Классическая архитектура вычислительной машины

Разнообразие современных вычислительных машин очень велико, но все они представляют собой реализацию так называемой фон-ней- мановской (принстонской) архитектуры, представленной Джорджем фон Нейманом еще в 1945 г. Рассмотрим классическую архитектуру вычислительной машины на примере архитектуры фон Неймана.

Принцип действия вычислительной машины состоит в выполнении программ последовательностей арифметических, логических и других операций, описывающих решение определенной задачи.

Программа (для ЭВМ) — это упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке (стандарт ISO 2382/1-84).

Команда — это описание операции, которую должна выполнить вычислительная машина.

Результат команды вырабатывается по точно определенным для данной команды правилам, заложенным в конструкцию компьютера. Электронные схемы каждого компьютера могут распознавать и выполнять ограниченный набор простых команд.

На рис. 1.3 представлена схема фон-неймановской вычислительной машины, на основе которой уже более полувека создаются современные вычислительные машины.

Схема фон-неймановской вычислительной машины

Рис. 1.3. Схема фон-неймановской вычислительной машины

Фон-неймановская архитектура состоит из следующих основных устройств:

  • • памяти, которая включала 4096 машинных слов разрядностью 40 бит. Машинное слово содержало или команды (две команды по 20 бит), или целое число со знаком на 40 бит (8 бит указывали на тип команды, а остальные 12 бит определяли одно из 212 = 4096 слов);
  • • арифметико-логического устройства (АЛУ), внутри которого находится особый внутренний регистр разрядностью 40 бит, так называемый аккумулятор;
  • • устройства управления (УУ), выполняющего функции управления устройствами;
  • • устройства ввода информации;
  • • устройства вывода информации.

Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация.

В современных вычислительных машинах арифметико-логическое устройство и устройство управления сочетаются в одной микросхеме, которая называется центральным процессором (ЦП).

Машинная команда считывает слово из памяти в аккумулятор или сохраняет содержимое аккумулятора в памяти. Машина фон Неймана выполняла арифметические операции только с фиксированной точкой, поскольку фон Нейман был отличным математиком и считал, что плавающую точку можно держать в голове.

В основу построения современных вычислительных машин были положены следующие принципы фон Неймана.

1. Принцип однородности памяти. Команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти неразличимы. Распознать их можно только по способу использования; т.е. одно и то же значение в ячейке памяти может использоваться и как данные, и как команда, и как адрес в зависимости лишь от способа обращения к нему. Это позволяет производить над командами те же операции, что и над числами, и, соответственно, открывает ряд возможностей. Так, циклически изменяя адресную часть команды, можно обеспечить обращение к последовательным элементам массива данных. Такой прием носит название модификации команд и с позиций современного программирования не приветствуется. Более полезным является другое следствие принципа однородности, когда команды одной программы могут быть получены как результат исполнения другой программы. Эта возможность лежит в основе трансляции — перевода текста программы с языка высокого уровня на язык конкретной вычислительной машины.

  • 2. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причем процессору в произвольный момент доступна любая ячейка. Двоичные коды команд и данных разделяются на единицы информации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, а для доступа к ним используются номера соответствующих ячеек — адреса.
  • 3. Принцип программного управления. Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов — команд. Каждая команда предписывает некоторую операцию из набора операций, реализуемых вычислительной машиной. Команды программы хранятся в последовательных ячейках памяти вычислительной машины и выполняются в естественной последовательности, т.е. в порядке их положения в программе. При необходимости с помощью специальных команд эта последовательность может быть изменена. Решение об изменении порядка выполнения команд программы принимается либо на основании анализа результатов предшествующих вычислений, либо безусловно.
  • 4. Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу вся информация, как данные, так и команды, кодируется двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип информации представляется двоичной последовательностью и имеет свой формат. Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. В числовой информации обычно выделяют поле знака и поле значащих разрядов. В формате команды можно выделить два поля: поле кода операции и поле адресов.

Огромным преимуществом фон-неймановской архитектуры является ее простота, поэтому данная концепция легла в основу большинства компьютеров общего назначения. Однако совместное использование шины для памяти программ и памяти данных приводит к так называемому узкому месту архитектуры фон Неймана. Термин «узкое место архитектуры фон Неймана» ввел Джон Бэкус в 1977 г. в своей лекции «Можно ли освободить программирование от стиля фон Неймана?», которую он прочитал при вручении ему Премии Тьюринга.

Фон-неймановская архитектура — не единственный вариант построения ЭВМ, есть и другие, которые не соответствуют указанным принципам (например, потоковые машины). Однако подавляющее большинство современных компьютеров основано именно на указанных принципах, включая и сложные, многопроцессорные комплексы, которые можно рассматривать как объединение фон-ней- мановских машин.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >