูกนำมาใช้ และมีความแตกต่างพื้นฐานที่สำคัญอื่นๆ จากโมเดลคลาสสิก (ตัวอย่าง ได้แก่ คอมพิวเตอร์สตรีมมิ่งและการลดขนาด) เห็นได้ชัดว่าการเบี่ยงเบนที่สำคัญจากสถาปัตยกรรม von Neumann จะเกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากการพัฒนาแนวคิดของเครื่องจักรรุ่นที่ห้าซึ่งการประมวลผลข้อมูลไม่ได้ขึ้นอยู่กับการคำนวณ แต่ขึ้นอยู่กับข้อสรุปเชิงตรรกะ

2.2 คำสั่ง รูปแบบคำสั่ง

คำสั่งคือคำอธิบายของการดำเนินการเบื้องต้นที่คอมพิวเตอร์ต้องดำเนินการ

โครงสร้างทีม

จำนวนบิตที่จัดสรรเพื่อเขียนคำสั่งขึ้นอยู่กับฮาร์ดแวร์ รุ่นเฉพาะคอมพิวเตอร์. ทั้งนี้เราจะพิจารณาโครงสร้างทีมงานเฉพาะกรณีทั่วไป

โดยทั่วไป คำสั่งจะมีข้อมูลต่อไปนี้:

Ø รหัสของการดำเนินการที่กำลังดำเนินการ

Ø คำแนะนำในการกำหนดตัวถูกดำเนินการหรือที่อยู่

Ø คำแนะนำในการวางผลลัพธ์ที่ได้

สำหรับเครื่องใดๆ จะต้องระบุจำนวนบิตไบนารี่ที่จัดสรรในคำสั่งสำหรับแต่ละที่อยู่และสำหรับ opcode รวมถึง opcodes จริงด้วย จำนวนบิตในคำสั่งที่จัดสรรเมื่อสร้างเครื่องสำหรับแต่ละที่อยู่จะกำหนดขีดจำกัดบนของจำนวนเซลล์หน่วยความจำเครื่องที่มีที่อยู่แยกกัน: ถ้าที่อยู่ในคำสั่งแสดงด้วย n บิต ดังนั้นหน่วยความจำเข้าถึงเร็ว ไม่สามารถมีมากกว่า 2 n เซลล์

คำสั่งจะถูกดำเนินการตามลำดับ โดยเริ่มจากที่อยู่เริ่มต้น (จุดเริ่มต้น) ของโปรแกรมที่ปฏิบัติการได้ ที่อยู่ของแต่ละคำสั่งที่ตามมาจะมากกว่าที่อยู่ของคำสั่งก่อนหน้าหนึ่งรายการ หากไม่ใช่คำสั่งข้าม

ในเครื่องสมัยใหม่ ความยาวของคำสั่งจะแปรผัน (ปกติจะเป็น 2-4 ไบต์) และวิธีการระบุที่อยู่ของตัวแปรจะแตกต่างกันมาก

ส่วนที่อยู่ของคำสั่งอาจมี เช่น:

ตัวถูกดำเนินการ;

ที่อยู่ตัวถูกดำเนินการ;

ที่อยู่ที่อยู่ตัวถูกดำเนินการ (หมายเลขไบต์ซึ่งเป็นที่อยู่ของตัวถูกดำเนินการ) ฯลฯ

มาดูโครงสร้างกัน ตัวเลือกที่เป็นไปได้คำสั่งหลายประเภท

คำสั่งสามที่อยู่

คำสั่งสองทาง

คำสั่งแบบผู้รับเดียว

คำสั่งที่ไม่ได้ระบุที่อยู่

พิจารณาการดำเนินการบวกเลขฐานสอง: c = a + b

สำหรับแต่ละตัวแปรในหน่วยความจำ เราจะกำหนดที่อยู่แบบมีเงื่อนไข:

ให้ 53 เป็นโค้ดดำเนินการบวก

ในกรณีนี้ โครงสร้างคำสั่งสามที่อยู่มีลักษณะดังนี้:

· คำสั่งสามที่อยู่

กระบวนการดำเนินการคำสั่งแบ่งออกเป็นขั้นตอนต่อไปนี้:

คำสั่งถัดไปจะถูกเลือกจากเซลล์หน่วยความจำซึ่งที่อยู่จะถูกเก็บไว้ในตัวนับโปรแกรม เนื้อหาของตัวนับมีการเปลี่ยนแปลงและตอนนี้มีที่อยู่ของคำสั่งถัดไปตามลำดับ

คำสั่งที่เลือกจะถูกส่งไปยังอุปกรณ์ควบคุมไปยังรีจิสเตอร์คำสั่ง

อุปกรณ์ควบคุมถอดรหัสฟิลด์ที่อยู่ของคำสั่ง

ขึ้นอยู่กับสัญญาณจากชุดควบคุม ค่าของตัวถูกดำเนินการจะถูกอ่านจากหน่วยความจำและเขียนไปยัง ALU ในรีจิสเตอร์ตัวถูกดำเนินการพิเศษ

หน่วยควบคุมถอดรหัสรหัสการทำงานและส่งสัญญาณไปยัง ALU เพื่อดำเนินการที่เกี่ยวข้องกับข้อมูล

ผลลัพธ์ของการดำเนินการในกรณีนี้จะถูกส่งไปยังหน่วยความจำ (ในคอมพิวเตอร์ที่อยู่เดียวและสองที่อยู่จะยังคงอยู่ในโปรเซสเซอร์)

การดำเนินการก่อนหน้านี้ทั้งหมดจะดำเนินการจนกว่าจะถึงคำสั่ง STOP

2.3 คอมพิวเตอร์เป็นหุ่นยนต์

“เครื่องจักรดิจิทัลอิเล็กทรอนิกส์ที่มีการควบคุมโปรแกรมเป็นตัวอย่างของตัวแปลงประเภทหนึ่งที่พบมากที่สุดในปัจจุบัน ข้อมูลที่ไม่ต่อเนื่องเรียกว่าออโตมาตะแบบแยกหรือดิจิทัล" (Glushkov V.M. การสังเคราะห์ออโตมาตาดิจิทัล)

คอมพิวเตอร์ทุกเครื่องทำงานโดยอัตโนมัติ (ไม่ว่าจะเป็นคอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่หรือเล็ก คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล หรือซูเปอร์คอมพิวเตอร์) ในแง่นี้ คอมพิวเตอร์ในฐานะหุ่นยนต์สามารถอธิบายได้ด้วยแผนภาพบล็อกที่แสดงในรูปที่ 1 2.1.

ในย่อหน้าก่อนหน้านี้ พิจารณาบล็อกไดอะแกรมของคอมพิวเตอร์ ขึ้นอยู่กับ แผนภาพบล็อกคอมพิวเตอร์และวงจรเครื่องจักร เราสามารถเปรียบเทียบบล็อกของวงจรเครื่องจักรและองค์ประกอบของแผนภาพบล็อกคอมพิวเตอร์ได้

สิ่งต่อไปนี้รวมอยู่ในเครื่องเป็นองค์ประกอบผู้บริหาร:

อุปกรณ์เลขคณิต-ลอจิคัล:

· หน่วยความจำ;

· อุปกรณ์อินพุต/เอาท์พุตข้อมูล

องค์ประกอบควบคุมของเครื่องคืออุปกรณ์ควบคุมซึ่งมีให้จริง โหมดอัตโนมัติงาน. ตามที่ระบุไว้แล้ว ในอุปกรณ์คอมพิวเตอร์สมัยใหม่ องค์ประกอบผู้บริหารหลักคือตัวประมวลผลหรือไมโครโปรเซสเซอร์ ซึ่งมี ALU หน่วยความจำ และอุปกรณ์ควบคุม

