Архітектура фон Неймана Виконала студенка: Белка))) - презентация

1 Архітектура фон Неймана Виконала студенка: Белка)))

2 Зміст Архітектура фон Неймана Передумови створення Принципи архітектури фон Неймана Класична структура машини фон Неймана Принцип функціонування Недоліки архітектури фон Неймана Альтернативні архітектури

3 Архітектура фон Неймана Архітектура фон Неймана – архітектура електронних обчислювальних машин, основною відмінністю від інших подібних архітектур якої є спільне зберігання даних та машинних команд в комірках однієї й тієї ж пам ' яті, що унеможливлює їх розрізнення за способом представлення або кодування.

4 Передумови створення Фон Нейман запропонував зберігати алгоритм разом з даними для обчислень в пам'яті обчислювальної машини, що б давало можливість: 1. оперативно перепрограмувати систему 2. поводитись з командами як з даними, проводити над ними такі ж обчислювальні операції, тобто фактично відкривало можливість для написання програм, які самі себе модифікують Таким чином пропонувалась організація обчислень, яка дійсно робила обчислювальну машину універсальним інструментом.

5 Передумови створення Для того, щоби вказати машині на те, де є команди, а де є дані, була згодом запропонована концепція лічильника команд - program counter. В ньому зберігалась адреса поточної команди, а після її виконання замінювалась адресою наступної. Адреси ж самих операндів зберігались безпосередньо в команді.

6 Передумови створення Запропонована чотирикомпонентна структура обчислювального інструмента, яка зараз вважається класичною структурою фоннейманівської машини, а саме : 1. арифметичний пристрій 2. пристрій управління 3. пам ' ять 4. пульт оператора.

7 Принципи архітектури фон Неймана Принцип двійковості. Для представлення даних і команд використовується двійкова система числення. Принцип програмного управління. Програма складається з набору команд, які виконуються процесором одна за одною в визначеній послідовності. Принцип однорідності пам яті. Як і команди, так і дані зберігаються в одній і тій ж пам яті та кодуються в одній і тій ж системі числення найчастіше всього двійковій. Над командами можна виконувати такі ж дії, як і над даними.

8 Принципи архітектури фон Неймана Принцип адресації пам яті. Структурно основна пам ять складається з пронумерованих комірок ; процесору в будь - який момент часу доступна будь - яка комірка. Принцип послідовного програмного управління. Усі команди розміщуються в пам яті і виконуються послідовно, кожна після закінчення попередньої. Принцип умовного переходу. K оманди з програми не завжди виконуються одна за одною. Можливо існування в програмі команд умовного переходу, що змінюють послідовність виконання команд в залежності від значень даних.

9 Принципи архітектури фон Неймана Обчислювальна машина є машиною з архітектурою фон Неймана, якщо : Програма та дані зберігаються в одній загальній пам ' яті. Кожна комірка пам ' яті машини ідентифікується унікальним номером, який називається адресою. Різні слова інформації розрізняються за способом використання, але не за способом кодування та структурою представлення в пам ' яті. Кожна програма виконується послідовно, починаючи з першої команди, якщо немає спеціальних вказівок. Для зміни цієї послідовності використовуються команди передачі управління.

10 Класична структура машини фон Нейман Операційний пристрій виконує команди з визначеного набору, який називається системою команд, над порціями інформації, яка зберігається відокремленій від операційного пристрою пам ' яті хоча сучасні архітектури мають в складі операційного пристрою додаткову пам ' ять, в якій операнди зберігаються порівняно короткий час безпосередньо в процесі проведення обчислень. Пристрій управління організує послідовне виконання алгоритмів, розшифрування команд, які поступають із запам ' ятовуючого пристрою, реагує на аварійні ситуації та виконує загальні функції управління всіма вузлами обчислювальної машини. Зазвичай операційний пристрій та пристрій управління об ' єднуються в структуру, яка називається центральним процесором.

11 Класична структура машини фон Нейман Запам ' ятовуючий пристрій масив комірок з унікальними ідентифікаторами, в яких зберігаються команди та дані. Пристрій вводу - виводу забезпечує зв ' язок ЕОМ з зовнішнім світом, різними пристроями, які передають інформацію на переробку в ЕОМ та приймають результати.

