 |
|
Принципы фон Неймана (Архитектура фон Неймана)
В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В последствие на основе этих принципов производились первые три поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальны и сегодня. По сути, Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципиально новое.
Принципы фон Неймана
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.
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.
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.
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.
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.
Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было хранимой в памяти программы) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) мог потребоваться далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться годы, однако они работают на миллионах компьютеров после несколько минутной установки на жесткий диск.
Как работает машина фон Неймана
Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых трех поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяемые в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Схема устройства такой ЭВМ представлена на рис. 1. Следует отметить, что внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком. Так, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти, а клавиатура – устройство ввода, дисплей и печать – устройства вывода.
Рис. 1. Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана. Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные – управляющих сигналов от процессора к остальными узлам ЭВМ
Устройство управления и арифметико-логическое устройствов современных компьютерах объединены в один блок – процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств (сюда относятся выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение различных, в том числе и арифметических, операций, согласование работы узлов компьютера). Более детально функции процессора будут обсуждаться ниже.
Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее устройство у современных компьютеров “многоярусно” и включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть необходимых для нее данных, некоторые управляющие программы), и внешние запоминающие устройства (ВЗУ) гораздо большей емкости, чем ОЗУ. но с существенно более медленным доступом (и значительно меньшей стоимостью в расчете на 1 байт хранимой информации). На ОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не заканчивается – определенные функции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоминающее устройство), и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), и другие подвиды компьютерной памяти.
В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры.
Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название “фон-неймановской архитектуры”. Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день – фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины).
По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.
Виды современных компьютеров
В современной информатике типы компьютеров различаются в зависимости от их назначения, архитектуры, размеров и функциональных возможностей.
Виды компьютеров по размеру и исполнению (википедия)
Компьютеры различают по множеству критериев, в разной степени связанных между собой. В бытовом восприятии часто увязываются такие критерии как назначение, вычислительная мощь и размеры компьютера. Основываясь на данных параметрах, современные компьютеры можно классифицировать следующим образом
Персональные компьютеры
Вид компьютеров, объединяющий в себе большое число подвидов с различными форм-факторами . Условно делится на два подвида: стационарные и портативные ПК.
Стационарные ПК
Предназначены для постоянного использования внутри помещения. Устанавливаются на широких ровных поверхностях, таких, как офисные столы, специальные полки и др. Включают в себя такие подвиды как: десктопы (обычные настольные ПК), неттопы и моноблоки.
Десктопы (настольные компьютеры) под настольным компьютером обычно подразумевается связка из системного блока, монитора и манипуляторов (клавиатура/мышь). Размеры десктопных решений варьируются, но, в целом, такие устройства являются наиболее крупными среди стационарных ПК.
Неттопы Настольные решения с малым форм-фактором. По производительности несколько уступают десктопным решениям, но могут выступать их заменой при условии, что пользователю требуется работа с не слишком ресурсоёмкими приложениями. в этом смысле неттопы сопоставимы с ноутбуками/нетбуками.
Моноблоки представляют собой интегрированное решение «монитор+системный блок в одном корпусе». Являются современной альтернативой десктопным системам, т. к. обладают сходной производительностью и меньшими габаритами. Как правило используются в качестве мультимедийных домашних решений, терминалов или компактных офисных ПК. Так же как и в случае с ноутбуками/нетбуками, размеры моноблоков связаны не только с форм-фактором системной платы, но и с диагональю экрана.
Портативные ПК Переносные решения разной степени мобильности и автономности. Существенно различаются по размерам. Ориентировочный порядок возрастания габаритов: КПК (карманные компьютеры), планшеты, планшетные нетбуки, нетбуки, ноутбуки.
Ноутбуки - наиболее крупные и мощные из портативных ПК. Зачастую используются в качестве альтернативы стационарным компьютерам в малом офисе. От настольных решений отличаются сниженным энергопотреблением и более компактной складной конструкцией. По автономности (т. е. продолжительности автономной работы) чаще всего уступают ещё более компактным портативным решениям, таким как нетбуки и планшеты.
