Классификация Архитектур процессоров

Архитектура фон Неймана

Архитектура фон Неймана (англ. Von Neumann architecture) — 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.

Принципы фон Неймана

В 1946 году группа учёных во главе с Джоном фон Нейманом (Герман Голдстайн, Артур Беркс) опубликовали статью «Предварительное рассмотрение логической конструкции Электронно-вычислительного устройства». В статье обосновывалось использование двоичной системы для представления данных в ЭВМ (преимущественно для технической реализации, простота выполнения арифметических и логических операций. До этого машины хранили данные в десятеричном виде)[1], выдвигалась идея использования программами общей памяти. Имя фон Неймана было достаточно широко известно в науке того времени, что отодвинуло на второй план его соавторов, и данные идеи получили название «Принципы фон Неймана».

 

1. Принцип использования двоичной системы счисления для представления данных и команд.

2. Принцип программного управления.

Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за

другом в определенной последовательности.

3. Принцип однородности памяти.

Как программы (команды), так и данные хранятся в одной и той же памяти (и

кодируются в одной и той же системе счисления — чаще всего двоичной). Над

командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

4. Принцип адресуемости памяти.

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в

произвольный момент времени доступна любая ячейка.

5. Принцип последовательного программного управления

Все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после

завершения другой.

6. Принцип условного перехода.

Сам принцип был сформулирован задолго до фон Неймана Адой Лавлейз и Чарльзом

Бебиджем, однко он добавлен в общую архитектуру.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относят к типу фоннеймановских.

Компьютеры, построенные на принципах фон Неймана

В середине 1940-х проект компьютера, хранящего свои программы в общей памяти был разработан в

Муровской школе электрических разработок (англ. The Moore School of Electrical Engineering) в

Университете штата Пенсильвания (англ. The University of Pennsylvania). Подход, описанный в этом

документе, стал известен как архитектура фон Неймана, по имени единственного из названных

авторов проекта Джона фон Неймана, хотя на самом деле авторство проекта было коллективным.

Архитектура фон Неймана решала проблемы, свойственные компьютеру «ЭНИАК», который

создавался в то время, за счёт хранения программы компьютера в его собственной памяти.

Информация о проекте стала доступна другим исследователям вскоре после того, как в 1946 году было объявлено о создании «Эниака». По плану предполагалось осуществить проект силами Муровской школы в машине EDVAC, однако до 1953 года EDVAC не был запущен из-за технических трудностей в создании надёжной компьютерной памяти. Другие научно-исследовательские институты, получившие копии проекта, сумели решить эти проблемы гораздо раньше группы разработчиков из Муровской школы и реализовали их в собственных компьютерных системах. Первыми 5 компьютерами, в которых были реализованы основные особенности архитектуры фон Неймана, были:

• «Манчестерский Марк I». Прототип («Манчестерское дитя») Университет Манчестера (англ.

The University of Manchester) Великобритания, 21 июня 1948 года;

• EDSAC. Кембриджский университет (англ. The Cambridge University). Великобритания, 6 мая

1949 года;

• BINAC. США, апрель или август 1949 года;

• CSIR Mk 1. Австралия, ноябрь 1949 года;

• SEAC. США, 9 мая 1950 года.__

Гарвардская Архитектура

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.

Дело в том, что, судя по опыту использования МПС для управления различными объектами, для реализации большинства алгоритмов управления такие преимущества фон-неймановской архитектуры как гибкость и универсальность не имеют большого значения. Анализ реальных программ управления показал, что необходимый объем памяти данных МК, используемый для хранения промежуточных результатов, как правило, на порядок меньше требуемого объема памяти программ. В этих условиях

использование единого адресного пространства приводило к увеличению формата команд за счет увеличения числа разрядов для адресации операндов. Применение отдельной небольшой по объему памяти данных способствовало сокращению длины команд и ускорению поиска информации в памяти данных.

Кроме того, гарвардская архитектура обеспечивает потенциально более высокую скорость

выполнения программы по сравнению с фон-неймановской за счет возможности реализации параллельных операций. Выборка следующей команды может происходить одновременно с выполнением предыдущей, и нет необходимости останавливать процессор на время выборки команды.

Этот метод реализации операций позволяет обеспечивать выполнение различных команд за одинаковое число тактов, что дает возможность более просто определить время выполнения циклов и критичных участков программы.

Большинство производителей современных 8-разрядных МК используют гарвардскую архитектуру.

 

История

В 30-х годах правительство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать архитектуру компьютера 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 не использовалась вплоть до конца 70-х годов.