Архитектура ЭВМ и принципы фон Неймана

Классическое построение цифровой ЭВМ сложилось в конце
40-х-начале 50-х гг. Существенное влияние на него оказали идеи математика Джона фон Неймана, который в 1945 г. в отчёте «Предварительный доклад о машине «Эдвак»» сформулировал основные принципы работы и компоненты современных компьютеров.

Согласно модели фон Неймана, в состав ЭВМ входят три основных устройства:

· арифметическое устройство (АУ);

· запоминающее устройство (ЗУ);

· устройство управления (УУ).

Кроме того, в состав машины входят внешние устройства, через которые в память вводится исходная информация для решения некоторой задачи и выводятся результаты вычислений, и пульт управления для первоначального запуска машины, контроля хода вычислений, остановки вычислений вручную при необходимости и т.д. Схематически машина фон Неймана показана на рисунке 3.8.

Память машины состоит из ряда ячеек (регистров), в каждой из которых может храниться одно машинное слово: число, с которым должна оперировать машина, либо инструкция (команда) - указание о том, что должна делать машина. В процессоре 8086/88, на котором построены первые компьютеры IBM, размер машинного слова составлял 2 байта. Последовательность инструкций составляет программу работы машины. Все ячейки занумерованы, номер ячейки называется ее адресом.

При запуске программы в общем случае сначала с пульта управления в память вводятся исходные данные для решения задачи, а также программа вычислений. Затем оператор производит запуск устройства управления.

Устройство управления посылает запоминающему устройству сигнал для чтения инструкции по заданному адресу и принимает ее в свой регистр. Далее устройство управления расшифровывает инструкцию и вырабатывает управляющие сигналы:

· запоминающему устройству для чтения чисел по указанным в инструкции адресам и передачи их в арифметическое устройство;

· арифметическому устройству для приема чисел от запоминающего устройства, выполнения над ними действий в соответствии с кодом команды и передачи результата в запоминающее устройство;

· запоминающему устройству для приема чисел.

Операции устройства управления состоят, главным образом, в изменении порядка следования инструкций (безусловная или условная передача управления).

Операции внешнего устройства состоят в передаче результатов вычислений из памяти внешним устройствам, например на печать, и получении от внешних устройств данных, записываемых в память по адресам, содержащимся в инструкциях (операции ввода-вывода).

Фон неймановское построение цифровой ЭВМ содержит фундаментальные идеи, которые сыграли выдающуюся роль в развитии вычислительной техники и не утратили своего значения по сей день.

Фундаментальные принципы фон Неймана

Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется в двоичной системе счисления.

Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Это обеспечивает оперативную перенастройку машины с одной задачи на другую без перекоммутаций и изменений в ее схеме, что делает машину универсальным вычислительным инструментом. Инструкции, составляющие программу вычислений, закодированы в виде чисел и ничем не отличаются от чисел, которыми оперирует машина. Это дает возможность прочесть инструкцию как число, переслать ее в арифметическое устройство, произвести с ней некоторые операции и вернуть ее в память. Таким образом, при выполнении программы может происходить ее модификация либо формирование новой программы.

Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти так, чтобы к запомненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

Рассмотренная классическая модель соответствует вычислительным машинам первого и второго поколений.

Для того чтобы перейти к рассмотрению архитектуры современного персонального компьютера, дадим понятие архитектуры.

Архитектура компьютера - это общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Для современного ПК характерна шинная архитектура, приведенная на рисунке 3.9. Различают внешнюю архитектуру ЭВМ – это то, что видит пользователь, и внутреннюю – это то, из чего состоит машина и на чем основано накопление, обработка и передача информации внутри ЭВМ и между компьютерами.

В ПК 3-го и 4-го поколений процессор освобожден от функций обмена, а эту работу стали выполнять контроллеры внешнего устройства (или просто контроллер).

Контроллер − это специализированный процессор, управ­ляющий работой «вверенного ему» внешнего устройства по специальным встроен­ным программам обмена.

Из рисунка 3.9 видно, что для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая шина (часто ее называют магистралью). 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 легко пополнять новыми устройствами. Это свойство назы­вают открытостью архитектуры. Фирма IBM сделала компьютер не единым неразъем­ным устройством, а обеспечила возможность его сборки из незави­симо изготовленных частей. Для пользователя открытая архитектура означает возможность свободно конфигурировать компьютер в зависимости от круга решаемых задач.