2.1.4. Понятие архитектуры вычислительной системы
Под архитектурой ЭВМ понимают, прежде всего, основные устройства и блоки ЭВМ, а также структуру связей между ними. С точки зрения архитектуры представляют интерес лишь те связи и принципы, которые являются наиболее общими, присущими многим конкретным реализациям вычислительных систем. Именно, то общее, что есть в строении ЭВМ, и относится к понятию архитектуры. С точки зрения архитектуры важны только те сведения о построении ЭВМ, которые могут как-то использоваться при программировании и «пользовательской» работе с ЭВМ.
& 1 & 1
x
1
y1
.
.
S
R
1 Q
T
.
. . . .
. . . .
. . . .
& n S
R
n Q
T & n
x
n
yn
«запись» «Сброс» «Чтение»
Рис. 2.1.6. Схема n- разрядного регистра хранения с синхронной записью и чтением
Наиболее общие принципы построения ЭВМ, которые относятся к архитектуре:
Структура памяти ЭВМ;
Способы доступа к памяти и внешним устройствам;
Возможность изменения конфигурации компьютера;
Система команд;
Форматы данных;
Организация интерфейса.
Обобщая вышесказанное, можно сказать: «Архитектура ЭВМ – наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие управления работой и взаимодействием ее функциональных устройств.
2.1.5. Классическая архитектура эвм и принципы фон Неймана
Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил великий американский ученый Джон фон Нейман. Он подключился к созданию первой ламповой ЭВМ ENIAC, когда ее конструкция была уже выбрана. Фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. Вместе со своими коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом фон Нейман обосновал использование двоичной системы для представления чисел (раньше все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде). Они продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций.
Еще одной, поистине революционной идеей, является предложенный фон Нейманом принцип «хранимой программы». Он первый догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц в той же памяти, что и обрабатываемые числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.
Внешнее
запоминающее устройство (ВЗУ)
Процессор
Арифметико-
Управляющее Логическое
уст- устройство
ройство (АЛУ)
(УУ)
Уст-во ввода Уст-во вывода
Оперативное запоминающее
устройство (ОЗУ)
Рис.2.1.7. Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана.
Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации,
пунктирные – управляющих сигналов от процессора к остальным устройствам.
Фон Нейман, кроме основополагающих принципов логического устройства ЭВМ, предложил также ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (в последствии объединенные в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода (рис. 2.1.7).
В данной схеме 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 является одним из характерных признаков рассмотренной архитектуры.
Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили название «фон-неймановской архитектуры».