Классическая архитектура ЭВМ

Под архитектурой ЭВМ понимают основные устройства и блоки ЭВМ, а также структуру связей между ними. Архитектура компьютера определяет пользовательские возможности, систему команд, способ организации памяти и т.д. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя. При этом говорят о семействах ЭВМ.

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 устройства современных компьютеров.

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

· арифметико-логическое устройство (АЛУ);

· запоминающее устройство (ЗУ);

· устройства ввода-вывода;

· устройство управления (УУ).

Арифметико-логическое устройство выполняет все доступные машине операции. Его основная характеристика - быстродействие. Арифметико-логическое устройство вместе с устройством управ­ления вычислительной машины ныне называют ее процессором. В ходе работы процессор ЭВМ использует разнообразную информацию, извлекаемую из памяти машины или возникающую в результате действий арифметико-логического устройства. Для фиксации такой информации в процессоре имеется ряд специальных ячеек, называемых регистрами.

В запоминающем устройстве вычислительной машины (ее памяти) хранится вся информация, используемая ЭВМ во время работы. Объем памяти наряду с быстродействием является важной характеристикой вычислительной машины. Память машины состоит из регистров, в каждом из которых может храниться одно машинное слово: число, с которым должна оперировать машина, либо инструкция (команда) – указание о том, что должна делать машина. Последовательность инструкций составляет программу работы машины. Все ячейки пронумерованы, номер ячейки называется ее адресом.

Уже в машинах первого поколения произошло разделение запоминающего устройства на два устройства: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и внешнее запоминающее устройство (ВЗУ). ОЗУ это сравнительно небольшое по объему и достаточно быстродействующее устройство. В нем хранятся сведения, к которым ЭВМ часто обращается при решении очередной задачи. Внешнее запоминаю­щее устройство машины служит для хранения информации, используемой менее часто, чем та, что хранится в ОЗУ. Поэтому ВЗУ имеет большой объем и меньшее быстродействие. Для хранения информации в ВЗУ в машинах первого и второго поколений использовались магнитные ленты и магнитные барабаны.

Устройства ввода-вывода служат для ввода данных и программ в ЭВМ и для вывода из нее полученных результатов.

Устройство управления организует и координирует взаимодействие всех устройств вычислительной машины во время ее работы.

Описанную структуру ЭВМ можно изобразить схемой, приведенной на рисунке 2.1.

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.

· 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.

Внешнее запоминаю-щее устройство (ВЗУ)

Устройство вывода

Устройство ввода

Оперативное запоминающее устройство ОЗУ)

Процессор АЛУ УУ

Рисунок 2.1 - Схема машины фон Неймана

Рассмотренная классическая модель соответствует вычислительным машинам первого и второго поколений. Введение любого дополнительного функционального блока в такие архитектуры был сопряжен с увеличением потребляемой мощности, занимаемой площади и резко увеличивал стоимость всей системы. Поэтому компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имел возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком.

Впоследствии появились новые идеи обработки данных, предложены другие типы архитектур вычислительных систем, заметно отличающиеся от классической, например:

1) Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано несколько потоков данных и несколько потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи.

2) Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру.

3) Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе, т. е. по одному потоку команд.

Говорят о наличии двух архитектур компьютеров: классической (Неймановской или принстонской) и гарвардской. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных.

В настоящее время широко применяется классификация вычислительных систем по способам взаимодействия последовательностей (потоков) выполняемых команд и обрабатываемых данных (систематика Флинна (Flynn)):

1. SISD (Single Instruction, Single Data);

2. SIMD (Single Instruction, Multiple Data);

3. MISD (Multiple Instruction, Single Data);

4. MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data).

К типу SISD (один поток команд, один поток данных) относятся "обычные" последовательные компьютеры. Ко второму типу – SIMD (один поток команд, множественный поток данных) относятся вычислительные системы с синхронным управлением, векторные компьютеры. Классический пример – система ILLIAC IV. Третий тип вычислительных систем – MISD (множественный поток команд, один поток данных), по мнению некоторых ученых, выделен скорее для полноты систематики. Четвертому типу – MIMD (множественный поток команд, множественный поток данных) – отвечают многопроцессорные вычислительные системы. [32].