Архітектура обчислювальних машин

1. принстонська архітектура
2. Гарвардська архітектура

Розрізняються Прінстонського і Гарвардської архітектуру обчислювальних машин. Ці архітектурні варіанти були запропоновані в кінці 40-х років фахівцями, відповідно, Прінстонського і Гарвардського університетів США для розроблюваних ними моделей комп'ютерів.

принстонська архітектура

Принстонська архітектура, яка часто називається архітектурою фон Неймана, характеризується використанням загальної оперативної пам'яті для зберігання програм, даних, а також для організації стека. Для звернення до цієї пам'яті використовується загальна системна шина, по якій в процесор надходять і команди, і дані.

Архітектура сучасних персональних комп'ютерів заснована на
магістральної-модульному принципі.

Будь-яку обчислювальну машину утворюють три основні компоненти:

• процесор,
• пам'ять,
• пристрої введення-виведення (УВВ).

Інформаційна зв'язок між пристроями комп'ютера здійснюється через системну шину (системну магістраль).

Шина - це кабель, що складається з безлічі провідників. Кількість провідників, що входять до складу шини, є
максимальної розрядністю шини.

Системна шина, в свою чергу, являє собою сукупність

• шини даних, що служить для перенесення інформації;
• шини адреси, яка визначає, куди переносити інформацію;
• шини управління, яка визначає правила для передачі інформації;
• шини харчування, що підводить електроживлення до всіх вузлів обчислювальної машини.

Системна шина характеризується тактовою частотою і розрядністю. Кількість одночасно переданих по шині біт називається
розрядністю шини.

Тактова частота характеризує число елементарних операцій з передачі даних в 1 секунду. Розрядність шини вимірюється в бітах, тактова частота - в мегагерцах.

Пристрій управління (УУ) формує адреса команди, яка повинна бути виконана в даному циклі, і видає керуючий сигнал на читання вмісту відповідної комірки пам'яті (ЗУ). Зчитана команда передається в УУ. За інформацією, що міститься в адресних полях команди, УУ формує адреси операндов і керуючі сигнали для їх читання з ЗУ і передачі в арифметико-логічний пристрій (АЛП). Після зчитування операндів пристрій управління за кодом операції, що міститься в команді, видає в АЛУ сигнали на виконання операції. Отриманий результат записується в ЗУ за адресою приймача результату під управлінням сигналів запису. Ознаки результату (знак, наявність переповнення, ознака нуля і так далі) надходять в пристрій управління, де записуються в спеціальний регістр ознак. Ця інформація може використовуватися при виконанні наступних команд програми, наприклад, команди умовного переходу.

Пристрій введення дозволяє ввести програму рішення задачі і вихідні дані в ЕОМ і помістити їх в оперативну пам'ять. Залежно від типу пристрою введення вихідні дані для вирішення завдання вводяться безпосередньо з клавіатури, або вони повинні бути попередньо поміщені на будь-який носій (дисковий накопичувач).

Пристрій висновку є для виведення з ЕОМ результатів обробки вихідної інформації. Найчастіше це символьна інформація, яка виводиться за допомогою друкувальних пристроїв або на екран дисплея.

Оперативна пам'ять або пам'ять - це сукупність осередків, призначених для зберігання деякого коду. Кожній з осередків привласнений свій номер, званий адресою. Інформацією, записаної в осередку, можуть бути як команди в машинному вигляді, так і дані.

Обробка даних і команд здійснюється за допомогою арифметико-логічного пристрою (АЛП), призначеного для безпосереднього виконання машинних команд під дією пристрою управління. АЛУ і УУ спільно утворюють центральне процесорний пристрій (ЦПУ). Результати обробки передаються в пам'ять.

Основні принципи побудови обчислювальних машин з архітектурою фон Неймана

• Принцип двоічності. Для представлення даних і команд використовується двійкова система числення.
• Принцип програмного управління. Програма складається з набору команд, які виконуються процесором один за одним в певній послідовності.
• Принцип однорідності пам'яті. Як програми (команди), так і дані зберігаються в одній і тій же пам'яті (і кодуються в одній і тій же системі числення, найчастіше - двійковій). Над командами можна виконувати такі ж дії, як і над даними.
• Принцип адресується пам'яті. Структурно основна пам'ять складається з пронумерованих осередків, процесору в довільний момент часу доступна будь-яка осередок.
• Принцип послідовного програмного управління. Всі команди розташовуються в пам'яті і виконуються послідовно, одна після завершення інший.
• Принцип умовного переходу. Команди з програми не завжди виконуються одна за одною. Можлива присутність в програмі команд умовного переходу (а також команд виклику функцій і обробки переривань), які змінюють послідовність виконання команд в залежності від значень даних. Цей принцип був сформульований задовго до фон Неймана Адою Лавлейс і Чарльзом Беббідж, проте був логічно включений в зазначений набір як доповнюючий попередній принцип.

Архітектура фон Неймана має ряд важливих достоїнств.

• Наявність загальної пам'яті дозволяє оперативно перерозподіляти її обсяг для зберігання окремих масивів команд, даних і реалізації стека в залежності від розв'язуваних завдань. Таким чином, забезпечується можливість більш ефективного використання наявного обсягу оперативної пам'яті в кожному конкретному випадку застосування.
• Використання загальної шини для передачі команд і даних значно спрощує налагодження, тестування і поточний контроль функціонування системи, підвищує її надійність.

Тому Прінстонського архітектура протягом довгого часу домінувала в обчислювальній техніці.

Однак їй притаманні і суттєві недоліки. Основним з них є необхідність послідовної вибірки команд і оброблюваних даних по загальній системній шині. При цьому загальна шина стає «вузьким місцем» (bottleneck - «пляшкове горло»), яке обмежує продуктивність цифрової системи.

Гарвардська архітектура

Гарвардська архітектура була розроблена Говардом Ейкен в кінці 1930-х років в Гарвардському університеті з метою збільшити швидкість виконання обчислювальних операцій і оптимізувати роботу пам'яті. Вона характеризується фізичним поділом пам'яті команд (програм) і пам'яті даних. В її оригінальному варіанті використовувався також окремий стек для зберігання вмісту програмного лічильника, який забезпечував можливості виконання вкладених підпрограм. Кожна пам'ять з'єднується з процесором окремої шиною, що дозволяє одночасно з читанням-записом даних при виконанні поточної команди робити вибірку і декодування наступної команди. Завдяки такому розподілу потоків команд і даних і поєднанню операцій їх вибірки реалізується більш висока продуктивність, ніж при використанні Принстонской архітектури.

Недоліки Гарвардської архітектури пов'язані з необхідністю проведення більшої кількості шин, а також з фіксованим обсягом пам'яті, виділеної для команд і даних, призначення якої не може оперативно перерозподілятися відповідно до вимог розв'язуваної задачі. Тому доводиться використовувати пам'ять більшого обсягу, коефіцієнт використання якої при вирішенні різноманітних завдань виявляється більш низьким, ніж в системах з Принстонской архітектурою. Однак розвиток мікроелектронної технології дозволило в значній мірі подолати зазначені недоліки, тому Гарвардська архітектура широко застосовується у внутрішній структурі сучасних високопродуктивних мікропроцесорів, де використовується окрема кеш-пам'ять для зберігання команд і даних. У той же час у зовнішній структурі більшості мікропроцесорних систем реалізуються принципи Принстонской архітектури.

назад