Понятие архитектуры ЭВМ

Архитектура ЭВМ – это представление ЭВМ на общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти. Архитектура определяет принцип действия ЭВМ или ее программную модель. Архитектура не включает в себя описаний деталей технического и физического устройства ЭВМ Основные компоненты архитектуры: процессор, внутренняя память, внешняя память, подсистема ввода-вывода. В отличие от структуры архитектура учитывает и программные средства.

Архитектура ЭВМ – это организационные принципы работы ЭВМ.

Структура ЭВМ – это состав аппаратных средств, т.е. совокупность функциональных элементов и связей между ними. Структура ЭВМ представляется в виде структурных схем, которые могут описывать устройство ЭВМ на любом уровне детализации, от основных логических узлов до отдельных схем.

Впервые основы архитектуры ЭВМ заложил фон Нейман в 1945 году. Архитектура фон Неймана показана на рис.1.1.2.

Рис.1.1.2. Архитектура фон Неймана

Архитектура фон Неймана – это архитектура ЭВМ, имеющей одно АЛУ, через которое проходит поток данных, и одно УУ, через которое проходит поток команд.

Принципы архитектуры фон-Неймана:

1. Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Выборка программы из памяти производится с помощью счетчика команд (регистра команд). Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. Команды в памяти располагаются последовательно в соответствии с программой, поэтому выборка команд из памяти происходит последовательно. Если после выполнения команды надо перейти не к следующей команде, а к другой, используются команды условного или безусловного перехода, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду.

2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной памяти. ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, что и над данными.

3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, процессору в произвольный момент доступна любая ячейка. Следовательно, можно давать имена областям памяти, чтобы к хранящимся данным можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы.

ЭВМ, построенные на этих принципах, называются фон-неймановскими. К этому типу относятся большинство современных ПК, в частности ПК фирмы INTEL.

С развитием ЭВМ принципы архитектуры фон-Неймана расширялись и дополнялись В основном, эти изменения сводятся к следующему:

- слова имеют разную длину, но необходимо в команде указывать длину слова;

- раньше программист должен был заранее определять назначения слов и жестко распределять пространство памяти. В современных ЭВМ потоки команд и данных могут перераспределяться по всему полю памяти, поэтому для команд выделяют отдельные области памяти (сегменты) и в пределах сегмента команды идут последовательно. Слова сопровождаются специальными описателями (тегами), указывающими вид слова;

- усложнились способы адресации. Раньше адрес указывался прямо в команде, сейчас он отсчитывается от какой-либо точки адресного пространства. Структура команд стала сложной и включает сведения о способах адресации;

- появились суперскалярные процессоры (PENTIUM), это процессоры с несколькими конвейерами команд. В этих процессорах осуществляется параллельная обработка информации, когда в каждый момент времени одна команда считывается, другая декодируется и т.д., и всего в обработке находится несколько команд. Скалярная обработка не нарушает принцип последовательности фон-Неймана, так как внутри конвейера обработка ведется последовательно.

Классическая архитектура фон-Неймана имеет ряд ограничений. Поскольку команды и данные находятся в одном запоминающем устройстве (ЗУ), на него ложится основная нагрузка, так как нет ничего другого, куда помещались бы операнды. Введение регистров в процессор позволяет не изменяя принципов архитектуры, ускорить процесс, так как в одном из регистров можно хранить операнд и результат операции. При этом, если надо перейти к другой задаче, приходится запоминать содержимое всех регистров.

Введение стека, т.е. специальной безадресной организации памяти, организованной по принципу FIFO (последний вошел, последний вышел) или LIFO (магазинная память, последний вошел – первый вышел) позволяет не формировать адресную часть команды, так как данные в стеке хранятся упорядоченно, а ячейки памяти образуют одномерный массив, соседние ячейки связаны.

Дата добавления: 2014-12-16