อุปกรณ์เสริมของเครื่องอาจเป็นวิธีการเพิ่มเติมทุกประเภทที่ปรับปรุงหรือขยายขีดความสามารถของเครื่อง

เครื่องจักรประเภทนี้มักเรียกกันว่า "เครื่องจักรของฟอน นอยมันน์" แต่ความสอดคล้องระหว่างแนวคิดเหล่านี้อาจไม่ชัดเจนเสมอไป โดยทั่วไปแล้ว เมื่อผู้คนพูดถึงสถาปัตยกรรมของ von Neumann พวกเขาหมายถึงหลักการจัดเก็บข้อมูลและคำสั่งไว้ในหน่วยความจำเดียว

YouTube สารานุกรม

• 1 / 5

  ฟอน นอยมันน์วางรากฐานหลักสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ในปี พ.ศ. 2487 เมื่อเขามีส่วนร่วมในการสร้าง ENIAC ซึ่งเป็นคอมพิวเตอร์แบบหลอดเครื่องแรกของโลก ในขณะที่ทำงานใน ENIAC ที่มหาวิทยาลัยเพนซิลวาเนีย ในระหว่างการหารือหลายครั้งกับเพื่อนร่วมงานของเขา John William Mauchly, John Eckert, Herman Goldstine และ Arthur Burks แนวคิดเกี่ยวกับเครื่องจักรขั้นสูงที่เรียกว่า EDVAC ก็เกิดขึ้น งานวิจัยเกี่ยวกับ EDVAC ยังคงดำเนินต่อไปควบคู่ไปกับการสร้าง ENIAC

  ในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2488 หลักการของสถาปัตยกรรมเชิงตรรกะได้รับการจัดทำอย่างเป็นทางการในเอกสารที่เรียกว่า "First Draft Report on EDVAC" - รายงานสำหรับ US Army Ballistic Laboratory ซึ่งใช้เงินเพื่อสร้าง ENIAC และพัฒนา EDVAC เนื่องจากเป็นเพียงฉบับร่าง จึงไม่ได้มีไว้สำหรับตีพิมพ์ แต่เพื่อการเผยแพร่ภายในกลุ่มเท่านั้น แต่เฮอร์แมน โกลด์สตีน ซึ่งเป็นหัวหน้าโครงการของกองทัพสหรัฐฯ ได้ทำซ้ำงานทางวิทยาศาสตร์นี้และส่งไปยังนักวิทยาศาสตร์ในวงกว้างเพื่อ ทบทวน. เนื่องจากมีเพียงชื่อของฟอน นอยมันน์เท่านั้นที่อยู่บนหน้าแรกของเอกสาร บรรดาผู้ที่อ่านเอกสารจึงมีความรู้สึกผิด ๆ ว่าเขาเป็นผู้เขียนแนวคิดทั้งหมดที่นำเสนอในงานนี้ เอกสารดังกล่าวให้ข้อมูลที่เพียงพอเพื่อให้ผู้ที่อ่านสามารถสร้างคอมพิวเตอร์ของตนเองที่คล้ายกับ EDVAC บนหลักการเดียวกันและมีสถาปัตยกรรมเดียวกัน ซึ่งผลที่ได้จึงกลายเป็นที่รู้จักในชื่อ "สถาปัตยกรรม von Neumann"

  หลังจากสิ้นสุดสงครามโลกครั้งที่สองและการสิ้นสุดการทำงานกับ ENIAC ในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2489 ทีมวิศวกรและนักวิทยาศาสตร์ก็เลิกกัน John Mauchly และ John Eckert ตัดสินใจเข้าสู่ธุรกิจและสร้างคอมพิวเตอร์ในเชิงพาณิชย์ Von Neumann, Goldstein และ Burks ย้ายไปที่ ซึ่งพวกเขาตัดสินใจสร้างคอมพิวเตอร์ “IAS machine” ของตนเอง ซึ่งคล้ายกับ EDVAC และใช้สำหรับงานวิจัย ในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2489 พวกเขาสรุปหลักการในการสร้างคอมพิวเตอร์ในบทความคลาสสิกในปัจจุบันเรื่อง “การพิจารณาเบื้องต้นเกี่ยวกับการออกแบบเชิงตรรกะของอุปกรณ์คอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์” เวลาผ่านไปกว่าครึ่งศตวรรษแล้ว แต่บทบัญญัติที่เสนอในนั้นยังคงมีความเกี่ยวข้องในปัจจุบัน บทความนี้ยืนยันการใช้ระบบไบนารี่เพื่อแสดงตัวเลข แต่ก่อนหน้านี้คอมพิวเตอร์ทุกเครื่องจะเก็บตัวเลขที่ประมวลผลไว้ในรูปแบบทศนิยม ผู้เขียนได้แสดงให้เห็นถึงข้อดีของระบบไบนารี่สำหรับการใช้งานทางเทคนิค ความสะดวกและความสะดวกในการดำเนินการทางคณิตศาสตร์และตรรกะในระบบ ต่อมา คอมพิวเตอร์เริ่มประมวลผลข้อมูลที่ไม่ใช่ตัวเลข เช่น ข้อความ กราฟิก เสียง และอื่นๆ แต่การเข้ารหัสข้อมูลแบบไบนารียังคงอยู่ พื้นฐานข้อมูลคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ใดๆ

  นอกจากเครื่องจักรที่ทำงานกับรหัสไบนารี่แล้ว ยังมีและยังคงเป็นเครื่องจักรแบบไตรภาคอีกด้วย คอมพิวเตอร์แบบไตรภาคมีข้อดีและข้อเสียมากกว่าไบนารี่หลายประการ ข้อดีคือความเร็ว (การดำเนินการบวกจะดำเนินการเร็วขึ้นประมาณหนึ่งเท่าครึ่ง) การมีอยู่ของตรรกะไบนารี่และไตรภาค การแสดงจำนวนเต็มที่ลงนามอย่างสมมาตร (ในตรรกะไบนารี่จะมีศูนย์สองตัว (บวกและลบ) หรือที่นั่น จะเป็นตัวเลขที่ไม่มีเครื่องหมายตรงกันข้าม) ข้อเสียคือการใช้งานมีความซับซ้อนมากกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องไบนารี

  แนวคิดที่ปฏิวัติอีกแนวคิดหนึ่งซึ่งมีความสำคัญซึ่งประเมินค่าสูงไปได้ยากคือหลักการของ "โปรแกรมที่เก็บไว้" เริ่มแรกโปรแกรมถูกตั้งค่าโดยการติดตั้งจัมเปอร์บนแผงแพทช์พิเศษ นี่เป็นงานที่ต้องใช้แรงงานมาก: ตัวอย่างเช่นการเปลี่ยนโปรแกรมของเครื่อง ENIAC ต้องใช้เวลาหลายวันในขณะที่การคำนวณนั้นใช้เวลาไม่เกินสองสามนาที - หลอดไฟซึ่งมีจำนวนมากล้มเหลว อย่างไรก็ตาม โปรแกรมยังสามารถจัดเก็บเป็นชุดของศูนย์และหนึ่ง และในหน่วยความจำเดียวกับตัวเลขที่โปรแกรมประมวลผล การไม่มีความแตกต่างพื้นฐานระหว่างโปรแกรมและข้อมูลทำให้คอมพิวเตอร์สามารถสร้างโปรแกรมสำหรับตัวมันเองตามผลการคำนวณ

