von Neumannovo schéma Střední odborná škola Otrokovice Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je ing. Miroslav Hubáček. Dostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR. Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze. www.zlinskedumy.cz

Charakteristika 1 DUM Název školy a adresa Střední odborná škola Otrokovice, tř. T. Bati 1266, 76502 Otrokovice Číslo projektu CZ.1.07/1.5.00/34.0445 /4 Autor Ing. Miroslav Hubáček Označení DUM VY_32_INOVACE_SOSOTR-Gu-IKT/1-VT-3/7 Název DUM von Neumannovo schéma Stupeň a typ vzdělávání Středoškolské vzdělávání Kód oboru RVP 28-52-H/01 Obor vzdělávání Gumař-plastikář Vyučovací předmět Informační a komunikační technologie Druh učebního materiálu Výukový materiál Cílová skupina Žák, 15 – 16 let Anotace Výukový materiál je určený k frontální výuce učitelem, případně jako materiál pro samostudium, nutno doplnit výkladem; náplň: vysvětlení pojmu výpočetní systém, modely systému, architektura počítače, funkční schéma Vybavení, pomůcky Počítač, dataprojektor, interaktivní tabule Klíčová slova Von Neumann, Harward, architektura výpočetního systému, funkční schéma počítače Datum 31. 7. 2013

von Neumannovo schéma Náplň výuky Architektura výpočetních systémů Systém von Neumann Systém Harvard Aplikace v praxi

Výpočetní systémy Počítačové systémy lze rozdělit z hlediska způsobu zpracování dat na analogové digitální Analogový počítač je zařízení, které je používáno pro simulování fyzikálních dějů pomocí elektrických veličin Zpracovává analogové signály, na jejichž změnu reaguje téměř okamžitě Proto byly v 2. polovině 20. století analogové počítače využívány pro řešení složitých matematických úloh a simulací Se vzrůstajícími požadavky na zpracování dat byly od 50. let kombinovány s číslicovými počítači, kterými byly nahrazeny

Koncepce počítačových systémů Von Neumann John von Neumann je původem maďarský matematik, který značnou měrou přispěl k oborům jako jsou kvantová fyzika, ekonomika a hlavně informatika von Neumannova architektura digitálního počítače vznikla kolem roku 1946 základní moduly navrženého počítače jsou: vstupní a výstupní jednotky operační paměť aritmeticko-logická jednotka řadič tato koncepce tvoří základ architektury současných počítačů

Neumann János, narozen 28. prosince 1903 v Budapešti Obr. 1: von Neumann

Struktura von Neumann řídící jednotka, aritmeticko-logická jednotka, paměť, vstupní zařízení, výstupní zařízení struktura je nezávislá na zpracovávaných úlohách programy, data, mezivýsledky a konečné výsledky se ukládají do téže paměti paměť je rozdělená na stejně velké buňky, které jsou průběžně očíslované, přes číslo buňky (adresu) se dá přečíst nebo změnit obsah buňky po sobě jdoucí instrukce programu se uloží do paměťových buněk jdoucích po sobě, přístup k následující instrukci se uskuteční z řídící jednotky zvýšením instrukční adresy o 1 instrukcemi skoku se dá odklonit od zpracování instrukcí v uloženém pořadí

Von Neumannovo schéma počítače Obr. 2: struktura počítače von Neumann

Von Neumannovo schéma počítače Komunikace mezi jednotkami probíhá po sběrnici Periférie výstupní Paměť ALU Sběrnice vstupní Řadič Obr. 3: struktura počítače von Neumann se sběrnicí

Von Neumannovo schéma počítače ALU (aritmeticko-logická jednotka) se spolu s řadičem vyrábí jako jediná součástka – procesor (CPU) a periférie bývají vstupní a výstupní zároveň. Periférie (vstup, výstup) Paměť CPU Obr. 4: zjednodušená struktura počítače von Neumann

Harvardská architektura tato architektura byla navržena Howardem Aikenem v třicátých letech minulého století na Harvardské univerzitě ve Spojených státech odděluje paměť programu a dat a jejich spojovací obvody na této architektuře byl postaven počítač Harvard Mark I počítač měl strojové instrukce uloženy na děrné pásce a data na elektromechanických deskách Harvardská architektura byla oblíbená především u počítačů, které vznikly v šedesátých letech a začátkem sedmdesátých let minulého století je také využívána u mnohem později vzniklých microcontrollerů

Harvardská architektura Periférie (vstup, výstup) Paměť programu CPU dat Obr. 5: struktura počítače harvardského typu

Harvardská architektura Výhody: program nemůže přepsat sám sebe  paměti mohou být vyrobeny odlišnými technologiemi  každá paměť může mít jinou velikost nejmenší adresovací jednotky  dvě sběrnice umožňují jednoduchý paralelní chod, kdy lze přistupovat pro instrukce i data současně Nevýhody: hlavní nevýhodou je větší technologická náročnost daná nutností vytvořit dvě sběrnice  nevyužitou část paměti dat nelze použít pro program a obráceně

Moderní architektura procesorů v posledních letech se rychlost procesorů zněkolikanásobila v poměru k rychlosti přístupové doby hlavní paměti je tedy tendence zredukovat počet přístupů do hlavní paměti řešením je paměť známá jako cache, která je velmi rychlá, ale má mnohem menší kapacitu než hlavní paměť velikost paměti cache je jeden z hlavních aspektů při určování rychlosti procesoru rychlé moderní procesory spojují obě architektury uvnitř procesoru je použita Harvardská architektura, kde se paměť cache dělí na paměť instrukcí a paměť pro data celý procesor se však chová jako procesor s architekturou von Neumannovou, protože načítá data i program z hlavní paměti najednou

Kontrolní otázky: Definujte pojem počítačová struktura. Popište funkci počítače podle von Neumannova schématu. Vysvětlete rozdíly mezi Harvardskou a von Neumannovou architekturou. Jaká je koncepce architektury moderních procesorů?

Seznam obrázků: Obr. 1: John von Neumann. In: Wikipedia : the free encyclopedia [online]. 2012 [vid. 29. 7. 2013]. dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:JohnvonNeumann-LosAlamos.jpg Obr. 2: Von Neumannova architektura počítače. In: Pelikán : fi.muni.cz [online]. 2012 [vid. 29. 7. 2013]. dostupné z: http://www.fi.muni.cz/usr/pelikan/ARCHIT/TEXTY/VNEUM.HTML Obr. 3: vlastní Obr. 4: vlastní Obr. 5: vlastní

Seznam použité literatury: [1] KRAS, R. Obsluha počítače pro začátečníky v kostce. Praha: FRAGMENT, 2004. ISBN 80-7200-589-8. [2] Informační technologie. In: Wikipedia : the free encyclopedia [online]. 2012 [cit. 29. 7. 2013]. dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Von_Neumannova_architektura [3] Slovní pojmů z výpočetní techniky. In: lfhk.cuni.cz/moodle2 [online]. 2012. [cit. 29. 7. 2013]. dostupné z: http://moodle.lfhk.cuni.cz/moodle2/mod/glossary/view.php?id=120

Děkuji za pozornost 