Фон-неймановская архитектура

Большинство совре­менных ВМ по своей структуре отвечают принципу программного управления. Типичная фон-неймановская ВМ содержит: память, устройство управ­ления, арифметико-логическое устройство и устройство ввода/вывода.

 

В любой ВМ имеются средства для ввода программ и данных к ним. Информа­ция поступает из подсоединенных к ЭВМ периферийных устройств ввода. Результаты вычислений выводятся на периферийные устройства вывода. Связь и взаимодействие вычислительной машины и периферийных устройств обеспечивают порты ввода и порты вывода. Терми­ном порт обозначают аппаратуру сопряжения периферийного устройства с ВМ и управления им. Совокупность портов ввода и вывода называют устройством вво­да/вывода (УВВ) или модулем ввода/вывода ВМ (МВБ).

Введенная информация сначала запоминается в основной памяти, а затем пе­реносится во вторичную память, для длительного хранения. Чтобы программа могла выполняться, команды и данные должны располагаться в основной памяти (ОП), организованной таким образом, что каждое двоичное слово хранится в от­дельной ячейке, идентифицируемой адресом, причем соседние ячейки памяти имеют следующие по порядку адреса. Доступ к любым ячейкам запоминающего устройства (ЗУ) основной памяти может производиться в произвольной последо­вательности. Такой вид памяти известен как память с произвольным доступом. ОП современных ВМ в основном состоит из полупроводниковых оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), обеспечивающих как считывание, так и запись информации. Для таких ЗУ характерна энергозависимость — хранимая информа­ция теряется при отключении электропитания. Если необходимо, чтобы часть ос­новной памяти была энергонезависимой, в состав ОП включают постоянные за­поминающие устройства (ПЗУ), также обеспечивающие произвольный доступ. Хранящаяся в ПЗУ информация может только считываться (но не записываться).

Размер ячейки основной памяти обычно принимается равным 8 двоичным раз­рядам — байту. Для храпения больших чисел используются 2,4 или 8 байтов, раз­мещаемых в ячейках с последовательными адресами. В этом случае за адрес числа часто принимается адрес его младшего байта. Так, при хранении 32-разрядного числа в ячейках с адресами 200, 201, 202 и 203 адресом числа будет 200.

Для долговременного хранения больших программ и массивов данных в ВМ обыч­но имеется дополнительная память, известная как вторичная. Вторичная память энер­гонезависима и чаще всего реализуется на базе магнитных дисков. Информация в ней хранится в виде специальных программно поддерживаемых объектов — файлов (согласно стандарту ISO, файл — это «идентифицированная совокупность экземп­ляров полностью описанного в конкретной программе типа данных, находящихся вне программы во внешней памяти и доступных программе посредством специ­альных операций»).

Устройство управления (УУ) — важнейшая часть ВМ, организующая автома­тическое выполнение программ (путем реализации функций управления) и обес­печивающая функционирование ВМ как единой системы. Для пояснения функ­ций УУ ВМ следует рассматривать как совокупность элементов, между которыми происходит пересылка информации, в ходе которой эта информация может под­вергаться определенным видам обработки. Пересылка информации между любы­ми элементами ВМ инициируется своим сигналом управления (СУ), то есть управ­ление вычислительным процессом сводится к выдаче нужного набора СУ в нужной временной последовательности. Основной функцией УУ является формирование управляющих сигналов, отвечающих за извлечение команд из памяти в порядке, определяемом програм­мой, и последующее исполнение этих команд. Кроме того, УУ формирует СУ для синхронизации и координации внутренних и внешних устройств ВМ.

Еще одной неотъемлемой частью ВМ является арифметико-логическое устрой­ство (АЛУ). АЛУ обеспечивает арифметическую и логическую обработку двух входных переменных, в результате которой формируется выходная переменная. Функции АЛУ обычно сводятся к простым арифметическим и логическим опера­циям, а также операциям сдвига. Помимо результата операции АЛУ формирует ряд признаков результата (флагов), характеризующих полученный результат и со­бытия, произошедшие в процессе его получения (равенство нулю, знак, четность, перенос, переполнение и т. д.). Флаги могут анализироваться в УУ с целью приня­тия решения о дальнейшей последовательности выполнения команд программы.

УУ и АЛУ тесно взаимосвязаны и их обычно рассматривают как единое уст­ройство, известное как центральный процессор (ЦП) или просто процессор. Поми­мо УУ и АЛУ в процессор входит также набор регистров общего назначения (РОН), служащих для промежуточного хранения информации в процессе ее обработки.

