Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Опубликован: 30.03.2005 | Доступ: свободный | Студентов: 6882 / 1893 | Оценка: 4.17 / 4.05 | Длительность: 09:46:00
ISBN: 978-5-9556-0040-6
Специальности: Разработчик аппаратуры
Лекция 10:

Структура однопрограммной ЭВМ

< Лекция 9 || Лекция 10: 12 || Лекция 11 >
Аннотация: Рассматриваются классические основы построения ЭВМ (машина Тьюринга, элемент и автомат Неймана), принципы Неймана построения ЭВМ, структура классической ЭВМ.

Классические основы построения ЭВМ

Основы построения электронных вычислительных машин в их современном понимании были заложены в 30-е – 40-е годы прошлого века видными учеными: английским математиком Аланом Тьюрингом и американцем венгерского происхождения Джоном (Яношем) Нейманом.

Машина Тьюринга

В 1936 году А. Тьюринг сформулировал понятие абстрактной вычислительной машины. Одновременно с ним, хотя и не в столь явной форме, это же сделал Э. Пост (США). Хотя машина Тьюринга (МТ) не стала реально действующим устройством, она до настоящего времени постоянно используется в качестве основной модели для выяснения сущности таких понятий, как "вычислительный процесс", "алгоритм", а также для выяснения связи между алгоритмом и вычислительными машинами [ 11 ] .

Основные положения машины Тьюринга
  1. Машина Тьюринга (рис.10.1) имеет конечное число знаков si, образующих внешний алфавит, в котором кодируются сведения, подаваемые в МТ, а также вырабатываемые в ней. Среди знаков имеется пустой знак ( s1 ), посылка которого в какую-либо ячейку стирает находившийся в ней знак и оставляет ее пустой.

    Структура машины Тьюринга

    Рис. 10.1. Структура машины Тьюринга

    В зависимости от поданной начальной информации \alpha (содержащихся на ленте внешней памяти знаков) возможны два случая:

    • после конечного числа тактов машина останавливается (имея информацию \beta ), подавая сигнал об остановке. В этом случае МТ применима к информации \alpha и перерабатывает ее в информацию \beta ;
    • остановка никогда не наступает. В этом случае МТ не применима к начальной информации \alpha.
  2. В каждый момент обозревается лишь одна ячейка ленты (памяти). Переход может осуществляться лишь к соседней ячейке ( R – вправо, L –влево, N – нет перехода (остаться)). Переход к произвольной ячейке производится путем последовательного перебора всех ячеек, разделяющих текущую и необходимую ячейки. На каждом отдельном такте t команда предписывает только замену единственного знака si, хранящегося в обозреваемой ячейке, каким-либо другим знаком sj.

  3. Логический блок МТ имеет конечное число состояний {qi} i=1..m.

    Знаки R, L, N, q1,.., qm образуют внутренний алфавит машины.

    Переработанный знак sj, записываемый в просматриваемую ячейку, состояние, которое примет машина Тьюринга в следующем такте q(t+1) и выполняемая в данном такте операция перехода к следующей ячейке P(t+1) являются функцией анализируемого в данном такте символа и текущего состояния машины si и q(t):

    si(t+1)=f1(si,q(t));
    q(t+1)=f2(si,q(t));
    P(t+1)=f3(si,q(t)).

    Программа для МТ определяется тройкой {si, P, q}t.

    Пример записи программы вычисления логической функции "неравнозначность" для машины Тьюринга представлен ниже.

    Символ ( si ) Состояние
    q1 q2 q3 q4
    0 0, R, q2 0, N, q4 1, N, q4 0, N, q4
    1 1, R, q3 1, N, q4 0, N, q4 1, N, q4

    Перед началом работы машина Тьюринга находится в состоянии q1 считывания первого операнда.

    Данная МТ применима к исходной информации. Останов – состояние q4. Значение si в ячейке y не меняется (сохраняется результат).

    Если программа для МТ будет определена таблицей переходов

    Символ ( si ) Состояние
    q1 q2 q3 q4
    0 0, R, q2 0, N, q4 1, N, q4 1, N, q4
    1 1, R, q3 1, N, q4 0, N, q4 0, N, q4

    то данная МТ будет не применима к исходной информации, поскольку в состоянии q4 значение si в ячейке y постоянно меняется на противоположное.

Автомат Неймана

По принципу обработки информации вычислительное устройство, предложенное Нейманом ( автомат Неймана – АН), существенно отличается от машины Тьюринга.

Важная особенность машины Тьюринга – преобразование информации на каждом такте происходит лишь в одной ячейке, остальные дожидаются посещения головки, хотя часто имеется возможность работать параллельно.

Простейшее решение – использование нескольких машин Тьюринга с общей для них внешней памятью (лентой) – не всегда допустимо из-за возможных конфликтов при обращении к одной и той же ячейке памяти.

В автомате Неймана число одновременно обрабатываемых ячеек может неограниченно расти, оставаясь в каждый момент конечным.

Элемент Неймана (ЭН) – это устройство, которое на каждом такте пребывает в одном из конечного числа состояний r_{i} \in  R, образующих его алфавит. ЭН имеет два входных канала: левый и правый; по каждому из них на такте t также поступает по одному состоянию из R (рис. 2).

Элемент Неймана

Рис. 10.2. Элемент Неймана

Элемент реализует функцию z_{t+1}=\psi (r_{i}, r_{j}, r_{m})_{t}, то есть в такте t+1 переходит в состояние z, определяемое его состоянием в текущий момент времени и значениями, поступившими по входным каналам.

Состояния элементов Неймана в момент времени t определяют конфигурацию автомата Неймана (рис. 3) в момент t: K(t).

Структура автомата Неймана

Рис. 10.3. Структура автомата Неймана

Функционирование АН – это переход от состояния К(t) к состояниям K(t+1), K(t+2)...

За один такт свое состояние может менять большое число элементов Неймана, что фактически приводит к параллельной обработке информации.

< Лекция 9 || Лекция 10: 12 || Лекция 11 >
Людмила Долгих
Людмила Долгих

Здравствуйте. В первой лекции курса "Логические и арифметические основы и принципы работы ЭВМу вас приведена классическая структурная схема ЭВМ. Если можно уточните, а как в классической архитектуре могла реализоваться прямая работа устройств ввода-вывода с оперативной памятью?  Если я правильно понимаю - это режим прямого доступа к памяти, в классической архитектуре он не предусмотрен.

Анастасия Зыкина
Анастасия Зыкина

Примерно в апреле этого года в разделе "Зачетка" проходила курсы "Логические и арифметические основы и принципы работы ЭВМ", со спокойной душой отправилась на сессию и оказалось, что результатов не нашли! Как такое возможно? Можно ли найти результаты. Конечный экзамен был сдан на "4"!

Андрей Белов
Андрей Белов
Россия, г. Москва
айгиз каримов
айгиз каримов
Россия, Магнитогорск, МГТУ им.Носова