  การมีอยู่ของชุดคำสั่งและโปรแกรมปฏิบัติการที่กำหนดคือ คุณลักษณะเฉพาะระบบคอมพิวเตอร์เครื่องแรก ปัจจุบัน การออกแบบที่คล้ายกันนี้ใช้เพื่อทำให้การออกแบบอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ง่ายขึ้น โดยหลักการแล้วเครื่องคิดเลขเดสก์ท็อปจึงเป็นอุปกรณ์ที่มีชุดโปรแกรมตายตัวที่สามารถดำเนินการได้ สามารถใช้สำหรับการคำนวณทางคณิตศาสตร์ได้ แต่แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะใช้สำหรับการประมวลผลข้อความและเกมคอมพิวเตอร์ สำหรับการดูภาพกราฟิกหรือวิดีโอ การเปลี่ยนเฟิร์มแวร์สำหรับอุปกรณ์ประเภทนี้จำเป็นต้องทำใหม่เกือบทั้งหมด และในกรณีส่วนใหญ่เป็นไปไม่ได้ อย่างไรก็ตาม การเขียนโปรแกรมใหม่ของระบบคอมพิวเตอร์ในยุคแรกยังคงดำเนินการอยู่ แต่ต้องใช้แรงงานคนจำนวนมากเพื่อเตรียมเอกสารใหม่ เชื่อมต่อใหม่และสร้างบล็อกและอุปกรณ์ใหม่ ฯลฯ

  แนวคิดในการจัดเก็บโปรแกรมคอมพิวเตอร์ในหน่วยความจำที่ใช้ร่วมกันทำให้ทุกอย่างเปลี่ยนไป เมื่อถึงเวลาเปิดตัว การใช้สถาปัตยกรรมตามชุดคำสั่งที่ปฏิบัติการได้และการเป็นตัวแทนของกระบวนการคำนวณในฐานะกระบวนการดำเนินการคำสั่งที่เขียนในโปรแกรมได้เพิ่มความยืดหยุ่นของระบบคอมพิวเตอร์ในแง่ของการประมวลผลข้อมูลอย่างมาก วิธีการเดียวกันในการดูข้อมูลและคำแนะนำทำให้ง่ายต่อการเปลี่ยนแปลงโปรแกรมด้วยตนเอง

  หลักการของวอนนอยมันน์

  หลักการของความสม่ำเสมอของหน่วยความจำ ความแตกต่างพื้นฐานระหว่างสถาปัตยกรรม "von Neumann" (Princeton) และสถาปัตยกรรม "Harvard" คำสั่งและข้อมูลจะถูกจัดเก็บไว้ในหน่วยความจำเดียวกัน และภายนอกจะแยกไม่ออกในหน่วยความจำ สามารถรับรู้ได้โดยวิธีการใช้งานเท่านั้น นั่นคือ ค่าเดียวกันในเซลล์หน่วยความจำสามารถใช้เป็นข้อมูล เป็นคำสั่ง และเป็นที่อยู่ได้ ขึ้นอยู่กับวิธีการเข้าถึงเท่านั้น สิ่งนี้ช่วยให้คุณสามารถดำเนินการเดียวกันกับคำสั่งเช่นเดียวกับตัวเลขและเปิดความเป็นไปได้หลายประการ ดังนั้น ด้วยการเปลี่ยนส่วนที่อยู่ของคำสั่งแบบวนรอบ จึงสามารถเข้าถึงองค์ประกอบต่อเนื่องของอาร์เรย์ข้อมูลได้ เทคนิคนี้เรียกว่าการแก้ไขคำสั่งและไม่แนะนำจากมุมมองของการเขียนโปรแกรมสมัยใหม่ มีประโยชน์มากกว่าคือผลลัพธ์อีกประการหนึ่งของหลักการความเป็นเนื้อเดียวกัน เมื่อสามารถรับคำสั่งจากโปรแกรมหนึ่งอันเป็นผลมาจากการทำงานของอีกโปรแกรมหนึ่งได้ ความเป็นไปได้นี้รองรับการแปล - การแปลข้อความโปรแกรมจากภาษาระดับสูงเป็นภาษาของคอมพิวเตอร์เครื่องใดเครื่องหนึ่ง หลักการของการจัดการเชิงโครงสร้าง หน่วยความจำหลักประกอบด้วยเซลล์ที่มีหมายเลข และเซลล์ใดๆ ก็ตามจะพร้อมใช้งานสำหรับโปรเซสเซอร์ได้ตลอดเวลารหัสไบนารี่ คำสั่งและข้อมูลจะถูกแบ่งออกเป็นหน่วยของข้อมูลที่เรียกว่าคำและจัดเก็บไว้ในเซลล์หน่วยความจำ และในการเข้าถึงจะใช้จำนวนของเซลล์ที่เกี่ยวข้อง - ที่อยู่ -ลำดับนี้สามารถเปลี่ยนแปลงได้ การตัดสินใจเปลี่ยนลำดับการดำเนินการคำสั่งโปรแกรมนั้นขึ้นอยู่กับการวิเคราะห์ผลลัพธ์ของการคำนวณก่อนหน้าหรือโดยไม่มีเงื่อนไข

  หลักการเข้ารหัสแบบไบนารี ตามหลักการนี้ ข้อมูลทั้งหมดทั้งข้อมูลและคำสั่งจะถูกเข้ารหัสด้วยเลขฐานสอง 0 และ 1 ข้อมูลแต่ละประเภทจะแสดงด้วยลำดับไบนารี่และมีรูปแบบของตัวเอง ลำดับของบิตในรูปแบบที่มีความหมายเฉพาะเรียกว่าฟิลด์ ในข้อมูลตัวเลข โดยปกติจะมีช่องสัญญาณและช่องเลขนัยสำคัญ ในกรณีที่ง่ายที่สุด รูปแบบคำสั่งสามารถแบ่งออกเป็นสองฟิลด์: ฟิลด์รหัสการดำเนินการและฟิลด์ที่อยู่

  คอมพิวเตอร์ที่สร้างขึ้นตามหลักการของฟอน นอยมันน์

  1. ตามแผน คอมพิวเตอร์เครื่องแรกที่สร้างขึ้นตามสถาปัตยกรรมของฟอน นอยมันน์ จะเป็น EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) ซึ่งเป็นหนึ่งในคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์เครื่องแรกๆ ต่างจาก ENIAC รุ่นก่อนตรงที่เป็นคอมพิวเตอร์แบบไบนารีแทนที่จะเป็นแบบทศนิยม เช่นเดียวกับ ENIAC EDVAC ได้รับการพัฒนาที่สถาบัน Moore แห่งมหาวิทยาลัยเพนซิลวาเนียสำหรับห้องปฏิบัติการวิจัยขีปนาวุธของกองทัพสหรัฐฯ โดยทีมวิศวกรและนักวิทยาศาสตร์ที่นำโดย John Presper Eckert และ John William Mauchly ด้วยความช่วยเหลืออย่างแข็งขันของนักคณิตศาสตร์] แต่จนกระทั่ง 1951 EDVAC ไม่ได้เปิดตัวเนื่องจากปัญหาทางเทคนิคในการสร้างหน่วยความจำคอมพิวเตอร์ที่เชื่อถือได้และความขัดแย้งภายในทีมพัฒนา สถาบันวิจัยอื่นๆ ซึ่งคุ้นเคยกับ ENIAC และโครงการ EDVAC ก็สามารถแก้ไขปัญหาเหล่านี้ได้เร็วกว่ามาก คอมพิวเตอร์เครื่องแรกที่ใช้คุณสมบัติหลักของสถาปัตยกรรม von Neumann คือ:
  2. ต้นแบบ - เครื่องทดลองขนาดเล็กของแมนเชสเตอร์ - มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์, สหราชอาณาจักร, 21 มิถุนายน พ.ศ. 2491;
  3. EDSAC - มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ สหราชอาณาจักร 6 พฤษภาคม พ.ศ. 2492;
  4. แมนเชสเตอร์ Mark I - แมนเชสเตอร์ มหาวิทยาลัย สหราชอาณาจักร 2492;
  5. BINAC - สหรัฐอเมริกา เมษายนหรือสิงหาคม 2492
  6. CSIR Mk 1
  7. EDVAC - สหรัฐอเมริกา สิงหาคม พ.ศ. 2492 - เปิดตัวจริงในปี พ.ศ. 2495
  8. CSIRAC - ออสเตรเลีย พฤศจิกายน 2492;
  9. SEAC - สหรัฐอเมริกา 9 พฤษภาคม 1950;
  10. ORDVAC - สหรัฐอเมริกา พฤศจิกายน 2494;
  11. เครื่องจักร IAS - สหรัฐอเมริกา 10 มิถุนายน 2495;
  12. MANIAC I - สหรัฐอเมริกา, มีนาคม 1952;
  13. AVIDAC - สหรัฐอเมริกา 28 มกราคม 2496;
  14. ORACLE - สหรัฐอเมริกาปลายปี 2496;
  15. ไวแซค - อิสราเอล, 2498;

