Архитектура эвм по Дж. Фон Нейману
Универсальность ЭВМ вытекает из анализа сформулированных фон Нейманом принципов программного управления: функция ЭВМ задаётся программой, введённой в память ЭВМ, а не аппаратурой ЭВМ. Аппаратура ЭВМ может выполнять только операции из списка машинных операций F. Именно программа задаёт тот порядок, в котором операции должны выполняться для решения задачи (именно программа обеспечивает аранжировку операций). Таким образом, замена программы в памяти легко приводит к изменению функций ЭВМ, реализуемых аппаратурой ЭВМ.
Достоинства и недостатки фон Неймановских машин. Основные достоинства мы уже обсудили - это универсальность. Свойство универсальности является и основным недостатком. Дело в том, что для решения задачи алгоритм разрабатывается человеком и в форме программы загружается в память ЭВМ. Именно программа и несёт в себе всю необходимую для решения задачи информацию. Аппаратура ЭВМ лишь быстро и надёжно (т.е. без ошибок) реализует ее. Следовательно, аппаратура ЭВМ не обладает интеллектом и не может быть помощником человеку при решении интеллектуальных задач.
В связи с этим недостатком уже много лет актуальной является задача пересмотра классических принципов построения ЭВМ и поиск более рациональных. Переход к новым принципам организации ЭВМ специалисты связывают с появлением машин пятого поколения.
К настоящему времени сменилось четыре поколения машин. Все они фон Неймановские по принципу построения: первое поколение — ламповые ЭВМ, второе — ЭВМ на основе полупроводниковых дискретных элементов — транзисторов и интегральных схем (ИС) малой и средней степени интеграции, третье поколение — ЭВМ на основе ИС, четвертое поколение — ЭВМ на основе микропроцессорных больших ИС (БИС). Т.е. смена поколений развивалась по пути совершенствования элементной базы и технологии производства элементов и ЭВМ. Машины пятого поколения должны стать интеллектуальными. Для этого необходимо решить очень сложную проблему — проблему создания искусственного интеллекта. Когда она будет решена, тогда и появятся теоретические основы для создания новых принципов организации аппаратуры ЭВМ. Одна из современных попыток — попытка реализация языка Пролог на аппаратном уровне. Есть много и других попыток, но не очень успешных пока.
Гарвардская архитектура
Еще одна архитектурная идея, связанная с преодолением проблемы семантического разрыва, но теперь в части неразличимости программы и данных, основывается на физическом разделении оперативной памяти на два независимых блока с собственными устройствами управления. Предложенная в Гарвардском университете она получила название «Гарвардская архитектура».
Схема такого процессора приведена на рисунке 6:
Два блока оперативной памяти для хранения программы и данных могут работать параллельно, что важно для конвейерной организации самого процессора. Для предотвращения возможности модификации программы во время выполнения (самомодифицируемые программы), что иногда активно использовалось при программировании в фон-неймановских процессорах, аппаратно запрещена операция записи в область машинного кода.
Такой подход к организации памяти широко используется в настоящее время в микропроцессорах, и в процессорах специального назначения, где чрезвычайно важно сохранить целостность программы, даже при возникновении аппаратной ошибки.