Принципы Фон-Неймана

Уже при конструировании первой настоящей ЭВМ перед математиками встал вопрос: а что же такое ЭВМ собственно? Какое устройство является ЭВМ, а какое может называться только лишь вычислителем? Ответ на этот вопрос дал американский математик, венгр по происхождению Джон фон Нейман.

В 1946 году вместе с Г.Гольдстейном и А.Берксом фон Нейман написал и выпустил отчет "Предварительное обсуждение логической конструкции электронной вычислительной машины" (исследовательская группа занималась разработкой машины EDVAC). Поскольку имя фон Неймана как выдающегося физика и математика было уже хорошо известно в широких научных кругах, все высказанные положения в отчете приписывались ему.

Положения о ЭВМ фон Нейман заложил в 5 принципах. В дальнейшем все серийные машины работали именно по этим принципам, но одновременно велись разработки и в других направления. До сих пор понятие «ЭВМ» не утратило своей актуальности, превратившись только в понятие «компьютер», что говорит о том, что эти принципы остались неизменными.

1. Программа и данные для обработки хранятся в одной памяти. То есть, программа должна вводиться не с помощью перфолент, не с помощью специальных устройств (типа огромного табло с тумблерами), а должна храниться в той же памяти машины, в которой хранятся и данные.

2. ЭВМ работает только с двоичной системой счисления. Машина MarkI использовала электромеханические реле на 10 положений и работала в десятичной системе счисления. Такая архитектура не может быть удачной. Самый надежный способ работы с информацией – использовать только 2 сигнала: включено и выключено.

3. Принцип программного управления. Этот принцип обеспечивает автоматизацию процессов вычислений на ЭВМ. Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. Так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды “стоп”. Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

4. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

5. ЭВМ укладывается в схему