  ในสหภาพโซเวียต คอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์เต็มรูปแบบเครื่องแรกที่ใกล้เคียงกับหลักการของฟอน นอยมันน์คือ MESM ซึ่งสร้างโดย Lebedev (บนพื้นฐานของสถาบันวิศวกรรมไฟฟ้า Kyiv ของ Academy of Sciences ของ SSR ของยูเครน) ซึ่งผ่านการทดสอบการยอมรับจากรัฐในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2494 .

  จุดคอขวดของสถาปัตยกรรมของฟอน นอยมันน์

  การแบ่งปันบัสสำหรับหน่วยความจำโปรแกรมและหน่วยความจำข้อมูลนำไปสู่ปัญหาคอขวดของสถาปัตยกรรม von Neumann กล่าวคือข้อจำกัดของแบนด์วิธระหว่างโปรเซสเซอร์และหน่วยความจำเมื่อเปรียบเทียบกับจำนวนหน่วยความจำ เนื่องจากหน่วยความจำโปรแกรมและหน่วยความจำข้อมูลไม่สามารถเข้าถึงได้พร้อมๆ กัน ปริมาณงานช่องสัญญาณหน่วยความจำโปรเซสเซอร์และความเร็วหน่วยความจำจำกัดความเร็วของโปรเซสเซอร์อย่างมาก - มากกว่าการที่โปรแกรมและข้อมูลถูกจัดเก็บไว้ในที่ต่างกัน เนื่องจากความเร็วโปรเซสเซอร์และหน่วยความจำเพิ่มขึ้นเร็วกว่าแบนด์วิธระหว่างกันมาก คอขวดกลายเป็นปัญหาใหญ่ซึ่งความรุนแรงจะเพิ่มขึ้นตามโปรเซสเซอร์รุ่นใหม่แต่ละรุ่น [ ] ; ปัญหานี้ได้รับการแก้ไขโดยการปรับปรุงระบบแคช และทำให้เกิดปัญหาใหม่ๆ มากมาย [ อันไหน?] .

  คำว่า “คอขวดของสถาปัตยกรรม von Neumann” ได้รับการประกาศเกียรติคุณโดย John Backus ในปี 1977 ในการบรรยายรางวัล Turing Award เรื่อง “Can Programming Be Freed from the Von Neumann Style?”

  นักวิทยาศาสตร์จากสหรัฐอเมริกาและอิตาลีในปี 2558 ได้ประกาศการสร้างตัวประมวลผล mem ต้นแบบ (ตัวประมวลผลหน่วยความจำภาษาอังกฤษ) ด้วยสถาปัตยกรรมที่แตกต่างจาก von Neumann และมีความเป็นไปได้ที่จะใช้เพื่อแก้ไขปัญหาโดยสมบูรณ์

  ดูเพิ่มเติม

  วรรณกรรม

  • เฮอร์แมน เอช. โกลด์สตีน. คอมพิวเตอร์ จาก ปาสคาล ถึง von นอยมันน์ - สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน, 2523. - 365 น. - ISBN 9780691023670.(ภาษาอังกฤษ)
  • วิลเลียม แอสสเปรย์. John von Neumann และ ต้นกำเนิด ของ สมัยใหม่ คอมพิวเตอร์ - สำนักพิมพ์ MIT, 1990. - 394 น. - ISBN 0262011212.(ภาษาอังกฤษ)
  • สกอตต์ แม็กคาร์ตนีย์. ENIAC: ชัยชนะและโศกนาฏกรรมของคอมพิวเตอร์เครื่องแรกของโลก - Berkley Books, 2001. - 262 หน้า -

  ในปี 1946 นักวิทยาศาสตร์สามคน ได้แก่ Arthur Burks, Herman Goldstein และ John von Neumann ได้ตีพิมพ์บทความเรื่อง "การพิจารณาเบื้องต้นของการออกแบบเชิงตรรกะของอุปกรณ์คอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์" บทความนี้ยืนยันการใช้ระบบไบนารี่เพื่อแสดงข้อมูลในคอมพิวเตอร์ (ส่วนใหญ่สำหรับการใช้งานทางเทคนิค ความง่ายในการดำเนินการทางคณิตศาสตร์และตรรกะ - ก่อนหน้านี้ เครื่องจักรจัดเก็บข้อมูลในรูปแบบทศนิยม) และหยิบยกแนวคิดของ​​ การใช้หน่วยความจำร่วมกันสำหรับโปรแกรมและข้อมูล ชื่อของฟอน นอยมันน์ค่อนข้างเป็นที่รู้จักอย่างกว้างขวางในทางวิทยาศาสตร์ในขณะนั้น ซึ่งทำให้ผู้เขียนร่วมของเขาต้องตกต่ำลง และแนวคิดเหล่านี้ถูกเรียกว่า "หลักการของฟอน นอยมันน์"

  หลักการเข้ารหัสแบบไบนารี

  ตามหลักการนี้ ข้อมูลทั้งหมดที่เข้ามาในคอมพิวเตอร์จะถูกเข้ารหัสโดยใช้สัญญาณไบนารี่ (เลขฐานสอง บิต) และแบ่งออกเป็นหน่วยที่เรียกว่าคำ

  หลักการของความสม่ำเสมอของหน่วยความจำ

  โปรแกรมและข้อมูลจะถูกจัดเก็บไว้ในหน่วยความจำเดียวกัน ดังนั้นคอมพิวเตอร์จึงไม่แยกแยะระหว่างสิ่งที่เก็บไว้ในเซลล์หน่วยความจำที่กำหนด - ตัวเลข ข้อความ หรือคำสั่ง คุณสามารถดำเนินการเดียวกันกับคำสั่งเช่นเดียวกับข้อมูล

  หลักการของการกำหนดแอดเดรสหน่วยความจำ

  โครงสร้างหน่วยความจำหลักประกอบด้วยเซลล์ที่มีหมายเลข เซลล์ใดๆ สามารถใช้ได้กับโปรเซสเซอร์ได้ตลอดเวลา นี่แสดงถึงความสามารถในการตั้งชื่อพื้นที่หน่วยความจำเพื่อให้สามารถเข้าถึงหรือเปลี่ยนแปลงค่าที่เก็บไว้ในนั้นได้ในภายหลังระหว่างการทำงานของโปรแกรมโดยใช้ชื่อที่กำหนด

  หลักการควบคุมโปรแกรมตามลำดับ

  โดยถือว่าโปรแกรมประกอบด้วยชุดคำสั่งที่ดำเนินการโดยโปรเซสเซอร์โดยอัตโนมัติทีละชุดในลำดับที่แน่นอน

  หลักการของความแข็งแกร่งทางสถาปัตยกรรม

  ความไม่เปลี่ยนแปลงของโทโพโลยี สถาปัตยกรรม และรายการคำสั่งระหว่างการดำเนินการ

  คอมพิวเตอร์ที่สร้างขึ้นตามหลักการเหล่านี้จัดอยู่ในประเภทคอมพิวเตอร์ของฟอนนอยมันน์

