3. Нейманівська й гарвардська архітектури засобів обчислювальної техніки їхньої особливості й області застосування.

Архитектура фон Неймана — широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана», они основаны на следующих принципах:

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

• Принцип адресуемости памяти. Основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

• Принцип последовательного программного управления. Предполагает, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

• Принцип жесткости архитектуры. Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.

Такая архитектура реализуется в микропроцессорах, которые используются в вычислительных средствах общего назначения от комплексов рекордной производительности до ноутбуков.

Совместное использование шины для памяти программ и памяти данных приводит к узкому месту архитектуры фон Неймана, а именно ограничению пропускной способности между процессором и памятью по сравнению с объёмом памяти. Из-за того, что память программ и память данных не могут быть доступны в одно и то же время, пропускная способность является значительно меньшей, чем скорость, с которой процессор может работать.

Гарвардская архитектура — архитектура ЭВМ, отличительными признаками которой являются:

1. Хранилище инструкций и хранилище данных представляют собой разные физические устройства.

2. Канал инструкций и канал данных также физически разделены.

В Гарвардской архитектуре характеристики устройств памяти для инструкций и памяти для данных не требуется иметь общими. В частности, ширина слова, тайминги, технология реализации и структура адресов памяти могут различаться. В некоторых системах инструкции могут храниться в памяти только для чтения, в то время как для сохранения данных обычно требуется память с возможностью чтения и записи. В некоторых системах требуется значительно больше памяти для инструкций, чем памяти для данных, поскольку данные обычно могут подгружатся с внешней или более медленной памяти. Такая потребность увеличивает битность (ширину) шины адреса памяти инструкций по сравнению с шиной адреса памяти данных.

Гарвардская архитектура используется в ПЛК и микроконтроллерах, таких, как Microchip PIC, Atmel AVR, Intel 4004, Intel 8051 и обеспечивает большее быстродействие и лучшее соответствие специфике решаемых задач.

4. Використання "твердої" і "програмувальної" логіки. Дуалізм "Програмні засоби - апаратура" у мікропроцесорній техніці.

Существует два принципиально разных подхода к проектированию цифровых устройств: использование принципа схемной логики или использование принципа программируемой логики.

В первом случае в процессе проектирования подбирается некоторый набор цифровых микросхем (обычно малой и средней степени интеграции) и определяется такая схема соединения их выводов, которая обеспечивает требуемое функционирование. Устройства построенные на таком принципе системной логики, способны обеспечивать наивысшее быстродействие при заданном типе технологии элементов. Недостаток этого принципа построения МКУ состоит в невозможности "перестройки" структуры устройств и систем при необходимости изменения или расширения их функциональных возможностей.

Эти обстоятельства заставляют обратится к другому подходу, который предполагает построение с использованием одной или нескольких БИС некоторого универсального устройства, в котором требуемое функционирование обеспечивается занесением в память устройства определенной программы. В зависимости от введенной программы такое универсальное управляющее устройство способно обеспечивать требуемое управление операционным устройством при решении самых различных задач. В этом случае число типов БИС, необходимых для построения управляющего устройства, небольшое, а потребность в БИС каждого типа высока. Это обеспечивает целесообразность их выпуска промышленностью.

Проектирование МКС производится на базе определенных однокристальных микроконтроллеров (ОМК). Разработчикам аппаратуры на основе ОМК недоступен уровень отдельных транзисторов, связей между ними. Микроконтроллер воспринимается как нечто цельное, имеющее различные свойства, заложенные в его архитектуре.

Архитектура МКУ отражает структуру МК, способы представления и форматы данных, набор операций, форматы управляющих слов, способы обращения ко всем доступным для пользователя элементам структуры, реакцию МК на внешние сигналы. Правильный выбор архитектуры дает возможность оптимизировать вычислительный процесс реализации алгоритмов функционирования МКУ на выбранных аппаратурных средствах. В МКУ процесс оптимизации начинается с решения компромиса "программные средства – аппаратура", который заключается в том, что в микропроцессорной технике любое функциональное преобразование может быть осуществлено как программным путём, так и на аппаратных средствах. При этом для реализации любых программных средств необходима аппаратурная поддержка и, наоборот, ни одно из аппаратных средств МКУ не может функционировать без программного обеспечения. Иногда компромис "программные средства – аппаратура" называют дуализмом в микропроцессорной технике.

В МКУ задачи решаются программным путем методами последовательных вычислений, что приводит к большим затратам времени по сравнению с функционированием устройств, реализованных на основе только схемотехнических принципов.