1.6 Архитектура ЭВМ

Термин «архитектура ЭВМ» имеет несколько определений и часто употребляется как в узком, так и в широком смысле. В узком смысле под архитектурой понимается лишь набор машинных команд для данного процессора.

Применительно к вычислительным системам термин «архитектура» может быть определен как распределение функций, реализуемых системой, между ее уровнями, точнее – как определение границ между этими уровнями.

Согласно ГОСТ 15971–90, архитектура вычислительной машины – это концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.

Итак, архитектура ЭВМ – это абстрактное представление ЭВМ, которое отражает ее структурную, схемотехническую и логическую организацию.

Понятие архитектуры ЭВМ является комплексным, в него входят [10]:

1. структурная схема ЭВМ;
2. средства и способы доступа к элементам структурной схемы ЭВМ;
3. организация и разрядность интерфейсов в ЭВМ;
4. набор и доступность регистров;
5. организация и способы адресации памяти;
6. способы представления и форматы данных ЭВМ;
7. набор машинных команд;
8. форматы машинных команд;
9. правила обработки нештатных ситуаций (прерываний).

Таким образом, описание архитектуры включает в себя практически всю необходимую для специалиста информацию о компьютере. Понятие архитектуры является иерархическим. Поэтому допустимо вести речь как об архитектуре компьютера в целом, так и об архитектуре отдельных его компонентов, например архитектуре процессора или архитектуре подсистемы ввода-вывода.

К настоящему времени среди ЭВМ последовательного типа наибольшее распространение получили два типа архитектур, различающихся организацией памяти.

1. Гарвардская архитектура разработана соответственно в Гарвардском университете и характеризуется отдельной памятью для команд и отдельной – для данных.
2. Принстонская архитектура разработана в Принстонском университете и предполагает единую память для хранения команд и данных. Другое название – архитектура фон Неймана.

Гарвардская архитектура – это архитектура ЭВМ, обладающая следующими отличительными признаками:

1. хранилище инструкций и хранилище данных представляют собой разные физические устройства;
2. канал инструкций и канал данных также физически разделены.

Архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х гг. в Гарвардском университете. Достоинство этой архитектуры – высокое быстродействие, а главный недостаток – схемно-конструктивная сложность, т. е. необходимость реализации множества связей. Первым компьютером, в котором была использована идея гарвардской архитектуры, был Марк I.

Гарвардская архитектура используется в программируемых логических контроллерах и микроконтроллерах, таких как Microchip PIC, Atmel AVR, Intel 4004, Intel 8051, а также в кеш-памяти первого уровня x86-микропроцессоров, делящейся на два равных либо различных по объёму блока для данных и команд.

Принстонская архитектура (фон Неймана). Под ЭВМ последовательного типа будем понимать вычислительную машину, построенную в соответствии с принципами, выдвинутыми в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом. Его принципы до сих пор определяют так называемую традиционную или фон-неймановскую архитектуру ЭВМ. Её структурная схема ранее уже была показана на рисунке 1.6.

Фон-неймановская последовательная ЭВМ состоит из (см. рис. 1.6):

1. центрального процессора (ЦП – CPU), включающего арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ);
2. оперативной памяти (ОП – RAM);
3. каналов (портов) ввода-вывода, к которым подключаются разнообразные устройства ввода-вывода (УВв), в том числе внешние запоминающие устройства или внешняя память (ВЗУ или ВП);
4. ЦП, кроме АЛУ и УУ, может иметь собственную внутреннюю память (блок управляющих регистров; блок регистровой памяти и др.).

Принципы фон Неймана, в соответствии с которыми происходит функционирование классической последовательной ЭВМ:

1. Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу, компьютеры должны работать в двоичной системе счисления. Это означает, что любая информация внутри ЭВМ записывается и хранится в двоичной форме. Минимальной единицей информацией в двоичной системе счисления является двоичный разряд, или бит, принимающий значения 0 или 1. Биты обычно объединяются в группы по 8 разрядов, называемые байтами. Любая информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов и переводится в битовое или байтовое представление.
2. Принцип адресности. Структурно оперативная память состоит из пронумерованных ячеек, номер ячейки называется адресом памяти. Центральному процессору в произвольный момент времени по адресу 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.
3. Принцип однородности памяти. В оперативной памяти (ОП) ЭВМ хранятся и программы, и данные. При этом принципиального различия между программой и данными нет. Центральный процессор (ЦП) может считывать и записывать любую ячейку памяти независимо от того, хранится в ней часть программы или данные. Более того, наличие программы в ОП является необходимым условием ее выполнения. Помещение программы в ОП осуществляется центральным процессором путем считывания ее кода из ВЗУ и записи в ОП. Из принципа однородности памяти следует возможность модификации кода программы во время ее выполнения.
4. Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из упорядоченного набора команд, которые выполняются ЦП автоматически друг за другом в определенной последовательности. Сама исполняемая программа хранится в ОП, причем выборка из ОП очередной команды для исполнения осуществляется ЦП согласно значению программного счетчика. После выборки из очередной команды значение программного счетчика автоматически увеличивается на длину выбранной команды.