  คอมพิวเตอร์จะต้องมี:

  

  
  
  • หน่วยตรรกะทางคณิตศาสตร์การดำเนินการทางคณิตศาสตร์และตรรกะ ปัจจุบันอุปกรณ์นี้มีชื่อว่า ซีพียู. ซีพียู(หน่วยประมวลผลกลาง) - ไมโครโปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์ซึ่งเป็นไมโครวงจรที่ควบคุมกระบวนการทั้งหมดที่เกิดขึ้นในคอมพิวเตอร์
  • อุปกรณ์ควบคุมซึ่งจัดกระบวนการการทำงานของโปรแกรม ในคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ หน่วยทางคณิตศาสตร์-ลอจิคัลและหน่วยควบคุมจะรวมกันเป็นโปรเซสเซอร์กลาง
  • หน่วยความจำ(หน่วยความจำ) สำหรับจัดเก็บโปรแกรมและข้อมูล
  • อุปกรณ์ภายนอกสำหรับรับเข้า/ส่งออกข้อมูล

  หน่วยความจำคอมพิวเตอร์แสดงถึงเซลล์ที่มีหมายเลขจำนวนหนึ่ง ซึ่งแต่ละเซลล์สามารถมีข้อมูลที่ประมวลผลหรือคำสั่งโปรแกรมได้ เซลล์หน่วยความจำทั้งหมดจะต้องเข้าถึงได้ง่ายพอๆ กันกับอุปกรณ์คอมพิวเตอร์อื่นๆ

  หลักการทำงาน:

  • เมื่อใช้อุปกรณ์ภายนอก โปรแกรมจะเข้าสู่หน่วยความจำของคอมพิวเตอร์
  • อุปกรณ์ควบคุมจะอ่านเนื้อหาของเซลล์หน่วยความจำซึ่งมีคำสั่งแรก (คำสั่ง) ของโปรแกรมอยู่และจัดระเบียบการดำเนินการ คำสั่งสามารถระบุ:
    • การดำเนินการทางตรรกะหรือทางคณิตศาสตร์
    • การอ่านข้อมูลจากหน่วยความจำเพื่อดำเนินการทางคณิตศาสตร์หรือตรรกะ
    • บันทึกผลลัพธ์ลงในหน่วยความจำ
    • การป้อนข้อมูลจากอุปกรณ์ภายนอกลงในหน่วยความจำ
    • ส่งออกข้อมูลจากหน่วยความจำไปยัง อุปกรณ์ภายนอก.
  • อุปกรณ์ควบคุมจะเริ่มดำเนินการคำสั่งจากเซลล์หน่วยความจำที่อยู่ทันทีหลังจากที่คำสั่งเพิ่งดำเนินการ อย่างไรก็ตาม ลำดับนี้สามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยใช้คำสั่งการถ่ายโอนการควบคุม (ข้าม) คำสั่งเหล่านี้จะแจ้งให้อุปกรณ์ควบคุมทราบว่าจำเป็นต้องรันโปรแกรมต่อไป โดยเริ่มจากคำสั่งที่อยู่ในเซลล์หน่วยความจำอื่น
  • ผลลัพธ์ของการทำงานของโปรแกรมจะถูกส่งออกไปยังอุปกรณ์ภายนอกบนคอมพิวเตอร์
  • คอมพิวเตอร์เข้าสู่โหมดรอสัญญาณจากอุปกรณ์ภายนอก

  หลักการประการหนึ่ง สถาปัตยกรรมของวอนนอยมันน์" อ่านว่า: คอมพิวเตอร์จะไม่ต้องเปลี่ยนการเชื่อมต่อสายไฟหากคำแนะนำทั้งหมดถูกเก็บไว้ในหน่วยความจำ- และทันทีที่แนวคิดนี้ถูกนำไปปฏิบัติภายใต้กรอบของ "สถาปัตยกรรม von Neumann" คอมพิวเตอร์สมัยใหม่.

  เช่นเดียวกับเทคโนโลยีอื่นๆ คอมพิวเตอร์ได้พัฒนาไปสู่การเพิ่มฟังก์ชันการทำงาน ความมีประโยชน์ และความสวยงาม โดยทั่วไป มีคำกล่าวที่อ้างว่าเป็นกฎหมาย: อุปกรณ์ที่สมบูรณ์แบบต้องไม่มีลักษณะน่าเกลียด และในทางกลับกัน อุปกรณ์ที่สวยงามก็ไม่เคยแย่ คอมพิวเตอร์ไม่เพียงมีประโยชน์เท่านั้น แต่ยังเป็นอุปกรณ์ตกแต่งสำหรับห้องอีกด้วย รูปร่างแน่นอนว่าคอมพิวเตอร์สมัยใหม่มีความสัมพันธ์กับโครงร่างของฟอนนอยมันน์ แต่ในขณะเดียวกันก็แตกต่างไปจากนี้

  ต้องขอบคุณ IBM ที่ทำให้แนวคิดของ von Neumann ถูกนำมาใช้ในรูปแบบของหลักการของสถาปัตยกรรมแบบเปิดของหน่วยระบบคอมพิวเตอร์ซึ่งแพร่หลายในยุคของเรา ตามหลักการนี้ คอมพิวเตอร์ไม่ใช่อุปกรณ์ชิ้นเดียว แต่ประกอบด้วยชิ้นส่วนที่ผลิตขึ้นโดยอิสระ และวิธีการจับคู่อุปกรณ์กับคอมพิวเตอร์ไม่ได้เป็นความลับของผู้ผลิต แต่ทุกคนสามารถใช้ได้ ดังนั้นหน่วยระบบสามารถประกอบได้ตามหลักการของชุดก่อสร้างสำหรับเด็กนั่นคือคุณสามารถเปลี่ยนชิ้นส่วนสำหรับชิ้นอื่นที่ทรงพลังและทันสมัยกว่าได้อัพเกรดคอมพิวเตอร์ของคุณ (อัพเกรดอัพเกรด - "ยกระดับ") ชิ้นส่วนใหม่สามารถใช้แทนกันได้อย่างสมบูรณ์กับชิ้นส่วนเก่า บัสระบบยังทำให้คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลมี "สถาปัตยกรรมแบบเปิดเผย" ซึ่งเป็นถนนหรือแกนกลางเสมือนทั่วไป หรือช่องทางที่เอาต์พุตทั้งหมดจากโหนดและส่วนต่างๆ ของยูนิตระบบไป ต้องบอกว่าคอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่ (ไม่ใช่คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล) ไม่มีคุณสมบัติที่เปิดกว้าง พวกเขาไม่สามารถแทนที่บางสิ่งบางอย่างด้วยคอมพิวเตอร์เครื่องอื่นที่ทันสมัยกว่าได้ ตัวอย่างเช่นในคอมพิวเตอร์ที่ทันสมัยที่สุดอาจไม่มีการเชื่อมต่อสายระหว่างองค์ประกอบด้วยซ้ำ ระบบคอมพิวเตอร์: เมาส์ คีย์บอร์ด (“คีย์บอร์ด”) และยูนิตระบบ พวกเขาสามารถสื่อสารกันโดยใช้รังสีอินฟราเรด ด้วยเหตุนี้ยูนิตระบบจึงมีหน้าต่างพิเศษสำหรับรับสัญญาณอินฟราเรด (คล้ายกับรีโมทคอนโทรล การควบคุมระยะไกลทีวี)

  ปัจจุบันเป็นปกติแล้ว คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลเป็นสิ่งที่ซับซ้อนประกอบด้วย:

