Фон-неймановская архитектура

Структуры вычислительных машин.

Типы структур вычислительных машин и систем

Достоинства и недостатки архитектуры вычислительных машин и систем изна-

чально зависят от способа соединения компонентов. При самом общем подходе

можно говорить о двух основных типах структур вычислительных машин и двух

типах структур вычислительных систем.

В настоящее время примерно одинаковое распространение получили два способа

построения вычислительных машин:

с непосредственными связями и

на основе шины..

Типичным представителем первого способа может служить классическая фон-

неймановская ВМ (см. рис. 1.3).

В статье фон Неймана определены основные устройства ВМ, с помощью которых

должны быть реализованы вышеперечисленные принципы. Большинство совре-

менных ВМ по своей структуре отвечают принципу программного управления.

Типичная фон-неймановская ВМ (рис. 1.3) содержит: память, устройство управ-

ления, арифметико-логическое устройство и устройство ввода/вывода.

В ней между взаимодействующими устройствами (процессор, память, устройство ввода/вывода) имеются непосредственные связи.

Особенности связей (число линий в шинах, пропускная способность и т. п.) опре-

деляются видом информации, характером и интенсивностью обмена.

Достоинством архитектуры с непосредственными связями можно считать возможность развязки «узких мест» путем улучшения структуры и характеристик только определенных связей, что экономически может быть наиболее выгодным решением.

Недостаток: У фон-неймановских ВМ таким «узким местом» является канал пересылки данных между ЦП и памятью, и «развязать» его достаточно непросто [56].

Другое название - бутылочное горло архитектуры фон-Неймана.

Кроме того, ВМ с непосредственными связями плохо поддаются реконфигурации.

В варианте с общей шиной все устройства вычислительной, машины подключе-

ны к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд,

данных и управления (рис. 1.4).

Достоинство Наличие общей шины существенно упрощает реализацию ВМ, позволяет легко менять состав и конфигурацию машины. Благодаря этим свойствам шинная архитектура получила широкое распространение в мини и микроЭВМ.

Пример. ПК - по архитектуре с общей шиной.

Вместе с тем, именно с шиной связан и основной недостаток архитектуры: в каждый момент передавать информацию по шине может только одно

устройство. Основную нагрузку на шину создают обмены между процессором и

памятью, связанные с извлечением из памяти команд и данных и записью в па-

мять результатов вычислений. На операции ввода/вывода остается лишь часть

пропускной способности шины. Практика показывает, что даже при достаточно

быстрой шине для 90% приложений этих остаточных ресурсов обычно не хватает,

особенно в случае ввода или вывода больших массивов данных.

Как видим в обоих типах архитектур узким местом является шина. (канал передачи данных, команд, управляющей информации).

Как можно попытаться «расшить» шину?

Например м. попытаться сделать 3 разных шины – для адресов операндов, для данных для самих команд. Недостаток – усложнение архитектуры.

В целом следует признать, что при сохранении фон-неймановской концепции

последовательного выполнения команд программы шинная архитектура в чистом

ее виде оказывается недостаточно эффективной. Более распространена архитек-

тура с иерархией шин, где помимо магистральной шины имеется еще несколько

дополнительных шин. Они могут обеспечивать непосредственную связь между

устройствами с наиболее интенсивным обменом, например процессором и кэш-

памятью. Другой вариант использования дополнительных шин — объединение

однотипных устройств ввода/вывода с последующим выходом с дополнительной

шины на магистральную. Все эти меры позволяют снизить нагрузку на общую шину

и более эффективно расходовать ее пропускную способность.

Дата добавления: 2014-01-07