По диагонали экрана различают модели от 16 до 19 дюймов. При этом увеличение диагонали экрана сказывается, главным образом, на ширине корпуса, в то время как другие размеры могут оставаться неизменными или даже сокращаться. Именно ноутбуки с большой диагональю экрана чаще всего позиционируются как замена настольному компьютеру, т.к. имеют диагональ экрана, сопоставимую с диагональю экрана средних офисных мониторов.
Нетбуки ориентированы на использование в поездках или в тех случаях, когда пользователю требуется ограниченный набор возможностей: выход в Интернет, работа с повседневными приложениями и воспроизведение не слишком требовательного к аппаратным ресурсам медиаконтента. Поэтому производители нетбуков стараются соблюдать баланс между общей компактностью устройства и размерами экрана, достаточными для комфортного просмотра видео. В среднем размер экрана варьируется от 7 до 12 дюймов. При этом габариты 10-дюймового решения могут составлять, ориентировочно, 250x183x27 мм (в качестве примера даны габариты нетбука Lenovo IdeaPad S10-3c).
Планшеты — подвид мобильных ПК, приобретший особую популярность после выхода планшета iPad и являющийся «промежуточным звеном» между КПК и ноутбуками. Отличительная черта планшетов — тонкий корпус, почти вся ширина которого занята сенсорным экраном. Это автономные решения, способные проработать от аккумулятора 8, 10 и даже более часов. Габариты «канонического» по соотношению размер/производительность планшета iPad 2, вышедшего на рынок в апреле 2010 года, составляют 241,2х185,7х8,8 мм.
Планшетные нетбуки Гибридные устройства — планшеты со съёмной клавиатурой. При подключенной клавиатуре имеют размеры нетбука, при отключенной — обычного планшета.
КПК Карманные персональные компьютеры КПК по размерам и вычислительным возможностям близки к мобильным коммуникаторам, но не обладают функциями телефона. Как правило, КПК имеют прямоугольную форму (часто со сглаженными углами), причём высота несколько превышает ширину. Например, 80x140x20 мм.
Снижение актуальности КПК отмечалось некоторыми экспертами ещё в 2006 году. В 2011 году можно констатировать, что данные устройства полностью вытеснены коммуникаторами и планшетами.
Серверы Определение сервера (см. сервер) исторически пересекается с определением мейнфрейма. В обоих случаях речь идёт о высокопроизводительных компьютерах с большим форм-фактором. Различие в том, что мейнфрейм — это всегда центральное устройство (в т.ч. центральный сервер), в то время как сервер может являться менее значимой частью структуры. Изначально серверы использовались на промышленных и научных предприятиях для обслуживания других компьютеров (рабочих станций и ПК). Несмотря на тенденцию к уменьшению габаритов и снижению энергопотребления, полнофункциональные промышленные серверы по-прежнему требуют отдельного помещения и специальных условий эксплуатации. Для обеспечения стабильной длительной работы с высокими нагрузками, серверы снабжаются резервными аппаратными компонентами; в первую очередь это относится к тем комплектующим, которые наиболее подвержены износу или избыточным нагрузкам (блоки питания, модули памяти, процессоры). Потребность в мощной многоуровневой системе охлаждения также влияет на размеры и конструкцию серверов.
Мейнфре́йм (также мэйнфрейм, от англ. mainframe) — большой универсальный высокопроизводительный отказоустойчивый сервер со значительными ресурсами ввода-вывода, большим объёмом оперативной и внешней памяти, предназначенный для использования в критически важных системах (англ. mission-critical) с интенсивной пакетной и оперативной транзакционной обработкой.
С развитием рынка персональных компьютеров понятие сервера расширилось, т.к. для объединения домашних или офисных ПК в локальную сеть появились домашние серверы (например, медиа-серверы). Подобные устройства по своим габаритам и конструкции могут не отличаться от десктопа или даже неттопа.
Суперкомпьютеры
Суперкомпьютер - система, как правило, объединяющая в своём составе ряд серверов.