  • ขั้นพื้นฐาน กระดานอิเล็กทรอนิกส์ (ระบบแม่) ซึ่งบล็อกเหล่านั้นตั้งอยู่ซึ่งประมวลผลข้อมูลการคำนวณ
  • วงจรที่ควบคุมอุปกรณ์คอมพิวเตอร์อื่น ๆ ที่เสียบเข้ากับขั้วต่อมาตรฐาน บอร์ดระบบ – สล็อต;
  • ดิสก์จัดเก็บข้อมูล
  • หน่วยจ่ายไฟที่จ่ายไฟให้กับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมด
  • ร่างกาย ( หน่วยระบบ) ซึ่งทุกอย่าง อุปกรณ์ภายในคอมพิวเตอร์ได้รับการติดตั้งบนเฟรมทั่วไป
  • คีย์บอร์ด;
  • เฝ้าสังเกต;
  • อุปกรณ์ภายนอกอื่นๆ

    หลักการเข้ารหัสแบบไบนารี ตามหลักการนี้ ข้อมูลทั้งหมดทั้งข้อมูลและคำสั่งจะถูกเข้ารหัสด้วยเลขฐานสอง 0 และ 1 ข้อมูลแต่ละประเภทจะแสดงด้วยลำดับไบนารี่และมีรูปแบบของตัวเอง ลำดับของบิตในรูปแบบที่มีความหมายเฉพาะเรียกว่าฟิลด์ ในข้อมูลตัวเลข โดยปกติจะมีช่องสัญญาณและช่องเลขนัยสำคัญ ในกรณีที่ง่ายที่สุด รูปแบบคำสั่งสามารถแบ่งออกเป็นสองฟิลด์: ฟิลด์รหัสการดำเนินการและฟิลด์ที่อยู่

    ในช่วงกลางทศวรรษที่ 1940 การออกแบบคอมพิวเตอร์ที่เก็บโปรแกรมไว้ในหน่วยความจำที่ใช้ร่วมกันได้รับการพัฒนาที่ Moore School of Electrical Engineering โรงเรียนวิศวกรรมไฟฟ้ามัวร์ ) ที่มหาวิทยาลัยแห่งรัฐเพนซิลวาเนีย แนวทางที่อธิบายไว้ในเอกสารนี้กลายเป็นที่รู้จักในชื่อสถาปัตยกรรมฟอนนอยมันน์ ตามชื่อผู้เขียนโครงการเพียงคนเดียวคือ จอห์น ฟอน นอยมันน์ แม้ว่าในความเป็นจริงแล้ว ผู้เขียนโครงการจะเป็นแบบกลุ่มก็ตาม สถาปัตยกรรมของฟอน นอยมันน์ช่วยแก้ปัญหาที่มีอยู่ในคอมพิวเตอร์ ENIAC ซึ่งถูกสร้างขึ้นในขณะนั้น โดยการจัดเก็บโปรแกรมของคอมพิวเตอร์ไว้ในหน่วยความจำของตัวเอง ข้อมูลเกี่ยวกับโครงการนี้มีให้สำหรับนักวิจัยคนอื่นๆ หลังจากนั้นไม่นาน

  หลักการของ Von Neumann (สถาปัตยกรรม Von Neumann)

  สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์

  ในปี 1946 D. von Neumann, G. Goldstein และ A. Berks ในบทความร่วมกันของพวกเขา ได้สรุปหลักการใหม่สำหรับการสร้างและการทำงานของคอมพิวเตอร์ ต่อมาคอมพิวเตอร์สองเจเนอเรชั่นแรกก็ถูกสร้างขึ้นตามหลักการเหล่านี้ มีการเปลี่ยนแปลงบางอย่างในรุ่นต่อๆ ไป แม้ว่าหลักการของนอยมันน์จะยังคงมีความเกี่ยวข้องอยู่ในปัจจุบัน

  ในความเป็นจริง นอยมันน์สามารถสรุปการพัฒนาทางวิทยาศาสตร์และการค้นพบของนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ จำนวนมาก และกำหนดสิ่งใหม่ที่เป็นพื้นฐานบนพื้นฐานของพวกเขา

  หลักการของวอนนอยมันน์

  การใช้ระบบเลขฐานสองในคอมพิวเตอร์- ข้อได้เปรียบเหนือระบบเลขทศนิยมคืออุปกรณ์สามารถทำการดำเนินการทางคณิตศาสตร์และตรรกะได้ค่อนข้างง่าย ระบบไบนารี่การคำนวณก็ค่อนข้างง่ายเช่นกัน

  การควบคุมซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์- การทำงานของคอมพิวเตอร์ถูกควบคุมโดยโปรแกรมที่ประกอบด้วยชุดคำสั่ง คำสั่งต่างๆ จะถูกดำเนินการตามลำดับ การสร้างเครื่องจักรด้วยโปรแกรมที่เก็บไว้เป็นจุดเริ่มต้นของสิ่งที่เราเรียกว่าการเขียนโปรแกรมในปัจจุบัน

  หน่วยความจำคอมพิวเตอร์ไม่เพียงแต่ใช้ในการจัดเก็บข้อมูลเท่านั้น แต่ยังรวมถึงโปรแกรมต่างๆ ด้วย- ในกรณีนี้ ทั้งคำสั่งโปรแกรมและข้อมูลจะถูกเข้ารหัสในระบบเลขฐานสอง เช่น วิธีการบันทึกก็เหมือนกัน ดังนั้นในบางสถานการณ์ คุณสามารถดำเนินการเดียวกันกับคำสั่งเช่นเดียวกับข้อมูลได้

  เซลล์หน่วยความจำคอมพิวเตอร์มีที่อยู่ซึ่งมีการกำหนดหมายเลขตามลำดับ- คุณสามารถเข้าถึงเซลล์หน่วยความจำได้ตลอดเวลาตามที่อยู่ หลักการนี้เปิดโอกาสให้ใช้ตัวแปรในการเขียนโปรแกรม

  ความเป็นไปได้ของการข้ามแบบมีเงื่อนไขระหว่างการรันโปรแกรม- แม้ว่าคำสั่งจะถูกดำเนินการตามลำดับ แต่โปรแกรมก็สามารถใช้ความสามารถในการข้ามไปยังส่วนใดก็ได้ของโค้ด

  ผลลัพธ์ที่สำคัญที่สุดของหลักการเหล่านี้ก็คือ ขณะนี้โปรแกรมไม่ได้เป็นส่วนถาวรของเครื่องอีกต่อไป (เช่น เครื่องคิดเลข) สามารถเปลี่ยนโปรแกรมได้ง่าย แต่แน่นอนว่าอุปกรณ์ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงและเรียบง่ายมาก

  จากการเปรียบเทียบ โปรแกรมของคอมพิวเตอร์ ENIAC (ซึ่งไม่มีโปรแกรมที่เก็บไว้) ถูกกำหนดโดยจัมเปอร์พิเศษบนแผงควบคุม อาจใช้เวลามากกว่าหนึ่งวันในการตั้งโปรแกรมเครื่องใหม่ (ตั้งค่าจัมเปอร์ต่างกัน) แม้ว่าโปรแกรมสำหรับคอมพิวเตอร์สมัยใหม่อาจใช้เวลาหลายปีในการเขียน แต่โปรแกรมเหล่านี้ก็สามารถทำงานกับคอมพิวเตอร์หลายล้านเครื่องได้หลังจากติดตั้งบนฮาร์ดไดรฟ์เพียงไม่กี่นาที

  เครื่องจักรของ von Neumann ทำงานอย่างไร

  เครื่อง von Neumann ประกอบด้วยอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูล (หน่วยความจำ) - หน่วยความจำ, หน่วยทางคณิตศาสตร์ - โลจิคัล - ALU, อุปกรณ์ควบคุม - CU รวมถึงอุปกรณ์อินพุตและเอาต์พุต

