Базовые принципы устройства
Содержание
Фундаментальные принципы устройства ЭВМ были впервые систематически изложены в 1946 году в ставшей классической статье “Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства” 8. Предложенные там принципы до сих пор остаются в силе (иногда, правда, немного изменившись), что весьма удивительно, т.к. за прошедшее время успело смениться несколько поколений ЭВМ. С педагогической точки зрения подобная стабильность базовых теоретических сведений делает их весьма ценными для изучения в рамках школьного курса.
Часто совокупность предложенных в вышеназванной статье принципов называют фоннеймановской архитектурой ЭВМ, что не совсем точно. Во-первых, многие из описанных в статье идей не принадлежат ни самому Нейману, ни его соавторам (первоначальный вариант статьи представлял собой научный отчет, обобщивший опыт большого количества ученых и инженеров) 9. Во-вторых, если говорить более строго, термин “архитектура” применительно к вычислительной технике имеет несколько иное значение (см. “Архитектура”).
В ходе предварительного рассмотрения конструкции электронно-вычислительного устройства фон Нейман с соавторами обосновал следующие необходимые для постройки любой ЭВМ базовые принципы.
· Логика работы вычислительного устройства определяет его основные компоненты.
Любое устройство, способное производить автоматические вычисления, должно иметь вполне определенный набор компонентов (см. “Функциональное устройство”).
· Принцип двоичного кодирования всей информации.
Наиболее рациональным для технической реализации методом представления как данных, так и программы их обработки, является двоичное кодирование. Устройства для хранения двоичной информации, а также осуществление алгоритмов ее обработки наиболее просты и дешевы. Хотя в первых машинах использовались только числовые данные, расширение обрабатываемой информации (текст, графика, звук, видео) не привело к изменению двоичного характера кодирования.
· Принцип хранимой программы.
Команды программы и данные по форме представления одинаковы, следовательно, они могут храниться в единой памяти. Не существует принципиальной разницы между двоичными кодами машинной команды, числа, символа и т.д. Данный принцип, в частности, позволяет компьютеру автоматически формировать для себя программы.
· Принцип программного управления.
Данный принцип определяет механизм автоматического выполнения программы. Более детально этот процесс рассматривается в статье “Исполнение программы”
· Принцип адресации памяти.
Память машины разделяется на отдельные ячейки, каждая из которых имеет свой адрес (номер). Первоначально, когда в памяти ЭВМ хранились только команды программы и числа, каждая ячейка содержала большое количество двоичных разрядов (30–40). Начиная с третьего поколения появляются другие виды данных, имеющих разную длину. Наиболее оптимальными для такой ситуации оказываются 8-битные ячейки, которые для “длинных” данных могут объединяться (см. “Память оперативная”).
· Принцип иерархической организации различных видов памяти.
К памяти компьютера предъявляется два противоречивых требования: ее объем должен быть как можно больше, а скорость работы — как можно выше. Ни одно практическое устройство не может удовлетворять им одновременно. Для преодоления указанного противоречия приходится использовать несколько различных видов памяти, связанных друг с другом. При этом чем выше быстродействие памяти, тем меньше ее объем. Например, количество регистров процессора, образующих его внутреннюю сверхоперативную память, невелико. Объем ОЗУ гораздо больше, но информационный обмен с памятью протекает существенно медленнее, чем с регистрами. В качестве компромиссного решения выступает кэш-память, имеющая промежуточные значения объема и быстродействия. Аналогичные рассуждения справедливы и для внешней (дисковой) памяти.
· Принципы реализации машинной арифметики.
В упоминавшейся выше классической статье формулируются также базовые принципы двоичной арифметики; они выходят за рамки нашего обсуждения.
Описанные фундаментальные принципы лежат в основе всех ЭВМ, в том числе современных. Хотя теоретически возможно построение машин на не-неймановской основе, пока все многочисленные серийно выпускаемые компьютеры имеют традиционное устройство.
Для конкретного семейства компьютеров, например IBM PC или Apple, фундаментальные принципы дополняются базовыми принципами архитектуры данного семейства (см. “Архитектура”). Совокупность всех этих положений образуют теоретические основы устройства компьютеров данной серии.
Методические рекомендации
Курс информатики основной школы
В Стандарте базового курса из перечисленных в статье принципов в явном виде прописан вопрос о компонентах компьютера и их функциях (неявно сюда можно включить принцип иерархии памяти), а также программный принцип работы компьютера. Остальные принципы ни в Стандарте, ни в примерной программе данной части курса не упоминаются.
Курс информатики в старших классах
В Стандарте базового уровня старших классов наиболее близкой к рассматриваемому материалу является тема “Двоичное представление информации”. В Примерной программе уточняется, что речь должна идти о двоичном представлении информации в компьютере и двоичной арифметике, а также системах счисления, используемых в вычислительной технике (11-й класс). В Стандарте профильного уровня также стоит строка “Системы счисления”. Все это позволяет рассмотреть принципы двоичного кодирования и отдельные закономерности двоичной арифметики.
Структура и адресация памяти ни в одном из Стандартов не упоминается. Это весьма странно, поскольку там стоит изучение типов данных в языках программирования. Сомнительно, что можно полноценно сформировать это понятие без упоминания о байтовой структуре памяти.
Таким образом, фундаментальные принципы устройства компьютера оказываются разбросанными по разным темам и даже классам. В качестве рекомендации можно предложить в базовом курсе дать хотя бы самое общее представление обо всех принципах, а в старших классах изучить их более детально. Подробный материал по данному вопросу читатели газеты могут найти в тематическом № 24 за 2004 год.
8 Беркс А., Голдстейн Г., Нейман Дж. Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства // Кибернетический сборник. М.: Мир, 1964. Вып. 9.
9 Частиков А.П. Архитекторы компьютерного мира. СПб.: БХВ-Петербург, 2002, 384 с.
