Архитектура фон Неймана

Цели обучения:

7.3.1.1 описывать схему и принципы архитектуры фон Неймана.

Цели урока:

• познакомить учащихся с архитектурой фон Неймана, её основными компонентами, принципами работы и ролью в развитии вычислительной техники, а также сформировать умение описывать схему и объяснять работу этой архитектуры..

Учащиеся:

• Описывать назначение основных компонентов компьютера (АЛУ, устройство управления, память, устройства ввода/вывода).
• Формулировать 4 принципа архитектуры фон Неймана.
• Представлять схему архитектуры фон Неймана.
• Анализировать схему работы компьютера.

1. Введение

Архитектура фон Неймана была предложена в 1945 году американским учёным Джоном фон Нейманом. Эта архитектура стала основой для современных компьютеров.

2. Основные компоненты архитектуры

Архитектура фон Неймана состоит из пяти ключевых блоков:

1. Устройство управления (УУ) (Control Unit, CU)

• Координирует работу всех частей компьютера.
• Считывает команды из памяти и отправляет сигналы для их выполнения.

2. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) (Arithmetic Logic Unit, ALU)

• Выполняет арифметические операции (сложение, умножение и т.д.).
• Выполняет логические операции (сравнение, логические операции И, ИЛИ, НЕ).

3. Память (Memory)

• Хранит как данные, так и программы.
• Разделяется на:
  • Оперативную память (ОЗУ) (RAM) — временное хранение.
  • Постоянную память (ПЗУ) (ROM) — хранение инструкций и данных, которые не изменяются.

4. Устройства ввода (Input)

Клавиатура, мышь, сканер, микрофон, камера передают данные и команды от пользователя в компьютер.

5. Устройства вывода (Output)

Монитор, принтер, колонки, проектор выводят результаты работы компьютера.

3. Принципы архитектуры фон Неймана

Фон Нейман выделил четыре основных принципа:

1. Принцип хранимой программы — и данные, и команды хранятся в одной памяти.
2. Принцип последовательного выполнения — процессор выполняет инструкции одну за другой.
3. Принцип адресности — каждая ячейка памяти имеет свой уникальный адрес.
4. Принцип двоичного кодирования — данные и инструкции представлены в двоичной системе.

4. Цикл работы процессора (машинный цикл)

В архитектуре фон Неймана работа процессора проходит в три этапа:

1. Выборка (Fetch) — процессор получает команду из памяти.
2. Декодирование (Decode) — команда анализируется и определяется, что нужно сделать.
3. Выполнение (Execute) — команда выполняется (операция в АЛУ, запись в память, вывод на экран).

Схема архитектуры фон Неймана:

Ввод → [Память] ↔ [Устройство управления] ↔ [АЛУ] → Вывод

5. Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Простота реализации.
• Универсальность — одна схема подходит для разных задач.
• Возможность хранить и изменять программы.

Недостатки:

• Обмен данными между памятью и процессором ограничен одной шиной, что замедляет работу.
• Последовательное выполнение команд может быть медленным для сложных задач.

6. Вывод

Архитектура фон Неймана — фундаментальная модель компьютера, в которой память, процессор, устройства ввода и вывода работают как единая система. Знание её принципов помогает понимать, как устроены современные компьютеры и почему они работают именно так.

Вопросы: 

1. Кто предложил архитектуру, ставшую основой для современных компьютеров?
2. Назовите основные компоненты архитектуры фон Неймана.
3. В чём заключается принцип хранимой программы?
4. Перечислите этапы машинного цикла процессора.
5. Что такое «узкое место фон Неймана» и как оно влияет на работу компьютера?

Упражнения:

Упр 1. Соотнеси каждый компонент с его функцией.

Упр 2. Укажи пропущенные принципы архитектуры фон Неймана.

Упр 3. На схеме компьютера по фон Нейману отметь названия основных компонентов.

Задания:

Задание 1. «Компьютер как фабрика». 

Опиши работу «фабрики-компьютера» в виде короткой истории (5–6 предложений), используя это сравнение.

Инструкция:
Представь, что компьютер работает как фабрика.

• Память — это склад.
• Устройство управления — директор фабрики.
• АЛУ — рабочие станки.
• Устройства ввода — поставщики сырья.
• Устройства вывода — готовая продукция.