Принцип программного управления и машина Фон-Неймана
Фон Нейман впервые предложил в 40-х годах XX века концепцию хранимой программы, основные принципы которой заключаются в следующем:
Двоичное кодирование: вся информация (как команды, так и данные) кодируется двоичными цифрами 0 и 1, поскольку двоичное кодирование по теории информации близко к оптимальному, а кроме того, легче реализовать элементы с двумя устойчивыми состояниями (магнитные сердечники, триггеры).
Программное управление: команды программы, так же как и данные, хранятся в памяти машины; хранимая программа позволяет выполнять команды в естественном порядке следования либо осуществлять произвольный переход от одной команды к другой.
Однородность памяти: Вид хранимой информации (команды или данные непосредственно в памяти) неразличим, а зависит от последующего использования; команды могут обрабатываться так же, как и числовые данные (модификация команд – сейчас не поощряется), либо порождать в процессе обработки другие команды (трансляция – широко применяется).
Адресность: в команде указываются не сами данные, а адреса их размещения в памяти.
Основные особенности первых машин, построенных по изложенным принципам и называемых сейчас машинами фон неймановского типа, состоят в следующем:
наличие единого вычислительного устройства, включающего один процессор, память и некоторые внешние устройства;
использование линейной структуры адресации памяти со словами фиксированной длины;
централизованный принцип управления выполнением программы по последовательному алгоритму;
низкий уровень машинных команд, позволяющих выполнять только элементарные операции.
Для таких машин «узким» местом», ограничивающим производительность, является память и каналы связи: как данные, так и команды должны последовательно выбираться из памяти и передаваться между устройствами. Для повышения производительности в фон неймановских машинах применяются:
- увеличение разрядности обработки данных (16 бит32 и 64 бит);
- активное использование конвейеризации при выборке и обработке команд;
- активное использование кэш-памяти (Cache – тайник, скрытый), т.е. модулей памяти, которые являются буферными между процессором и оперативной памятью.
Кроме того, наряду с Принстонской архитектурой, подразумевающей хранение команд и данных в общей памяти, распространяется Гарвардская архитектура, использующая раздельное хранение команд и данных.
Развитие компьютерной архитектуры. Шинная организация ЭВМ.
Структура ЭВМ с шинной организацией показана на рис. 1.5.
Данная организация ЭВМ предложена для разгрузки шины, связывающей процессор с памятью, и как следствие – повышения производительности и надежности работы ЭВМ.
Рис. 1.5
При такой организации используются различные магистрали для связи ЦП с памятью и с внешними устройствами. Соответственно, используются различные адресные пространства для обращения к памяти и ВУ. Это требует выделения специальной группы команд ввода- вывода в системе команд процессора:
ADD AX, 100 ; адресуется ячейка памяти 100
IN AX, 100 ; адресуется внешнее устройство с номером 100
Шина прямого доступа к памяти (ПДП) используется для связи ВУ и памяти без участия процессора.
Принципы организации современных компьютеров.
Двоичное кодирование: вся информация (как команды, так и данные) кодируется двоичными цифрами 0 и 1, поскольку двоичное кодирование по теории информации близко к оптимальному, а кроме того, легче реализовать элементы с двумя устойчивыми состояниями (магнитные сердечники, триггеры).
Программное управление: команды программы, так же как и данные, хранятся в памяти машины; хранимая программа позволяет выполнять команды в естественном порядке следования либо осуществлять произвольный переход от одной команды к другой.
Однородность памяти: Вид хранимой информации (команды или данные непосредственно в памяти) неразличим, а зависит от последующего использования; команды могут обрабатываться так же, как и числовые данные (модификация команд – сейчас не поощряется), либо порождать в процессе обработки другие команды (трансляция – широко применяется).
Адресность: в команде указываются не сами данные, а адреса их размещения в памяти.
Структура ЦП с одношинной внутренней организацией
Такт 1: По шине передается операнд 1 в регистр А.
Такт 2: По шине передается операнд 2 в регистр В.
Такт 3: Выполнение операции в АЛУ, запись результата в регистр С.
Такт 4: По шине передается результат из регистра С в РОН.
Структура ЦП с двухшинной внутренней организацией.
Такт 1: По шине 1 передается операнд 1 в регистр А.
Такт 2: На вход АЛУ по шине 1 подается операнд 2 и операнд 1 из регистра А.
Такт 3: По шине 2 записывается результат в РОН.
Структура ЦП с трёхшинной внутренней организацией.
Вычисление производятся за один такт. На шину 1 выставляется операнд 1, на шину 2 – операнд 2 и результат записывается по шине 3 в РОН