Глава 7. Аппаратные средства реализации информационных процессов

1. Классическая архитектура эвм и принципы фон Неймана

Архитектура – это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных функциональных узлов.

Основы учения об архитектуре ЭВМ заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман в 1945 году. Эти принципы сводятся к следующему:

1. Основными блоками фон-неймановской машины являются блок управления, арифметико-логическое устройство, память и устройство ввода-вывода (рис. 7.1). Основными блоками являются УУ и АЛУ, объединенные в центральный процессор. Здесь выполняются все вычислительные действия.

2. Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы, называемые словами.

3. Алгоритм представляется в форме последовательности управляющих слов, которые определяют смысл операции. Эти управляющие слова называются командами. Совокупность команд называется программой. Команда состоит из кода операции, определяющего выполняемые действия, и нескольких адресных полей, содержащих указания на места расположения операндов команды. Способ вычисления адреса называется режимом адресации. Множество команд, выполняемых в конкретном типе ЭВМ, образуют её систему команд.

Рис. 7.1. Архитектура для ЭВМ

4. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Слова программы и данные различаются только по способу использования, но не по способу кодирования.

5. Устройство управления и арифметическое устройство обычно объединяются в одно, называемое центральным процессором. Они определяют действия, подлежащие выполнению, путем считывания команд из оперативной памяти. Обработка информации, предписанная алгоритмом, сводится к последовательному выполнению команд в порядке, однозначно определяемом программой.

Разработанные Джоном фон Нейманом принципы архитектуры ЭВМ оказались настолько фундаментальными, что получили название «фон-неймановской архитектуры». Подавляющее большинство современных компьютеров соответствуют этим принципам.

2. Шинная архитектура эвм

Рассмотренная схема фон Неймана соответствует компьютерам первого и второго поколения. В третьем поколении компьютеров переход от ламп и транзисторов к интегральным схемам не просто способствовал уменьшению размеров базовых функциональных узлов ЭВМ, но и создал предпосылки для существенного роста быстродействия процессора. Возникло существенное противоречие между высокой скоростью обработки информации внутри компьютера и медленной работой устройств ввода-вывода. Для освобождения процессора от функций обмена были введены контроллеры, которые можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой вверенного ему внешнего устройства с помощью специальных встроенных программ. Таким образом получен новый принцип архитектуры – шинная архитектура (рис. 7.2). Описанную схему легко дополнять новыми устройствами, что называется принципом открытой архитектуры и для пользователя означает возможность выбирать конфигурацию для своего компьютера.