Информатика · 7 класс1 четвертьТема 2ГОСО РК 2026Базовый

Архитектура ЭВМ Джона фон Неймана

Принципы фон Неймана, структура процессора (АЛУ и УУ), тактовая частота, магистрально-модульный принцип и шины данных.

Время изучения~60 минтеория + практика
Разделы темы4 разд.пошаговый разбор
Тест темы2 вопр.с мгновенным ответом
СОР / СОЧ1 четвертьдескрипторы ГОСО

В 1945 году выдающийся американский математик венгерского происхождения Джон фон Нейман (John von Neumann) вместе с коллегами сформулировал базовые концепции построения универсальных электронно-вычислительных машин, которые остаются основой архитектуры ПК и по сей день.

Фундаментальные принципы фон Неймана:

1. Принцип двоичного кодирования — вся информация (как числовые данные, так и команды программ) кодируется в виде двоичных последовательностей из 0 и 1;

2. Принцип однородности памяти — программы и данные хранятся в одном и том же общем адресном пространстве памяти. Процессор может обрабатывать команды программы точно так же, как обычные числовые данные;

3. Принцип адресности памяти — оперативная память состоит из пронумерованных ячеек (байтов). Процессор может мгновенно обратиться к любой ячейке по ее уникальному числовому адресу;

4. Принцип программного управления — программа состоит из набора команд, которые процессор выполняет автоматически шаг за шагом в строгой последовательности (если нет команд условного перехода);

5. Принцип последовательного выполнения команд — процессор считывает очередную команду из памяти, дешифрует ее, выполняет и переходит к следующей.

Классическая архитектура ЭВМ фон Неймана

Анимированная модель
Магистрально-модульная архитектура ЭВМ (Дж. фон Нейман)ЦПУ (CPU)АЛУ (ALU: вычисления)УУ (Control Unit: команды)Регистры + Кэш L1/L2Память (RAM / ROM)ОЗУ (RAM)ЭнергозависимаяПЗУ (ROM / BIOS)Постоянное хранениеШина адреса (Address Bus - 1D)Шина данных (Data Bus - 2D)Шина управления (Control Bus)Внешние устройства ввода/вывода (I/O Devices)Клавиатура, Мышь, Монитор, SSD, Сетевой адаптер
Взаимодействие процессора, оперативной памяти и периферии через адресную шину, шину данных и шину управления.
История ЭВМ

Архитектура фон Неймана

Классическая модель ЭВМ с общей памятью для данных и команд, опубликованная в 1945 году.
Принцип

Адресность памяти

Возможность прямого доступа к любому байту ОЗУ по его порядковому номеру.

Центральный процессор (CPU) — главный исполнительный кремниевый чип компьютера, выполняющий машинные инструкции и управляющий остальными устройствами.

Процессор состоит из трех главных функциональных блоков:

1. Арифметико-логическое устройство (АЛУ / ALU) — выполняет сложение, вычитание, умножение, деление и логические операции (И, ИЛИ, НЕ, сравнение чисел);

2. Устройство управления (УУ / CU) — координирует работу всех узлов процессора: считывает команду из памяти, расшифровывает ее код и вырабатывает синхронизирующие электрические сигналы для остальных блоков;

3. Регистры процессора — сверхбыстрые внутренние ячейки памяти малого объема (регистр команд, счетчик команд IP, аккумулятор). Они работают на частоте самого процессора без задержек.

Блок CPU

АЛУ (ALU)

Арифметико-логическое устройство, производящее математические расчеты над двоичными числами.
Блок CPU

УУ (Control Unit)

Устройство управления — «дирижер» процессора, координирующий последовательность исполнения инструкций.

Современные компьютеры строятся по магистрально-модульному (шинному) принципу. Это означает, что все отдельные узлы (процессор, ОЗУ, видеокарта, звуковая карта, контроллеры дисков) выполнены в виде отдельных модулей и соединяются общей информационной магистралью — системной шиной на материнской плате.

Системная шина состоит из трех параллельных групп проводников:

1. Шина данных — двунаправленная шина, по которой пересылаются байты данных между процессором, памятью и внешними устройствами. Разрядность шины данных определяет, сколько бит передается за один такт (64 бита в современных процессорах);

2. Шина адреса — однонаправленная шина, по которой процессор передает номер ячейки памяти или устройства, к которому он обращается. Разрядность адресной шины определяет максимальный объем поддерживаемой оперативной памяти (232=42^{32} = 4 Гбайт для 32-битных систем, 2642^{64} для 64-битных);

3. Шина управления — передает управляющие служебные сигналы (чтение, запись, сигнал готовности, прерывание IRQ).

Магистраль

Шина адреса

Определяет адрес ячейки ОЗУ; разрядность шины ограничивает максимальный объем ОЗУ.
Магистраль

Шина данных

Переносит непосредственные двоичные операнды и результаты вычислений между узлами ПК.

Преимущество модульности

Магистрально-модульный принцип позволяет легко модернизировать (апгрейдить) компьютер: достаточно заменить видеокарту или добавить планку ОЗУ без покупки нового системного блока.

Работа процессора синхронизируется кварцевым генератором тактовых импульсов (тактовым генератором).

Тактовая частота (измеряется в гигагерцах, ГГц) — это количество электрических импульсов (тактов), вырабатываемых генератором за одну секунду. Например, частота 3.6 ГГц означает, что генератор подает 3.6 миллиарда тактов в секунду.

Машинный цикл исполнения одной команды включает четыре шага:

1. Fetch (Выборка) — считывание команды из ОЗУ по адресу из счетчика команд;

2. Decode (Декодирование) — расшифровка операции в УУ;

3. Execute (Исполнение) — выполнение операции в АЛУ;

4. Writeback (Запись) — сохранение полученного результата в регистр или ячейку ОЗУ.

Шаг 1
Выборка команды
Счетчик команд передает адрес ячейки ОЗУ по адресной шине, команда загружается в регистр.
Шаг 2
Дешифрация
Устройство управления распознает машинный код операции (сложение, пересылка, переход).
Шаг 3
Исполнение и сохранение
АЛУ выполняет расчет, результат фиксируется, а счетчик команд увеличивается на длину команды.
Ваш прогресс по теме25%
Шпаргалка формул7 класс
Алфавитный подход к измерению информации:
N=2iN = 2^i[бит]
Информационный объем текстового сообщения:
I=K⋅iI = K \cdot i[бит (байт)]
Формула Хартли для равновероятных событий:
I=log⁡2NI = \log_2 N[бит]
Соотношение базовых единиц информации:
1 байт=8 бит,1 Кбайт=1024 байт=210 байт1 \text{ байт} = 8 \text{ бит}, \quad 1 \text{ Кбайт} = 1024 \text{ байт} = 2^{10} \text{ байт}[байт / бит]
Следующая тема

Программное обеспечение: системное, прикладное и инструментальное

Перейти к теме →