Терминология в области ЭВМ, ВС и комплексов

К настоящему времени среди ЭВМ последовательного типа наибольшее распространение получили два типа архитектур. Принстонская архитектура разработана в Принстонском университете и предполагает единую память для хранения команд и данных. Гарвардская архитектура разработана соответственно в Гарвардском университете и характеризуется отдельной памятью для команд и отдельной — для данных.

Архитектура фон Неймана

В 1946 году трое учёных — Артур Бёркс, Герман Голдстайн и Джон фон Нейман — опубликовали статью «Предварительное рассмотрение логического конструирования электронного вычислительного устройства». В статье был изложен способ представления данных в ЭВМ в двоичном виде. Принципы конструирования ЭВМ, которые описывались в работе ученых, упрощали реализацию выполнения арифметических и логических операций. В то время машины хранили данные в десятичном виде. Идея использования общей памяти для программы и данных позволила реализовать первые компьютеры. Имя фон Неймана было широко известно в науке и принципы, предложенные учеными, получили название «принципы фон Неймана»:

Принцип двоичного кодирования.

Согласно этому принципу компьютеры на электронных элементах должны работать в двоичной системе счисления. Это означает, что любая информация внутри ЭВМ записывается и хранится в двоичной форме. Напомним, что минимальной единицей информацией в двоичной системе счисления является двоичный разряд или бит, принимающий значения 0 или 1. Биты обычно объединяются в группы по 8 разрядов, называемые байтами.

Принцип адресуемости памяти.

Структурно оперативная память состоит из пронумерованных ячеек, номер ячейки называется адресом памяти. Центральному процессору в произвольный момент времени по адресу доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так чтобы к запомненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

Принцип однородности памяти.

В оперативной памяти ЭВМ хранятся и программы, и данные. При этом сущностного различия между программой и данными нет. Центральный процессор может считывать и записывать любую ячейку (область) памяти независимо от того, хранится в ней часть программы или данные. Более того, наличие программы в ОП является необходимым условием ее выполнения. Помещение программы в ОП осуществляется центральным процессором путем считывания ее кода из ВЗУ и записи в ОП. Из принципа однородности памяти следует возможность модификации кода программы во время ее выполнения.

Принцип последовательного программного управления.

Из него следует, что программа состоит из упорядоченного набора команд, которые выполняются центральным процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Сама исполняемая программа хранится в ОП, причем выборка из ОП очередной команды для исполнения осуществляется центральным процессором согласно значению программного счетчика. После выборки из очередной команды значение программного счетчика автоматически увеличивается на длину выбранной команды. Программист может изменять значение программного счетчика командами условных и безусловных переходов, вызова и возврата из подпрограммы, вызова прерывания

Принцип жесткости архитектуры

Архитектура, список команд и топология процессора неизменны в процессе его работы.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относят к типу фон-неймановских. Архитектура фон Неймана — это широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана», однако, соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных. Такое представление отображено на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структура процессора фон-неймановской архитектуры

Рассмотрим основные функции устройств, входящих в состав неймановской модели ЭВМ.

АЛУ – производит арифметические и логические преобразования над поступающими в него машинными словами, т.е. двоичными кодами определенной длины, представляющими собой числа или другой вид информации. Функции АЛУ обычно сводятся к простым арифметическим и логическим операциям, а также операциям сдвига. Помимо результата операции АЛУ формирует ряд признаков результата (флагов), характеризующих результат и события, произошедшие в процессе его получения (=0, знак, четность, перенос, итд.) Флаги могут анализироваться УУ с целью принятия решения о дальнейшей последовательности выполнения команд программы.

Устройство управления (УУ) – автоматически управляет вычислительным процессом, посылая всем другим устройствам сигналы, предписывающие те или иные действия, в частности заставляет ОП пересылать необходимые данные, включать АЛУ на выполнение необходимой операции, перемещать полученный результат в необходимую ячейку ОП. Формирование сигналов синхронизации и координации внутренних и внешних устройств ВМ. Следует иметь в виду, что в современных ЭВМ АЛУ и УУ всегда объединены в одно устройство, которое называется процессор.

