Принципы построения вычислительной машины
Основные принципы построения вычислительных машин были сформулированы при создании ВМ первого поколения (1937 –1953 годы) практически одновременно несколькими учёными. Принято считать автором американца немецкого происхождения фон Неймана. Идеи о построении вычислительной машины с хранимой в памяти программой были им изложены в 1945 году в одной из статей3.
Сущность концепции построения вычислительной машины можно свести к четырём основным принципам:
двоичного кодирования;
программного управления;
однородности памяти;
адресности.
Принцип двоичного кодирования
Вся информация (данные и команды) кодируются двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип информации представляется двоичной последовательностью и имеет свой формат. Последовательность битов в формате, имеющая определённый смысл, называется полем. Числовая информация разделяется на знаковую (имеется два поля: поле знака и поле значащих разрядов) и беззнаковую (имеется только одно поле – значащих разрядов). В формате команды выделяются поле кода операции и поле/поля адресов (рис. 1.4).
Код операции (КОп) Адресная часть
(АЧ)
Рис.
1.4.
Структура команды
Команда - это описание операции, которую должен выполнить компьютер. Набор операций определяется при конструировании вычислительной машины.
Команда обязательно имеет строго фиксированную длину, кратную машинному слову, и стандартную структуру. Результат команды вырабатывается по точно определённым для данной команды правилам, заложенным в конструкцию компьютера. Вид адресной части, число её адресов зависят от типа команды. В адресной части команды может быть указан сам операнд, его адрес, адрес адреса (косвенная адресация), номер устройства ввода/вывода, адрес следующей команды и т.д. В зависимости от количества операндов различают одноадресные, двухадресные, трёхадресные команды, на рис.1.5 приведены форматы команд с разным количеством операндов.
Одноадресная команда.
КОП |
Адрес операнда или результата |
Что делать? |
Откуда взять или куда положить? |
а++; // увеличить значение переменной на 1
Двухадресная команда.
КОП |
А1 |
А2 |
Что делать? |
Откуда взять? |
Куда положить? |
с=a;
Трехадресная команда.
КОП |
А1 |
A2 |
А3 |
Что делать? |
Откуда взять? |
Куда положить? |
|
с=с + а;
Рис. 1.5. Форматы
команд. Примеры команд с разным
количеством адресов
Число/символ, участвующий в операции называется операндом.
Принцип программного управления
Все действия, предусмотренные алгоритмом решения задачи, представляются в виде программы, состоящей из последовательности простейших действий – команд. Команды программы хранятся в последовательных ячейках памяти вычислительной машины и выполняются устройством управления ВМ автоматически в порядке их положения в программе. Последовательность выполнения команд в программе может быть изменена с помощью специальных команд либо на основании анализа результата предшествующих вычислений, либо безусловно.