Концепция ЭВМ Дж. фон-Неймана и понятие вычислительной системы

Электронная вычислительная машина (ЭВМ) – это комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей /1,2/. При решении различных задач (вычислительных, управления и др.) выделяют следующие этапы: ввод данных, их хранение и обработка, выдача результатов.

Широко известная концепция построения ЭВМ (в дальнейшем просто ВМ) предложена профессором Принстонского института Джоном фон-Нейманом в 1946г. в работе «Предварительное обсуждение логического конструирования электронно-вычислительного устройства».

Основные принципы организации ВМ, сформулированные Дж. фон Нейманом, следующие /2,3/:

· структура ЭВМ: классическая ЭВМ состоит из следующих основных блоков – процессора, памяти и устройства ввода-вывода;

· принцип программного управления: ЭВМ выполняет вычисления под управлением про­граммы, состоящей из набора команд, исполняемых автоматически друг за другом в определенной последовательности;

· принцип хранимой в памяти программы: команды программы представляются в числовой форме и хранятся в том же блоке памяти, что и данные, поэтому имеется возможность выполнять над кодами команд программы арифметические и логические операции такие же, как и над кодами данных;

· принцип двоичного кодирования: для представления кодов команд и данных с целесообразно использовать двоичную систему счисления, технически реализуемую более просто, чем другие системы счисления;

· принцип условного перехода, благодаря которому число команд в программе во много раз меньше, чем число выполняемых машинных команд, что позволяет существенно увеличить эффективность работы программиста;

· принцип иерархичности памяти, на основе которого в ЭВМ можно создавать быстродействующую недорогую память большого объема, причем память реализуется как многоуровневая, например, оперативная память и внешняя память;

· принцип адресуемости оперативной памяти, в соответствии с которым оперативная память должна состоять из пронумерованных ячеек, каждая из которых доступна программе в любой мо­мент времени по ее двоичному адресу или по присвоенному ей имени.

Принципы организации классической ВМ, сформулированные математиками Дж. фон Нейманом и Н. Винером, использовались Пр. Эккертом и Дж. Мочли при создании первых вычислительных машин ENIAC и EDVAC (1946г.). Далее, эти исходные принципы неоднократно дополнялись другими предложениями.

Был разработан условный переход, позволяющий легко осуществлять в программе циклы и итерационные вычисления. Благодаря этому число команд в программе во много раз меньше, чем число выполняемых машинных команд при исполнении данной программы, что позволяет существенно увеличить эффективность работы программистов.

Была предложена иерархичная структура памяти, на основе которой в ВМ возможно создавать быстродействующую недорогую память большого объема, причем память реализуется как многоуровневая, например, оперативная память и внешняя память. Более того, для хранения программ и данных предложено использовать разные устройства памяти, что привело к появлению новой архитектуры ВМ – гарвардской.

Российскими учеными академиками С. А. Лебедевым, В.М. Глушковым эти принципы получили развитие и были воплощены в первых отечественных ВМ – МЭСМ (1947г.) и БЭСМ (1953г.).

Эти принципы, разработанные для ЭВМ первых поколений, были реализованы в последующих поколениях ЭВМ, выполненных на базе микропроцессоров - микропроцессорных вычислительных и управляющих системах различного применения – от офисного компьютера до встраиваемых в объект микроконтроллеров.

Подчеркнем, что основной принцип классической ВМ состоит в последовательном выполнении команд программы на одном процессоре. Из этого принципа следует, что классическая ВМ – это последовательная вычислительная машина, быстродействие которой имеет принципиальное ограничение.

Вычислительная система (ВС) – это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или вычислительных машин, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенная для автоматизации подготовки и решения задач пользователей /2/. Формально ВС от ВМ отличаются числом вычислителей, множественность которых позволяет реализовать в ВС параллельную обработку. С другой стороны, современные компьютеры с одним процессором также обладают определенными средствами распараллеливания вычислительных процессов, т.к. процессоры содержат группу векторных и конвейерных арифметико-логических устройств (АЛУ). Другими словами, в настоящее время грань между ВМ (компьютерами) и ВС размывается, что позволяет рассматривать вычислительные машины, как одну из реализаций ВС.

Таким образом, на современном этапе развития вычислительной техники понятие ВС может применяться как к отдельным ВМ (компьютерам) с одним или многими процессорами, так и к системам, состоящим из многих вычислительных машин, объединенных локальной или глобальной коммуникационной сетью.