2_5. Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ

1. О понятии “архитектура ЭВМ”

Термин “архитектура” используется в популярной литературе по вычислительной технике достаточно часто, однако определение этого понятия и его содержание могут у разных авторов достаточно различаться.

Архитектура компьютера — логическая организация и структура аппаратных и программных ресурсов вычислительной системы. Архитектура заключает в себе требования к функциональности и принципы организации основных узлов ЭВМ. Это, прежде всего, основные устройства и блоки ЭВМ, а также структура связей между ними. И действительно, если заглянуть, например, в “Толковый словарь по вычислительным системам”, мы прочтем там, что термин “архитектура ЭВМ используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных логических узлов ЭВМ.

Фон-неймановская (принстонская) архитектура, доминирующая в настоящее время организация ЭВМ, основана на концепции хранимой программы, для которой используется линейно адресуемая память, способная выполнять операции чтения и записи. Эта единая память хранит и команды программы, и данные. Команды выбираются процессором из памяти последовательно одна за другой, кроме случаев применения управляющих команд (переходы, программные прерывания, вызовы подпрограмм). Принципы компьютера с хранимой программой американский математик Джон фон Нейман (1903-1957) сформулировал в проекте отчёта “First Draft of a Report on the EDVAC” (1945 г.), отправленный им частным образом ста крупнейшим западным учёным. Однако считается, что авторство принадлежит не ему, а разработчикам сверхсекретного в то время компьютера ЕNIAC Джону Маучли и Джону Эккерту, у которых Нейман проходил стажировку. Учитывая это, в настоящее время данную архитектуру всё чаще называют принстонской, по названию университета, в котором работали Маучли и Эккерт.

В более подробное описание, определяющее конкретную архитектуру, также входят: структурная схема ЭВМ, средства и способы доступа к элементам этой структурной схемы, организация и разрядность интерфейсов ЭВМ, набор и доступность регистров, организация памяти и способы её адресации, набор и формат машинных команд процессора, способы представления и форматы данных, правила обработки прерываний.

Однако описание внутренней структуры ЭВМ вовсе не является самоцелью: с точки зрения архитектуры представляют интерес лишь те связи и принципы, которые являются наиболее общими, присущими многим конкретным реализациям вычислительных машин. Часто говорят даже о семействах ЭВМ, т.е. группах моделей, совместимых между собой. В пределах одного семейства основные принципы устройства и функционирования машин одинаковы, хотя отдельные модели могут существенно различаться по производительности, стоимости и другим параметрам. Ярким примером могут служить заполонившие мир IBM-совместимые персональные компьютеры. Именно то общее, что есть в строении ЭВМ, и относят к понятию архитектуры.

“Архитектура – это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов”.

2. Классическая архитектура эвм и принципы фон-Неймана

Как было сказано выше, считается, что основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Он подключился к созданию первой в мире ламповой ЭВМ ENIAC в 1944 г., когда ее конструкция была уже выбрана. В процессе работы во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. В 1946г. ученые изложили свои принципы построения вычис-лительных машин в ставшей классической статье “Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства”. С тех пор прошло полвека, но выдвинутые в ней положения сохраняют актуальность и сегодня.

В статье убедительно обосновывается использование двоичной системы для представления чисел (нелишне напомнить, что ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде). Авторы убедительно продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации – текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.

Огромный авторитет фон Неймана привел к тому, что всем базовым принципам построения ЭВМ стали приписывать его имя, а архитектура называться «фон – неймановская».

Фон Нейман с соавторами выдвинули основные принципы логического устройства ЭВМ и предложили ее структуру, которая полностью воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ:

Рис. 1. Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана.

- направление движения информацией

- управляющих сигналов от процессора к остальным узлам ЭВМ

Кроме архитектуры ЭВМ Нейман предложил основополагающие принципы логического устройства ЭВМ:

1. Принцип программного управления. Он обеспечивает автоматизацию процессов вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Регистр – специализированная дополнительная ячейка памяти в процессоре. Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды.

