1.1.2. Архитектура эвм

Часто говорят о семействах ЭВМ, то есть группах моделей, совместимых между собой. В пределах одного семейства основные принципы устройства и функционирования машин одинаковы, хотя отдельные модели могут существенно различаться по производительности, стоимости и другим параметрам.

Все машины одного семейства, независимо от их конкретного устройства и фирмы-производителя, должны быть способны выполнять одну и ту же программу (на практике чаще используется другой принцип совместимости снизу вверх: все программы данной модели выполнимы на последующих).

Термин архитектура используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных узлов ЭВМ. К понятию архитектура относят то общее, что есть в строении ЭВМ. При этом учитывают не все сведения о построении ЭВМ, а только те, которые могут как-то использоваться при программировании и  работе пользователя с ЭВМ.

К архитектуре, то есть наиболее общим принципам построения ЭВМ, относятся:

– структура памяти ЭВМ;

– способы доступа к памяти и внешним устройствам;

– возможность изменения конфигурации компьютера;

– система команд;

– форматы данных;

– организация интерфейса.

Схема устройства такой ЭВМ представлена на рисунке

Таким образом, архитектура – это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов.

Фон Нейман предложил хранить программу в двоичном виде (как и данные), причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа.

Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Он подключился к созданию ЭВМ ENIAC в 1944 г., когда ее конструкция была уже определена. В 1946 г. фон Нейман сформулировал идеи принципиально новой ЭВМ: использование двоичной системы для представления чисел и выполнения арифметических и логических операций, принцип хранимой программы (Фон Нейман предложил хранить программу в двоичном виде (как и данные), причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа), структура ЭВМ. Совокупность принципов, предложенных фон Нейманом, были названы фон неймановской архитектурой.

Фон Нейман предложил включить в структуру ЭВМ:

– устройство управления (УУ),

– арифметико-логическое устройство (АЛУ);

– оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);

– внешнее запоминающее устройство (ВЗУ);

– устройство ввода;

– устройство вывода

В современных компьютерах устройство управления и арифметико-логическое устройство объединяются в одном устройстве – процессоре.

В ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в УУ. Его наличие тоже является одним из принципов архитектуры фон Неймана.

Позднее в связи с появлением многопроцессорных вычислительных систем были разработаны различные виды архитектур (например, фон неймановская архитектура предполагает общую память как для данных, так и для команд. В так называемой гарвардской архитектуре предусматривается разделение памяти между командами и данными, что позволяет распараллелить выборку данных из памяти), позволяющие выполнять операции параллельно разными процессорами. В частности, М. Флинном (M. Flynn) в начале 60-х годов ХХ в. была предложена классификация архитектур многопроцессорных вычислительных систем, основанная на обработке потоков данных потоками команд. В ее основу заложено два возможных вида параллелизма:

– независимость потоков заданий (команд, инструкций), существующих в системе, и

– независимость (несвязанность) данных, обрабатываемых в каждом потоке.

Относят то общее: Часто говорят о семействах ЭВМ (все машины одного семейства, независимо от их конкретного устройства и фирмы-производителя, должны быть способны выполнять одну и ту же программу (на практике чаще используется другой принцип совместимости снизу вверх: все программы данной модели выполнимы на последующих)), то есть группах моделей, совместимых между собой. В пределах одного семейства основные принципы устройства и функционирования машин одинаковы, хотя отдельные модели могут существенно различаться по производительности, стоимости и другим параметрам.

Наиб.общ.при.постр.ЭВМ: К архитектуре, то есть наиболее общим принципам построения ЭВМ, относятся:

– структура памяти ЭВМ;

– способы доступа к памяти и внешним устройствам;

– возможность изменения конфигурации компьютера;

– система команд;

– форматы данных;

– организация интерфейса.

Структура ЭВМ:

Фон Нейман предложил включить в структуру ЭВМ:

– устройство управления (УУ) В ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в УУ. Его наличие тоже является одним из принципов архитектуры фон Неймана.

– арифметико-логическое устройство (АЛУ);

– оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);

– внешнее запоминающее устройство (ВЗУ);

– устройство ввода;

– устройство вывода

В современных компьютерах устройство управления и арифметико-логическое устройство объединяются в одном устройстве – процессоре.

Фон Неймановская арх.:

Схема устройства такой ЭВМ представлена на рисунке

Классификация архитектур:

Согласно данной классификации существуют четыре основные архитектуры вычислительных систем:

1) одиночный поток команд – одиночный поток данных (ОКОД)

В английской аббревиатуре – SISD (Single Instruction Single Data). В этот класс попадают все ЭВМ классической структуры.

2) одиночный поток команд – множественный поток данных (ОКМД)

В английской аббревиатуре – SIMD (Single Instruction Multiple Data). Предполагает многопроцессорную систему, в которой процессорные элементы, входящие в систему, идентичны и управляются одной и той же последовательностью команд, но каждый процессор обрабатывает свой поток данных.

3) множественный поток команд – одиночный поток данных (МКОД)

В английской аббревиатуре – MISD (Multiple Instruction Single Data). Предполагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке.

4) множественный поток команд – множественный поток данных (МКМД).

В английской аббревиатуре – MIMD (Multiple histruction Multiple Data). Предполагает, что все процессоры работают по своим программам с собственным потоком команд; в простейшем случае они могут быть автономны и независимы.

Например, фон неймановская архитектура предполагает общую память как для данных, так и для команд. В так называемой гарвардской архитектуре предусматривается разделение памяти между командами и данными, что позволяет распараллелить выборку данных из памяти.

Согласно данной классификации существуют четыре основные архитектуры вычислительных систем:

1) одиночный поток команд – одиночный поток данных (ОКОД),

2) одиночный поток команд – множественный поток данных (ОКМД),

3) множественный поток команд – одиночный поток данных (МКОД),

4) множественный поток команд – множественный поток данных (МКМД).

В английской аббревиатуре – SISD (Single Instruction Single Data). В этот класс попадают все ЭВМ классической структуры.

В английской аббревиатуре – SIMD (Single Instruction Multiple Data). Предполагает многопроцессорную систему, в которой процессорные элементы, входящие в систему, идентичны и управляются одной и той же последовательностью команд, но каждый процессор обрабатывает свой поток данных.

В английской аббревиатуре – MISD (Multiple Instruction Single Data). Предполагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке.

В английской аббревиатуре – MIMD (Multiple histruction Multiple Data). Предполагает, что все процессоры работают по своим программам с собственным потоком команд; в простейшем случае они могут быть автономны и независимы.