12 Принцип функціонування Після завантаження програми в запам ' ятовуючий пристрій, машина фон Неймана може працювати автоматично, без втручання оператора. Кожна комірка пам ' яті машини має унікальний номер адресу, а спеціальний механізм, частіше всього лічильник команд забезпечує автоматичне виконання необхідної послідовності команд, і визначає на кожному етапі адресу комірки, з якої необхідно завантажити наступну команду.

13 Принцип функціонування Перед початком виконання програми в лічильник записується адреса її першої команди. Визначення адреси наступної команди відбувається за одним з наступних сценаріїв : Якщо поточна команда не є командою передачі управління то до поточного значення лічильника додається число, яке дорівнює довжині поточної команди в мінімально адресованих одиницях інформації Якщо поточна команда команда передачі управління, яка змінює послідовний хід виконання програми, то в лічильник примусово записується адреса тої команди, яка була замовлена при виконанні переходу, де б вона не знаходилась.

14 Недоліки архітектури фон Неймана 1. Семантичний розрив 2. Розділення операційного пристрою та пам ' яті 3. Послідовний принцип виконання

15 Семантичний розрив Досить примітивний та низькорівневий набір команд, який, абсолютно не відповідає сучасному стану справ в індустрії розробки програмного забезпечення, зокрема в наявності мов високого рівня, які набагато підвищують продуктивність праці програміста за рахунок пропонування йому більш високо рівневих абстракцій, і потрібно зазвичай до декількох сотень машинних команд замість однієї команди мови високого рівня. Цей дисбаланс в принципі успішно вирішується на програмному рівні за допомогою компіляторів

16 Розділення операційного пристрою та пам ' яті Розділення створюється між операційним пристроєм і пам ' яттю, адже швидкість обробки інформації в процесорі зазвичай є набагато більшою, аніж швидкість роботи запам ' ятовуючого пристрою, який не встигає забезпечувати процесор новими порціями інформації, що призводить до простоїв. Проблема вирішується за рахунок побудови більш складної ієрархії пам ' яті, зокрема введенням кеш - пам ' яті, більш швидкої, де зберігаються дані, які часто використовуються в обчисленнях, щоб не звертатись за ними до повільної основної пам ' яті.

17 Послідовний принцип виконання Архітектура фон Неймана є принципово послідовною. І це є суттєвим обмежуючим фактором в підвищенні швидкодії машин з такою організацією, унеможливлює введення явного паралелізму в систему. Передусім це питання не технічне, а концептуальне і пов ' язане з самою парадигмою програмування для фоннейманівських машин. Саме тому паралельні обчислювальні машини, хоча й успішно виконують свої завдання, ще довго, мабуть, не зможуть витіснити цю класичну архітектуру.

18 Альтернативні архітектури Архітектура потоків данних Паралельна архітектура ЕОМ

19 Архітектура потоків данних Вхідні дані А, B та C, переміщуються по графу, « перетворюючись » в результаті в корені рівняння X та Y. Як бачимо, за умови наявності всіх перандів на момент запуску машини, обчислення може відбуватись одночасно в декількох напрямах на графі ( оператори, що можуть за таких умов функціонувати паралельно, показані одним кольором ). Якщо якийсь з операндів не готовий, но незалежні від цього операнда гілки обчислень все одно можуть продовжуватись до тих пір, поки на якомусь з операційних пристроїв обчислення виявисться залежним від цього операнда

20 Паралельна архітектура ЕОМ Практично в будь-якій програмі є деякий відсоток операцій, що не допускають паралельного виконання. Позначимо його через α. Очевидно, відсоток операцій, що допускають паралельне виконання, дорівнює 1-α. Максимальний приріст продуктивності, який можна одержати від паралельного виконання програми з такими характеристиками на машині з N процесорами в порівнянні з однопроцесорної ЕОМ, виражається законом Амдала: Випадок α=0 відповідає повністю паралельній програмі й ми одержуємо N-кратний приріст, випадок α=1 – повністю послідовної, і в цьому випадку приросту немає. Закон Амдала деякою мірою допомагає відчути складність паралельного програмування: наприклад, для прискорення виконання програми в 100 разів, необхідно, щоб 99,99% операцій в програмі можливо було б виконувати з 100-кратним розпаралеленням. Прямування числа процесорів N у нескінченність приводить до очевидного результату: S(,α) = 1/α, тобто принципово неможливо одержати прискорення більше 1/α при будь-якій кількості використовуваних процесорів.