Maszyna von Neumanna

John von Neumann (ur. 28 grudnia 1903 w Budapeszcie, zm. 8 lutego 1957 w Waszyngtonie) – węgierski matematyk, inżynier chemik, fizyk i informatyk, pracujący głównie w Stanach Zjednoczonych

Architektura von Neumanna – pierwszy rodzaj architektury komputera, opracowanej przez Johna von Neumanna, Johna W. Mauchly’ego oraz Johna Presper Eckerta w 1945 roku. Cechą charakterystyczną tej architektury jest to, że dane przechowywane są wspólnie z instrukcjami, co sprawia, że są kodowane w ten sam sposób.

W architekturze tej komputer składa się z czterech głównych komponentów:

• pamięci komputerowej przechowującej dane programu oraz instrukcje programu; każda komórka pamięci ma unikatowy identyfikator nazywany jej adresem
• jednostki sterującej odpowiedzialnej za pobieranie danych i instrukcji z pamięci oraz ich sekwencyjne przetwarzanie
• jednostki arytmetyczno-logicznej odpowiedzialnej za wykonywanie podstawowych operacji arytmetycznych.
• urządzeń wejścia/wyjścia służących do interakcji z operatorem

  Schemat działania maszyny von Neumanna:

 

  Co znajdziemy w „ciele” komputera?

Komputer składa się z procesora, pamięci wewnętrznej oraz podłączonych za pomocą magistrali urządzeń peryferyjnych, czyli zewnętrznych urządzeń wejścia i wyjścia.

Konkretnym składem logicznym komputera są:

- płyta główna

- procesor

- pamięć wewnętrzna

- dysk twardy

   Dane urządzenia odpowiadają za jego proces działania i sprawność działań.

 Schemat logicznej budowy komputera:  

 

Płyta główna 

 Jest to obwód drukowany urządzenia elektronicznego, na którym montuje się najważniejsze elementy, umożliwiając komunikację wszystkim pozostałym komponentom i modułom.

W komputerze na płycie głównej znajdują się: procesory, pamięć operacyjna lub gniazda do zainstalowania tych urządzeń oraz gniazda do zainstalowania dodatkowych płyt zwanych kartami rozszerzającymi (np. PCI), oraz gniazda do urządzeń składujących (dyski twarde, napędy optyczne itp.), złącze klawiatury i zasilacza. W niektórych konstrukcjach także gniazda do innych urządzeń zewnętrznych do których sprzęt znajduje się na płycie głównej (port szeregowy, port równoległy, USB).

Koncepcję zbudowania komputera osobistego wyposażonego tylko w minimum potrzebnych urządzeń zmontowanych na jednej płycie drukowanej oraz gniazd, do których podłącza się dodatkowe urządzenia zapoczątkowała firma IBM wprowadzając komputer osobisty, zwany też PC.

Części płyty głównej:

1. Obwód drukowany: wielowarstwowy system połączeń

2. Podstawka i slot procesora

3. Gniazda pamięci operacyjnej

4. Cache i/lub podstawka Cache

5. Złącza magistral I/O

6. Gniazda zasilania ATX

7. Regulator napięcia

8. Kondensatory służące do filtracji i wygładzania przebiegów

9. Złącza klawiatury i myszy

10. Chipset

11. Sterownik klawiatury

12. Zegar czasu rzeczywistego RTC

13. Super sterowniki I/O

14. Pamięć CMOS

15. BIOS

16. Baterie

17. System zworek: zestawy zwiernych styków pełniących rolę przełączników funkcjonalnych. Bardzo różnorodne i szerokie zastosowanie.

Pamięć komputerów 

To różnego rodzaju urządzenia i bloki funkcjonalne komputera, służące do przechowywania danych i programów (systemu operacyjnego oraz aplikacji). Potocznie przez "pamięć komputerową" rozumie się samą pamięć operacyjną.

Podział pamięci dzielimy ze względu na ich :

• ulotność
• możliwość zapisu i odczytu
• nośnik
• łatwość (możliwość) przeniesienia wraz z zapisem do innego urządzenia 
• miejsce w konstrukcji komputera
• sposób dostępu do informacji

Szybkość pracy komputera

Dane aktualnie używane są trzymane w szybszej pamięci, natomiast te aktualnie niepotrzebne w wolniejszej. Ponieważ różnice w czasie dostępu między kolejnymi poziomami są często rzędu 10:1, dobre wykorzystanie właściwości pamięci podręcznej (cache) ma zazwyczaj większe znaczenie niż liczba cykli procesora koniecznych do wykonania algorytmu. Zasada przenoszenia mniej potrzebnych danych do wolniejszej pamięci jest podstawą funkcjonowania pamięci wirtualnej komputera oraz stronicowania pamięci.