  โปรแกรมและข้อมูลจะถูกป้อนลงในหน่วยความจำจากอุปกรณ์อินพุตผ่านหน่วยตรรกะทางคณิตศาสตร์ คำสั่งโปรแกรมทั้งหมดถูกเขียนลงในเซลล์หน่วยความจำที่อยู่ติดกัน และข้อมูลสำหรับการประมวลผลสามารถอยู่ในเซลล์ที่กำหนดเองได้ สำหรับโปรแกรมใดๆ คำสั่งสุดท้ายจะต้องเป็นคำสั่งปิดเครื่อง

  คำสั่งประกอบด้วยข้อบ่งชี้ว่าควรดำเนินการใด (จากการดำเนินการที่เป็นไปได้บนฮาร์ดแวร์ที่กำหนด) และที่อยู่ของเซลล์หน่วยความจำที่จัดเก็บข้อมูลที่ควรดำเนินการตามที่ระบุ รวมถึงที่อยู่ของเซลล์ ตำแหน่งที่ควรเขียนผลลัพธ์ (หากจำเป็นต้องบันทึกไว้ในหน่วยความจำ)

  หน่วยลอจิกทางคณิตศาสตร์ดำเนินการตามคำแนะนำในข้อมูลที่ระบุ

  จากหน่วยตรรกะทางคณิตศาสตร์ ผลลัพธ์จะถูกส่งออกไปยังหน่วยความจำหรืออุปกรณ์เอาต์พุต ความแตกต่างพื้นฐานระหว่างหน่วยความจำและอุปกรณ์เอาท์พุตคือในหน่วยความจำ ข้อมูลจะถูกจัดเก็บไว้ในรูปแบบที่สะดวกสำหรับการประมวลผลโดยคอมพิวเตอร์ และส่งไปยังอุปกรณ์เอาท์พุต (เครื่องพิมพ์ จอภาพ ฯลฯ) ในลักษณะที่สะดวก สำหรับบุคคล

  หน่วยควบคุมควบคุมทุกส่วนของคอมพิวเตอร์ จากอุปกรณ์ควบคุม อุปกรณ์อื่นๆ จะรับสัญญาณว่า "ต้องทำอย่างไร" และจากอุปกรณ์อื่นๆ หน่วยควบคุมจะได้รับข้อมูลเกี่ยวกับสถานะของพวกเขา

  อุปกรณ์ควบคุมมีรีจิสเตอร์พิเศษ (เซลล์) ที่เรียกว่า "ตัวนับโปรแกรม" หลังจากโหลดโปรแกรมและข้อมูลลงในหน่วยความจำแล้ว ที่อยู่ของคำสั่งแรกของโปรแกรมจะถูกเขียนไปที่ตัวนับโปรแกรม หน่วยควบคุมจะอ่านเนื้อหาของเซลล์หน่วยความจำจากหน่วยความจำซึ่งอยู่ในตัวนับโปรแกรมและวางไว้ในอุปกรณ์พิเศษ - "Command Register" หน่วยควบคุมจะกำหนดการทำงานของคำสั่ง "ทำเครื่องหมาย" ในหน่วยความจำถึงข้อมูลที่ระบุที่อยู่ไว้ในคำสั่ง และควบคุมการดำเนินการของคำสั่ง การดำเนินการนี้ดำเนินการโดย ALU หรือฮาร์ดแวร์คอมพิวเตอร์

  อันเป็นผลมาจากการดำเนินการของคำสั่งใด ๆ ตัวนับโปรแกรมจะเปลี่ยนทีละหนึ่งดังนั้นจึงชี้ไปที่คำสั่งถัดไปของโปรแกรม เมื่อจำเป็นต้องดำเนินการคำสั่งที่ไม่ได้อยู่ถัดไปตามลำดับคำสั่งปัจจุบัน แต่ถูกแยกออกจากคำสั่งที่กำหนดด้วยที่อยู่จำนวนหนึ่ง คำสั่ง Jump พิเศษจะมีที่อยู่ของเซลล์ที่ต้องถ่ายโอนการควบคุมไป .

  หลักการของฟอน นอยมันน์[แก้ไข | แก้ไขข้อความต้นฉบับ]

  หลักการของความสม่ำเสมอของหน่วยความจำ

  คำสั่งและข้อมูลจะถูกจัดเก็บไว้ในหน่วยความจำเดียวกัน และภายนอกจะแยกไม่ออกในหน่วยความจำ สามารถรับรู้ได้โดยวิธีการใช้งานเท่านั้น นั่นคือ ค่าเดียวกันในเซลล์หน่วยความจำสามารถใช้เป็นข้อมูล เป็นคำสั่ง และเป็นที่อยู่ได้ ขึ้นอยู่กับวิธีการเข้าถึงเท่านั้น สิ่งนี้ช่วยให้คุณสามารถดำเนินการเดียวกันกับคำสั่งเช่นเดียวกับตัวเลขและเปิดความเป็นไปได้หลายประการ ดังนั้น ด้วยการเปลี่ยนส่วนที่อยู่ของคำสั่งแบบวนรอบ จึงสามารถเข้าถึงองค์ประกอบต่อเนื่องของอาร์เรย์ข้อมูลได้ เทคนิคนี้เรียกว่าการแก้ไขคำสั่งและไม่แนะนำจากมุมมองของการเขียนโปรแกรมสมัยใหม่ มีประโยชน์มากกว่าคือผลลัพธ์อีกประการหนึ่งของหลักการความเป็นเนื้อเดียวกัน เมื่อสามารถรับคำสั่งจากโปรแกรมหนึ่งอันเป็นผลมาจากการทำงานของอีกโปรแกรมหนึ่งได้ ความเป็นไปได้นี้รองรับการแปล - การแปลข้อความโปรแกรมจากภาษาระดับสูงเป็นภาษาของคอมพิวเตอร์เครื่องใดเครื่องหนึ่ง

  หลักการกำหนดเป้าหมาย

  ตามโครงสร้าง หน่วยความจำหลักประกอบด้วยเซลล์ที่มีหมายเลข และเซลล์ใดๆ ก็ตามจะพร้อมใช้งานสำหรับโปรเซสเซอร์ได้ตลอดเวลา รหัสไบนารี่ของคำสั่งและข้อมูลจะถูกแบ่งออกเป็นหน่วยของข้อมูลที่เรียกว่าคำและจัดเก็บไว้ในเซลล์หน่วยความจำ และเพื่อเข้าถึงจำนวนเซลล์ที่เกี่ยวข้อง - มีการใช้ที่อยู่

  หลักการควบคุมโปรแกรม

  การคำนวณทั้งหมดที่จัดทำโดยอัลกอริธึมสำหรับการแก้ปัญหาจะต้องนำเสนอในรูปแบบของโปรแกรมที่ประกอบด้วยลำดับของคำควบคุม - คำสั่ง แต่ละคำสั่งจะกำหนดการดำเนินการบางอย่างจากชุดการดำเนินการที่คอมพิวเตอร์นำไปใช้ คำสั่งโปรแกรมจะถูกจัดเก็บไว้ในเซลล์หน่วยความจำตามลำดับของคอมพิวเตอร์และดำเนินการในลำดับตามธรรมชาติ กล่าวคือ ตามลำดับตำแหน่งในโปรแกรม หากจำเป็น สามารถเปลี่ยนลำดับนี้ได้โดยใช้คำสั่งพิเศษ การตัดสินใจเปลี่ยนลำดับการดำเนินการคำสั่งโปรแกรมนั้นขึ้นอยู่กับการวิเคราะห์ผลลัพธ์ของการคำนวณก่อนหน้าหรือโดยไม่มีเงื่อนไข

