2. Принципы построения эвм и вычислительных систем
2.1. Архитектура фон Неймана
Архитектура фон Неймана в законченном виде опубликована1 в 1945 г. как один из результатов работы над проектом EDVAC самого фон Неймана, Эккерта и Мочли. В основе этой архитектуры лежит идея хранения программы в оперативной памяти. Архитектура основана на следующих приципах:
двоичное кодирование данных и команд программы;
программное управление;
однородность памяти;
адресуемость памяти.
Двоичное кодирование предусматривает представление данных и команд программы в двоичном коде, т.е. с помощью двух цифр 1 и 0. Информация независимо от типа и команды представляются последовательностью битов, находящихся в состоянии 1 и 0, причём уровни сигнала, соответствующего биту могут быть, например, равны 4,5 В и более для единицы и 0,8 В и менее для нуля. Такие единица и ноль называются логическими.
Последовательность битов, имеющая какой-либо законченный смысл называется полем. Использование битов для хранения данных и команд называется форматом.
Например:
целое число без знака представляется 16 битами, которые передают только величину числа;
целое число со знаком представляется также 16 битами, из которых самый старший хранит знак числа, а остальные – абсолютное значение;
последовательность битов, хранящих команду, разбивается на два и более полей, первое из которых хранит код (тип) операции, а остальные хранят параметры, обычно адреса данных, значения данных или адреса передачи управления в программе.
Программное управление предусматривает описание алгоритма последовательностью команд, каждая из которых представляется последовательностью битов. Код операции определяет выполняемое действие, а адресные поля – данные или адреса передачи управления. Одной и той же операции в современных условиях может соответствовать несколько кодов, которые определяют не только тип операции, но и длину и способ использования адресной части команды.
Команды программы выполняются в естественной последовательности (т.е. в порядке их записи), которая может быть изменена командами передачи управления. Передача управления может быть безусловной или приниматься на основании результата вычисления, полученного при выполнении предшествующей команды.
Принцип однородности памяти предусматривает хранение данных и программы в одном и том же запоминающем устройстве1. Поэтому они внешне неразличимы, и над командами могут выполняться арифметические операции, модифицирующие команды. С современной точки зрения модификация команд не приветствуется, а обеспечивающаяся ей возможность выполнения циклических операций с массивами данных достигается другими путями.
Принцип адресуемости памяти предусматривает организацию памяти как множества однотипных устройств, которые называются ячейками2. Эти ячейки для обеспечения доступа к данным и командам имеют номера. Номера ячеек называются адресами.
Классическая структурная схема вычислительной машины, в которой реализованы принципы фон Неймана приведена на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Структурная схема вычислительной машины, реализующая принципы фон Неймана.
Управление машиной осуществляет устройство управления УУ. Программа и данные через устройство ввода-вывода УВВ поступают в запоминающее устройство ЗУ. Устройство управления своими командами побуждает рифметико-логическое устройство АЛУ читать из запоминающего устройства команды программы и данные и выполнять команды программы. По мере выполнения команд получающиеся новые данные поступают в запоминающее устройство. Команды вывода информации поступают в запоминающее устройство и в устройство ввода-вывода, которые выполняют пересылку данных на выход вычислительной машины. Комбинацию АЛУ и УУ современная терминология определяет как центральный процессор. В настоящее время в центральный процессор вводятся специальные устройства памяти на восемь и более битов, которые называются регистрами и предназначены для хранения данных, участвующих в вычислениях, промежуточных результатов и служебной информации.
По мере развития вычислительных машин появились идеи увеличения производительности и объёмов хранимых данных и программ. Это привело к расширению структурной схемы вычислительной машины. Расширенная структурная схема вычислительной машины показана на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Расширенная структурная схема вычислительной машины, реализующая принципы фон Неймана.
Как уже указывалось выше в центральный процессор введена регистровая память. Запоминающее устройство ЗУ получило название "Основная память". Добавилась Вторичная память. Между АЛУ и основной памятью появилась КЭШ-память 1, 2 и 3 уровней. КЭШ-память 1-го уровня входит в центральный процессор. КЭШ 2-го уровня изначально размещался непосредственно около центрального процессора, в последнее время помещается внутри процессора. Кэш 3-го уровня может помещаться в любом месте системной платы, в последнее время также мигрирует внутрь процессора. Устройство ввода-вывода разделилось на множество устройств, называемых портами, которые дополнились периферийными устройствами ввода и вывода.
Появление вторичной памяти вызвано необходимостью длительного хранения программ и данных, имеющих большие объёмы. В них входят различные дисковые, ленточные и FLASH- накопители.
КЭШ-память призвана увеличить производительность вычислительной машины. Как правило, ячейки КЭШ-памяти имеют более высокое быстродействие, чем ячейки основной памяти. Идея кэширования заключается во временном переносе часто запрашиваемых и записываемых данных из вторичной памяти в быстродействующую КЭШ-память. В дальнейшем центральный процессор работает с данными КЭШ-памяти, а при завершении процесса обработки данных кэшированные данные записываются в основную и вторичную память.
Наличие единственного АЛУ определяет последовательный характер обработки данных, из которого следует однозадачность указанной машины. Многозадачность в такой системе достигается посредством её имитации за счёт принудительного распределения процессорного времени между работающими программами и использования фонового режима обработки данных, который предусматривает передачу управления периферийным оборудованием контроллерам внешних устройств, которые являются специализированными управляющими вычислительными машинами.