Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Опубликован: 30.03.2005 | Доступ: свободный | Студентов: 6855 / 1886 | 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"!