  หลักการเข้ารหัสแบบไบนารี

  ตามหลักการนี้ ข้อมูลทั้งหมด ทั้งข้อมูลและคำสั่งจะถูกเข้ารหัสด้วยเลขฐานสอง 0 และ 1 ข้อมูลแต่ละประเภทจะแสดงด้วยลำดับเลขฐานสองและมีรูปแบบของตัวเอง ลำดับของบิตในรูปแบบที่มีความหมายเฉพาะเรียกว่าฟิลด์ ในข้อมูลตัวเลข โดยปกติจะมีช่องสัญญาณและช่องเลขนัยสำคัญ ในรูปแบบคำสั่ง สามารถแยกฟิลด์ได้สองฟิลด์: ฟิลด์รหัสการดำเนินการและฟิลด์ที่อยู่

  แนวคิดที่ปฏิวัติวงการอย่างแท้จริงอีกแนวคิดหนึ่งซึ่งมีความสำคัญซึ่งประเมินค่าสูงไปได้ยากคือหลักการ "โปรแกรมที่เก็บไว้" ที่เสนอโดยนอยมันน์ เริ่มแรกโปรแกรมถูกตั้งค่าโดยการติดตั้งจัมเปอร์บนแผงแพทช์พิเศษ นี่เป็นงานที่ต้องใช้แรงงานมาก: ตัวอย่างเช่น การเปลี่ยนโปรแกรมของเครื่อง ENIAC ใช้เวลาหลายวัน (ในขณะที่การคำนวณนั้นใช้เวลาไม่เกินสองสามนาที - หลอดไฟไม่ทำงาน) นอยมันน์เป็นคนแรกที่ตระหนักว่าโปรแกรมสามารถจัดเก็บเป็นชุดของศูนย์และหนึ่งได้ในหน่วยความจำเดียวกันกับตัวเลขที่ประมวลผล การไม่มีความแตกต่างพื้นฐานระหว่างโปรแกรมและข้อมูลทำให้คอมพิวเตอร์สามารถสร้างโปรแกรมสำหรับตัวมันเองตามผลการคำนวณ

  ฟอน นอยมันน์ไม่เพียงแต่นำเสนอหลักการพื้นฐานของโครงสร้างเชิงตรรกะของคอมพิวเตอร์เท่านั้น แต่ยังเสนอโครงสร้างของมันด้วย ซึ่งถูกสร้างขึ้นซ้ำในช่วงคอมพิวเตอร์สองเจเนอเรชั่นแรก บล็อกหลักตาม Neumann คือหน่วยควบคุม (CU) และหน่วยทางคณิตศาสตร์-โลจิคัล (ALU) (โดยปกติจะรวมกันเป็นโปรเซสเซอร์กลาง) หน่วยความจำ หน่วยความจำภายนอก อุปกรณ์อินพุตและเอาต์พุต แผนภาพการออกแบบของคอมพิวเตอร์ดังกล่าวแสดงไว้ในรูปที่ 1 1. ควรสังเกตว่าหน่วยความจำภายนอกแตกต่างจากอุปกรณ์อินพุตและเอาต์พุตตรงที่ข้อมูลที่ป้อนลงในแบบฟอร์ม สะดวกสำหรับคอมพิวเตอร์ของคุณแต่ไม่สามารถเข้าถึงการรับรู้โดยตรงของมนุษย์ได้ ดังนั้นดิสก์ไดรฟ์แม่เหล็กจึงเป็นของ หน่วยความจำภายนอกและคีย์บอร์ดเป็นอุปกรณ์อินพุต จอแสดงผลและการพิมพ์เป็นอุปกรณ์เอาท์พุต

  

  ข้าว. 1. สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ที่สร้างขึ้นตามหลักการของฟอน นอยมันน์ เส้นทึบพร้อมลูกศรระบุทิศทางการไหลของข้อมูล เส้นประแสดงถึงสัญญาณควบคุมจากโปรเซสเซอร์ไปยังโหนดคอมพิวเตอร์อื่น

  อุปกรณ์ควบคุมและหน่วยเลขคณิต-ลอจิคัลในคอมพิวเตอร์สมัยใหม่จะรวมกันเป็นหน่วยเดียว - โปรเซสเซอร์ซึ่งเป็นตัวแปลงข้อมูลที่มาจากหน่วยความจำและอุปกรณ์ภายนอก (ซึ่งรวมถึงการดึงคำสั่งจากหน่วยความจำ การเข้ารหัสและถอดรหัส การดำเนินการต่างๆ รวมถึงเลขคณิต การดำเนินงานการประสานงานการทำงานของโหนดคอมพิวเตอร์) ฟังก์ชั่นของโปรเซสเซอร์จะกล่าวถึงรายละเอียดเพิ่มเติมด้านล่าง

  หน่วยความจำ (หน่วยความจำ) เก็บข้อมูล (ข้อมูล) และโปรแกรม อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลในคอมพิวเตอร์สมัยใหม่เป็นแบบ "หลายชั้น" และรวมถึงหน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่ม (RAM) ซึ่งจัดเก็บข้อมูลที่คอมพิวเตอร์ทำงานโดยตรงในเวลาที่กำหนด (โปรแกรมปฏิบัติการซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของข้อมูลที่จำเป็นบางส่วน โปรแกรมควบคุม) และอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลภายนอก (ESD) ความจุที่ใหญ่กว่า RAM มาก แต่มีการเข้าถึงที่ช้ากว่ามาก (และลดต้นทุนต่อข้อมูลที่เก็บไว้ 1 ไบต์) การจำแนกประเภทของอุปกรณ์หน่วยความจำไม่ได้ลงท้ายด้วย RAM และ VRAM - ฟังก์ชั่นบางอย่างดำเนินการโดยทั้ง SRAM (หน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่มขั้นสูง), ROM (หน่วยความจำแบบอ่านอย่างเดียว) และหน่วยความจำคอมพิวเตอร์ประเภทย่อยอื่น ๆ

  ในคอมพิวเตอร์ที่สร้างขึ้นตามรูปแบบที่อธิบายไว้ คำสั่งจะถูกอ่านตามลำดับจากหน่วยความจำและดำเนินการ หมายเลข (ที่อยู่) ของเซลล์หน่วยความจำถัดไป ซึ่งคำสั่งโปรแกรมถัดไปจะถูกแยกออกจะถูกระบุโดยอุปกรณ์พิเศษ - ตัวนับคำสั่งในชุดควบคุม การมีอยู่ของมันยังเป็นหนึ่งในลักษณะเฉพาะของสถาปัตยกรรมที่เป็นปัญหาอีกด้วย

  พื้นฐานของสถาปัตยกรรมของอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ที่พัฒนาโดย von Neumann กลายเป็นพื้นฐานมากจนได้รับชื่อ "สถาปัตยกรรม von Neumann" ในวรรณคดี คอมพิวเตอร์ส่วนใหญ่ในปัจจุบันเป็นเครื่องของฟอนนอยมันน์ ข้อยกเว้นเพียงอย่างเดียวคือระบบบางประเภทสำหรับการคำนวณแบบขนาน ซึ่งไม่มีตัวนับโปรแกรม แนวคิดคลาสสิกของตัวแปรไม่ได้ถูกนำมาใช้ และมีความแตกต่างพื้นฐานที่สำคัญอื่นๆ จากโมเดลคลาสสิก (ตัวอย่าง ได้แก่ คอมพิวเตอร์สตรีมมิ่งและการลดขนาด)

  เห็นได้ชัดว่าการเบี่ยงเบนที่สำคัญจากสถาปัตยกรรม von Neumann จะเกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากการพัฒนาแนวคิดของเครื่องจักรรุ่นที่ห้าซึ่งการประมวลผลข้อมูลไม่ได้ขึ้นอยู่กับการคำนวณ แต่ขึ้นอยู่กับข้อสรุปเชิงตรรกะ

  .