Счетчик команд – регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды, он служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти. То есть, с его помощью осуществляется выборка программы из памяти. Этот регистр последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. А так как, команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым осуществляется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Для выполнения не следующей команды, а какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов. Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что храниться в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Иногда этот принцип называют «принцип хранимой команды».

3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Это позволяет обращаться к произвольной ячейке (адресу) без просмотра предыдущих.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относят к типу фон - неймановских.

В современных компьютерах устройство управления и арифметико-логическое устройство объединены в один блок – процессор.

Персональный компьютер состоит из следующих основных блоков:

• основная память

• процессор

• периферийные устройства

Общая схема ПК

Все блоки связаны между собой системной магистралью (общей шиной). Шина состоит из трех частей:

• шина данных, по которой передается информация;

• шина адреса, определяющая, куда передаются данные;

• шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.

Описанную схему (шинная архитектура ЭВМ) легко пополнять новыми устройствами, подключать непосредственно к шине, что явилось главным преимуществом в разработке важнейшего принципа построения ПК – открытой архитектуры. Для пользователя открытая архитектура означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств для своего компьютера, т.е. конфигурировать его в зависимости от круга решаемых задач.

Таким образом, внутренняя структура вычислительной техники постоянно совершенствовалась и будет совершенствоваться. Вместе с тем, на данный момент подавляющее большинство существующих ЭВМ, несмотря на имеющиеся различия, по-прежнему состоит из одинаковых узлов и основано на общих принципах фон-неймановской архитектуры.

Процесс взаимодействия процессора и памяти сводится в основном к двум операциям: запись информации в память и чтение информации из памяти. При записи процессор по специальным проводникам (они называются шиной адреса) передает биты, кодирующие адрес; по другим проводникам (они называются шиной управления) передает управляющий сигнал - "запись" и по еще одной группе проводников (она называется шиной данных) передает записываемую информацию. При чтении также по шине адреса передается соответствующий адрес оперативной памяти и с шины данных считывается требуемая информация.

Число одновременно передаваемых по шине адреса и шине данных разрядов (битов) называется разрядностью соответствующей шины и является важной характеристикой ЭВМ. Разрядность шины данных определяет максимальное общее количество доступной памяти (адресное пространство процессора); разрядность шины данных - максимальную порцию информации, которую можно получить из памяти за один раз. Для процессора i8088, на котором работал первый персональный компьютер корпорации IBM, разрядность адресной шины равнялась 20 и, соответственно, максимальное количество доступной памяти равнялось 1 Мбайту. Современные процессоры Pentium могут адресовать до 1Гбайта памяти.

Процессор и основная память находятся на большой плате, которая называется материнской. Для подключения к ней периферийных устройств (дисководов, манипуляторов типа мыши, принтеров и т.д.) служат специальные платы - контроллеры. Они вставляются в разъемы (слоты) на материнской плате, а к их концу (порту), выходящему наружу компьютера, подключается дополнительное устройство. Таким образом, периферийные устройства подключаются к системной магистрали не непосредственно, а через специальные устройства - контроллеры. Магистраль можно сравнить с телефонным кабелем, к которому параллельно подключены абоненты - блоки компьютера. "Обращение" процессора к внешнему устройству похоже на вызов абонента. Все устройства пронумерованы. Когда нужно обратиться к какому-нибудь из них, в магистраль посылается его адрес. Как и телефон, устройство может быть свободно или занято. Приняв сигнал "свободно", процессор посылает ему информацию. Контроллер внешнего устройства можно сравнить с телефонным аппаратом, который принимает сигнал от процессора и дешифрует его. Например, контроллер экрана, приняв от процессора сигнал 01000001 (код буквы "А"), преобразует его в указание электронно-лучевой трубке изобразить на экране букву "А".