Упрощенная структура ЭВМ представлена на рис. 1.1 ЭВМ содержит следующие основные устройства: арифметико-логическое устройство, память, управляющее устройство, устройство ввода данных в машину, устройство вывода из нее результатов расчета и пульт ручного управления.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) производит арифметические и логические преобразования над поступающими в него машинными словами, т. е. кодами определенной длины, представляющими собой числа или другой вид информации.

Память хранит информацию, передаваемую из других устройств, в том числе поступающую в машину извне через устройство ввода, и выдает во все другие устройства информацию, необходимую для протекания вычислительного процесса. Память машины в большинстве случаев состоит из двух существенно отличающихся по своим характеристикам частей: быстродействующей основной или оперативной (внутренней) памяти (ОП) и сравнительно медленно действующей, но способной хранить значительно больший объем информации внешней памяти (ВнП).

Оперативная память содержит некоторое число ячеек, каждая из которых служит для хранения машинного слова или его части. Ячейки нумеруются, номер ячейки называется адресом.

В запоминающих устройствах, реализующих в ЭВМ функцию памяти, выполняются операции считывания хранимой информации для передачи в другие устройства и записи информации, поступающей из других устройств. При считывании слова из ячейки содержимое последней не меняется и при необходимости слово может быть снова взято из той же ячейки. При записи хранившееся в ячейке слово стирается и его место занимает новое.

Непосредственно в вычислительном процессе участвует только ОП, и лишь после окончания отдельных этапов вычислений из ВнП в ОП передается информация, необходимая для следующего этапа решения задачи.

Рис. 1.1 Структура ЭВМ

Управляющее устройство (УУ) автоматически без участия человека управляет вычислительным процессом, посылая всем другим устройствам сигналы, предписывающие им те или иные действия, в частности включает АЛУ на выполнение нужной операции.

Автоматическое управление процессом решения задачи достигается на основе принципа программного управления, являющегося основной особенностью ЭВМ.

Другим важнейшим принципом является принцип хранимой в памяти программы. Согласно этому принципу команды программы, закодированные в цифровом виде, хранятся в памяти наравне с числами. В команде указываются не сами участвующие в операциях числа, а адреса ячеек ОП, в которых они находятся, и адрес ячейки, куда помещается результат операции.

Поскольку программа хранится в памяти, одни и те же команды могут нужное число раз извлекаться из памяти и выполняться. Более того, так как команды представляются в машине в форме чисел, то над командами как над числами машина может производить операции (“модификации команд”).

Команды выполняются в порядке, соответствующем их расположению в последовательных ячейках памяти, кроме команд безусловного и условного переходов, изменяющих этот порядок соответственно безусловно или только при выполнении некоторого условия, обычно задаваемого в виде равенства нулю, положительного или отрицательного результата предыдущей команды или отношения типа >, =, < для указываемых командой чисел. Именно благодаря наличию команд условного перехода ЭВМ может автоматически изменять соответствующим образом ход вычислительного процесса, решать сложные логические задачи.

Перед решением задачи на ЭВМ программа и исходные данные должны быть помещены в ее память. Предварительно эта информация обычно заносится во внешнюю память. Затем при помощи устройства ввода программа и исходные данные считываются в ОП.

Устройство вывода служит для выдачи из машины результатов расчета, например, путем печатания их на печатных устройствах или отображения на экране дисплея. При помощи пульта управления оператор пускает и останавливает машину, а при необходимости может вмешиваться в процесс решения задачи.

Представленная на рис. 1.1 структура (модель) вычислительной машины, получившая название фоннеймановской, благодаря ее изящной простоте и большой гибкости при управлении вычислительным процессом с самых первых шагов электронной вычислительной техники и по сей день доминирует при построении различных ЭВМ.

Однако в последние годы конструкторы ЭВМ, стремясь достигнуть существенного повышения их производительности, в ряде случаев отходят от модели фон Неймана.

Приведем один из примеров. В фоннеймановской машине с общей памятью для данных и команд имеется всего одна шина (магистраль) для передачи из памяти в другие устройства команд и данных, что ведет к снижению скорости работы ЭВМ.

Возможно построение машины с отдельными памятями и шинами для хранения и передачи команд и данных, допускающей параллельное во времени извлечение их из памяти и передачу по шинам. Такая структура (модель) получила название гарвардской, так как была реализована впервые в 1944 г. в Гарвардском университете (США) в ранней релейной вычислительной машине, предшествовавшей появлению электронных вычислительных машин. Гарвардская модель реализована, в частности, в некоторых микропроцессорах.

П – процессор