Procesor 

Urządzenie cyfrowe sekwencyjne, które pobiera dane z pamięci, interpretuje je i wykonuje jako rozkazy. Wykonuje on ciąg prostych operacji wybranych ze zbioru rozkazów podstawowych określonych zazwyczaj przez producenta procesora jako lista rozkazów procesora.

Procesory (zwane mikroprocesorami) wykonywane są zwykle jako układy scalone zamknięte w hermetycznej obudowie, często posiadającej złocone wyprowadzenia. Ich sercem jest monokryształ krzemu, na który naniesiono techniką fotolitografii szereg warstw półprzewodnikowych, tworzących, w zależności od zastosowania, sieć od kilku tysięcy do kilkuset milionów tranzystorów. Połączenia wykonane są z metalu (aluminium, miedź).

Jedną z podstawowych cech procesora jest długość (liczba bitów) słowa, na którym wykonywane są podstawowe operacje obliczeniowe. Jeśli słowo ma 64 bity, mówimy, że procesor jest 64-bitowy.

Innym ważnym parametrem określającym procesor jest szybkość, z jaką wykonuje on rozkazy. Przy danej architekturze procesora, szybkość ta w znacznym stopniu zależy od czasu trwania pojedynczego taktu.

Budowa procesora 

W funkcjonalnej strukturze procesora można wyróżnić takie elementy, jak:

1. Zespół rejestrów do przechowywania danych i wyników, rejestry mogą być ogólnego przeznaczenia lub mają specjalne przeznaczenie,
2. Jednostkę arytmetyczną (arytmometr) do wykonywania operacji obliczeniowych na danych,
3. Układ sterujący przebiegiem wykonywania programu,
4. Inne układy, w które producent wyposaża procesor w celu usprawnienia jego pracy.

Do typowych rozkazów wykonywanych przez procesor należą:

• kopiowanie danych
  • z pamięci do rejestru
  • z rejestru do pamięci
  • z pamięci do pamięci (niektóre procesory)
  • (podział ze względu na sposób adresowania danych)
• działania arytmetyczne
  • dodawanie
  • odejmowanie
  • porównywanie dwóch liczb
  • dodawanie i odejmowanie jedności
  • zmiana znaku liczby
• działania na bitach
  • iloczyn logiczny – AND
  • suma logiczna – OR
  • suma modulo 2 (różnica symetryczna) – XOR
  • negacja – NOT
  • przesunięcie bitów w lewo lub prawo
• skoki
  • bezwarunkowe
  • warunkowe

Instrukcje procesora identyfikowane są na podstawie binarnego kodu maszynowego, jednak dany kod nie musi oznaczać wykonywania tych samych operacji przez procesor do tego samego (lub innego) zadania.

W tym celu, w procesorach niedostępnych masowo można spotkać możliwość programowania rozkazów CPU, czyli mikroprogramowania. Rozwiązanie takie daje pełniejszą kontrolę nad procesorem oraz możliwość np. zwiększenia wydajności procesora w pewnych zastosowaniach itp., w znacznie większym stopniu niż w przypadku np. dostępnych powszechnie procesorów, w których kody maszynowe są na stałe przypisane do listy wykonywanych mikroinstrukcji.

BIOS

Zapisany w pamięci stałej zestaw podstawowych procedur pośredniczących pomiędzy systemem operacyjnym a sprzętem. Jest to program zapisany w pamięci ROM (pamięć tylko do odczytu) płyty głównej oraz innych urządzeń takich jak karta graficzna.

 Obecnie większość BIOS-ów zapisywana jest w pamięciach typu EEPROM (rodzaj nieulotnej pamięci komputerowej), co umożliwia ich późniejszą modyfikację. Program służący do konfiguracji BIOS-u to BIOS setup.

Działanie

W wypadku płyty głównej BIOS testuje sprzęt po włączeniu komputera, przeprowadza tzw. POST , zajmuje się wstępną obsługą urządzeń wejścia/wyjścia, kontroluje transfer danych pomiędzy komponentami takimi jak dysk twardy, procesor czy napęd CD-ROM. Inicjuje program rozruchowy. BIOS potrzebny jest w komputerach osobistych ze względu na architekturę płyt głównych, gdzie dzięki ACPI kontroluje zasilanie, jak również monitoruje temperaturę.

Za pomocą wbudowanego w BIOS programu setup można zmieniać standardowe ustawienia BIOS-u, np. parametry podłączonych dysków twardych lub zachowanie się komputera po jego włączeniu.