ЦП, кроме АЛУ и УУ, может иметь собственную внутреннюю память (блок управляющих регистров; блок регистровой памяти и др.). Информация, хранимая в ОП, непосредственно доступна центральному процессору, т. е. ЦП может произвольно читать и изменять любой участок ОП. В отличие от ОП информация, хранимая во внешней памяти, доступна центральному процессору только через каналы ввода-вывода.

Часть технических средств, включающая объединенные единым управлением ЦП, ОП и КВВ, называется центральной частью ЭВМ. УВВ включают набор различных устройств для ввода и вывода информации, совокупность УВВ называют периферийной частью ЭВМ. 

Память – хранит информацию, передаваемую из других устройств, в том числе поступающую извне через устройство ввода, и выдает во все другие устройства информацию, необходимую для протекания вычислительного процесса. Память состоит из ячеек, каждая из которых служит для хранения одного машинного слова. Номер ячейки называется адресом. В запоминающем устройстве (ЗУ) ЭВМ, реализующем функцию памяти, выполняются операции считывания и записи информации. Причем при считывании информация не разрушается и может считываться любое число раз. При записи прежнее содержимое ячейки стирается. Непосредственно в вычислительном процессе участвует только ОП. Обмен информацией между ОП и ВП происходит только после окончания отдельных этапов вычислений.

Устройство ввода предназначено для ввода информации в ЭВМ. Ввод информации осуществляется либо с клавиатуры, либо с помощью сканера, либо речевым или другим способом.

Устройство вывода служит для выдачи из машины результатов расчета, например, путем печатания их на печатающих устройствах (ПУ), отображения на экране дисплея или выдачи в канал связи. Чаще всего это символьная информация, которая выводится с помощью печатающих устройств или на экран дисплея. В ряде случаев это графическая информация в виде чертежей и рисунков, которые могут быть выведены с помощью графических дисплеев, графопостроителей, принтеров, и т.д.

Принципы фон Неймана выражаются следующими правилами построения ЭВМ:

1. ЭВМ состоит из трех  основных компонент: процессор, память  и устройства ввода-вывода (УВВ).

2. Информация, которую обрабатывает  ЭВМ, делится на два типа: команды  и данные.

3. И команды, и данные  вводятся и хранятся в памяти  Оперативного Запоминающего Устройства (ОЗУ).

4. Устройство управления (УУ) читает команды из ОЗУ и выполняет их, а арифметико-логическое устройство (АЛУ) проводит арифметические и логические операции с данными.

5. С процессором и ОЗУ  связаны устройства ввода-вывода (УВВ).

Развитие принципов фон Неймана в конкретных реализациях направлено на повышение производительности, эффективности, надежности и других показателей качества вычислительной системы. Например, повысить эффективность использования вычислительных ресурсов системы удалось с помощью введения мультипрограммирования. В рамках фон-неймановской модели это означало создание и поддержание множества копий программных счетчиков. Мультипрограммирование может быть реализовано как в однопроцессорной, так и в мультипроцессорной системах. Каждый из программных счетчиков связан со своей программой, а изменения значений счетчиков могут происходить упорядоченно (в однопроцессорной системе) или асинхронно (в мультипроцессорном варианте). Другой пример. Уменьшить время обращения к памяти системы удалось, обеспечив возможность одновременной выборки данных и команд благодаря логическому и физическому разнесению памяти команд и данных. Такая архитектура памяти получила название гарвардской, так как впервые была реализована в 1944 г. в Гарвардском университете при создании релейной ЭВМ.

Гарвардская архитектура — архитектура ЭВМ, отличительным признаком которой является раздельное хранение и обработка команд и данных. Архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете.

