Принципы фон Неймана в компьютерных системах

Бурное развитие электронно-вычислительных систем в XX веке поставило вопрос о необходимости выработки принципов структуры электронных систем, которые бы максимально оптимизировали их работу. Ими стали так называемые принципы фон Неймана, предложенные в 1946 году тремя учеными-математиками Пенсильванского университета: Джоном фон Нейманом, Артуром Берксом и Германом Голстайном. Интересно, что фамилия первого уже была широко известна на тот момент в научной среде, в результате чего авторитет задвинул имена остальных разработчиков на задний план. В указанной статье была предложена новая для того времени архитектура ЭВМ. Принципы фон Неймана основным своим содержанием выдвигали необходимость использования системы двоичного кода для представления информации в системе. Кроме того, была выдвинута идея эффективности использования единой памяти и для программ, и для базы данных.

Принципы фон Неймана работы ЭВМ

• Адресованная память. Память в своей структуре должна состоять из пронумерованных ячеек. И команды, и информативные данные хранятся в этих ячейках памяти в виде двоичного кода. Для доступа процессора к ним используются адреса (собственно, номера соответствующих ячеек).
  
• Программное управление. Принципы фон Неймана предполагают, что все вычисления в структуре алгоритма решения задачи необходимо представлять в виде программы, которая, в свою очередь, состоит из определенной последовательности команд, каждая из которых отвечает за одну из ряда операций, используемых системой. Команды хранятся в ячейках памяти и выполняются в порядке следования этих ячеек. Принципы фон Неймана также предполагают, что эта последовательность может быть изменена при необходимости и с помощью специальных команд.
• Однородность памяти. И команды, и информативные данные хранятся в одной памяти, потому внешне могут быть неразличимы. Распознаваемы они лишь по способу их использования. Это позволяет производить те же операции над командами, что и над числами, открывая тем самым дополнительный ряд возможностей. Например, если циклически изменять адресную структуру команды, то можно обеспечить обращение системы к последовательным элементам древа данных. Такие приемы именуются модификацией команд. Вместе с тем следует отметить, что в современном программировании они не
  
  приветствуются. И все же они имеют полезное свойство, которое заключается в том, что команда одной программы может быть получена в результате действия другой программы. Например, этот прием лежит в основе так называемой трансляции, то есть перевода программного текста с высокого языка на язык, доступный конкретной вычислительной системе. Этот и следующий принципы фон Неймана являются важнейшими во всей архитектуре.
• Двоичное кодирование. Подразумевает кодирование всей информации данных и команд системой двоичных цифр 0 и 1. Последовательность этих цифр и определяет всю широту возможностей системы. Такая последовательность называется полем.