Основные принципы организации вычислительных машин и систем

Принципы организации вычислительного процесса, используемые и в большинстве современных ВМ, базируется на концепции Дж. Фон Неймана, выдвинутой им во второй половине 40-х г.г. ХХ в. Согласно этой концепции определена автономно работающая ВМ, содержащая устройство управления, арифметико-логическое устройство (АЛУ), память и устройства ввода, вывода (рис.1.2). В связях, соединяющих устройства, выведены потоки данных, команд и управляющих сигналов. Преобразование данных осуществляется последовательно под централизованным управлением от программы, состоящей из команд. Набор (список) команд составляет машинный язык низкого уровня.

Рис. 1.2 Структура Дж. Фон Неймана:

линии связи для данных; линии связи для команд; линии связи для управления

Для организации ВМ предложены следующие принципы:

1. Двоичное кодирование информации, разделение ее на слова фиксированной разрядности.

2. Линейно-адресная организация памяти (N ячеек по n разрядов). Аппаратные средства для записи, хранения и чтения слова из n двоичных разрядов называют ячейкой памяти. Ячейки пронумерованы по порядку (0,1,…,N-1). Номер ячейки – адрес. В командах программы адрес является именем (идентификатором) переменной, хранящейся в соответствующей ячейке.

3. Представление алгоритма программой, состоящей из команд. Команда является предписанием, определяющим шаг процесса выполнения программы. Она содержит код операции, адреса операндов и другие служебные коды.

4. Хранение команд и данных в одной памяти. Различие их заключается только в способе использования и интерпретации считанного из памяти слова.

5. Вычислительный процесс организуется как последовательное выполнение команд в порядке, определяемом программой.

6. Жесткость архитектуры – неизменность в процессе работы ВМ, ее структуры, списка команд, методов кодирования данных.

При работе ВМ (см. рис. 1.2) наиболее интенсивное взаимодействие осуществляется между АЛУ и устройством управления. С развитием элементной базы в целях повышения производительности за счет уменьшения задержек в связях эти устройства объединили в один блок, называемом процессором.

Процессор считывает и выполняет команды программы, организует обращение к оперативной памяти (ОП), в нужных случаях инициирует работу устройств ввода и вывода.

Устройство ввода преобразует входные сигналы в сигналы, принятые для представления данных на шине, соединяющей устройство ввода с АЛУ.

В памяти хранятся команды и данные, которыми оперирует процессор. В нее же записываются результаты промежуточных вычислений. Результаты выполнения программы поступают в устройство вывода.

Устройство вывода преобразует входные сигналы в форму, удобную для восприятия человеком (тексты, графические образы и др.).

Выборка команды из памяти и ее выполнение циклически повторяются. Цикл включает следующие фазы: выборку, дешифрацию и исполнение.

В фазе выборки команды содержимое ячейки памяти, адресуемое специальной схемой устройства управления (программным счетчиком), выбирается из памяти и помещается в специальный регистр процессора, называемый регистром команд. В фазе дешифрации код команды из регистра команд поступает в дешифратор команд процессора и преобразуется в последовательность управляющих сигналов, обеспечивающих настройку АЛУ для выполнения функции, определяемой командой. После этого в устройстве управления формируется адрес следующей команды. Следующей является фаза исполнения. После выполнения команды происходит возврат к первой фазе – выборке следующей команды.

Принципы Дж. Фон Неймана имеют глубокую внутреннюю согласованность и в значительной мере используются в архитектуре современных компьютеров. На ранних этапах развития вычислительной техники (в первых моделях ВМ) существенным было требование максимальной простоты машинного языка и в соответствии с этим – устройств ВМ. В настоящее время это требование не является определяющим и наблюдается отход от исходных принципов. В значительной мере он связан с введением параллелизма на различных уровнях организации вычислительного процесса и расширением функций, реализуемых аппаратно. Эти изменения связаны с постоянным ростом сложности выполняемых преобразований и требований к скорости вычислений. Возможности реализации изменений обусловлены успехами микроэлектроники и совершенствованием элементной базы современных компьютеров.