В 30-х годах правительство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать архитектуру ЭВМ для военно-морской артиллерии. Победила разработка Принстонского университета (более известная как архитектура фон Неймана, названная так по имени разработчика, первым предоставившего отчет об архитектуре), так как она была проще в реализации. Гарвардская архитектура использовалась советским учёным А. И. Китовым в М-100 (ВЦ-1 МО СССР, 1958)..

Классическая гарвардская архитектура

Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата. Идея, реализованная Эйкеном, заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных. В первом компьютере Эйкена «Марк I» для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие.

Модифицированная гарвардская архитектура

Соответствующая схема реализации доступа к памяти имеет один очевидный недостаток — высокую стоимость. При разделении каналов передачи команд и данных на кристалле процессора последний должен иметь почти в два раза больше выводов (так как шины адреса и данных составляют основную часть выводов микропроцессора). Способом решения этой проблемы стала идея использовать общую шину данных и шину адреса для всех внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину команд и две шины адреса. Такую концепцию стали называть модифицированной Гарвардской архитектурой. Такой подход применяется в современных сигнальных процессорах. Еще дальше по пути уменьшения стоимости пошли при создании однокристальных ЭВМ — микроконтроллеров. В них одна шина команд и данных применяется и внутри кристалла. Разделение шин в модифицированной Гарвардской структуре осуществляется при помощи раздельных управляющих сигналов: чтения, записи или выбора области памяти.

Расширенная гарвардская архитектура

Часто требуется выбрать три составляющие : два операнда и инструкцию (в алгоритмах цифровой обработки сигналов это наиболее распространенная задача в БПФ и КИХ, БИХ фильтрах). Для этого существует кэш-память. В ней может храниться инструкция — следовательно, обе шины остаются свободными и появляется возможность передать два операнда одновременно. Использование кэш-памяти вместе с разделёнными шинами получило название «Super Harvard Architecture» («SHARC») — расширенная Гарвардская архитектура. Примером могут служить процессоры «Analog Devices»: ADSP-21xx — модифицированная Гарвардская Архитектура, ADSP-21xxx(SHARC) — расширенная Гарвардская Архитектура.

Гибридные модификации с архитектурой фон Неймана 

Существуют гибридные модификации, сочетающие достоинства как Гарвардской, так и фон-неймановской архитектуры. Современные CISC-процессоры обладают раздельной кэш-памятью 1-го уровня для инструкций и данных. Это позволяет им за один такт получать одновременно как команду, так и данные для её выполнения, то есть процессорное ядро, формально, является гарвардским, но с программной точки зрения выглядит как фон-неймановское, что упрощает написание программ. Обычно в данных процессорах одна шина используется и для передачи команд, и для передачи данных, что упрощает конструкцию системы. Современные варианты таких процессоров могут содержать встроенные контроллеры сразу нескольких разнотипных шин для работы с различными типами памяти. Например, память DDR и Flash. В этом случае, шины используются и для передачи команд, и для передачи данных без разделения. Такие процессоры больше относятся к фон-неймановской архитектуре, при сохранении достоинств гарвардской архитектуры.

Постнеймановская архитектура

В настоящее время различают архитектуру больших универсальных компьютеров-мейнфреймов (IBM 360/370) и архитектуру мини-, микро- и персональных компьютеров.

Особенностью универсальных компьютеров является параллельная и асинхронная работа процессора и специализированных процессоров ввода- вывода - каналов ввода-вывода. Каналы ввода-вывода полностью управляют всеми периферийными устройствами. Взаимодействие периферийных устройств с каналами и каналов с процессором обеспечивается системой прерывания. Если при выполнении программы возникает необходимость в работе периферийного устройства, то процессор инициализирует канал на выполнение данной операции, после чего продолжает выполнять основную программу. О завершение своей работы канал сообщает процессору прерыванием. Такая архитектура наиболее эффективная в понимании быстродействия, но требует больших аппаратных затрат (каналы ввода- вывода по своей архитектуре более сложные чем процессор), сложного управления и имеют более низкую архитектурную надежность.