10. Организация обмена информацией в микропроцессорной системе. Принстонская архитектура (принципы построения, место применения).

Чаще всего, в подавляющем большинстве современных компьютеров, включая ПК и сложные многопроцессорные комплексы, реализована архитектура с общей, единой шиной для данных и команд (одношинная, или принстонская, фон-неймановская архитектура) [1]. Эта архитектура была представлена американским математиком Джоном фон-Нейманом еще в 1945 году и имеет следующие основные признаки. Машина состоит из процессора (блока управления и арифметико-логического устройства (АЛУ)), памяти и устройств ввода/вывода (рис. 1.15). В основе архитектуры лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений, состоящей из последовательности управляющих слов – команд. Один из важнейших принципов конструирования МС предложенный фон Нейманом – принцип хранимой программы был впервые реализован в Англии в 1949 году в машине EDSAC и используется и в современных компьютерах. Этот принцип требует, чтобы программа вводилась в память компьютера так же, как в нее вводятся данные, т.е. и команды и данные хранятся в одной и той же памяти.

Выполняемые действия определяются процессором, который выбирает и исполняет команды из памяти последовательно, адрес очередной команды задается "счетчиком команд" в блоке управления. Этот принцип исполнения называется последовательной передачей управления. Данные, с которыми работает программа, могут включать переменные – именованные области памяти, в которых сохраняются значения с целью дальнейшего использования в программе. Для доступа к программам, командам и данным используются их адреса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти ЭВМ. Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию, местонахождение (адреса) данных (операндов) и ряд служебных признаков. Операнды – переменные, значения которых участвуют в операциях преобразования данных. Список (массив) всех переменных (входных данных, промежуточных значений и результатов вычислений) является еще одним неотъемлемым элементом любой программы. Архитектура с общей шиной (принстонская, фон-неймановская) проще, она не требует от процессора одновременного обслуживания двух шин, контроля обмена по двум шинам сразу. Наличие единой памяти данных и команд позволяет гибко распределять ее объем между кодами данных и команд. Например, в некоторых случаях нужна большая и сложная программа, а данных в памяти надо хранить не слишком много. В других случаях, наоборот, программа требуется простая, но необходимы большие объемы хранимых данных. Перераспределение памяти не вызывает никаких проблем, главное – чтобы программа и данные вместе помещались в памяти системы. Как правило, в системах с такой архитектурой память бывает довольно большого объема (до десятков и сотен мегабайт). Это позволяет решать самые сложные задачи.При единственной шине команд и данных процессор вынужден по одной этой шине принимать данные (из памяти или устройства ввода/вывода) и передавать данные (в память или в устройство ввода/вывода), а также читать команды из памяти. Естественно, одновременно эти пересылки кодов по магистрали происходить не могут, они должны производиться по очереди. Современные процессоры способны совместить во времени выполнение команд и проведение циклов обмена по системной шине. Использование конвейерных технологий и быстрой кэш-памяти позволяет им ускорить процесс взаимодействия со сравнительно медленной системной памятью. Повышение тактовой частоты и совершенствование структуры процессоров дают возможность сократить время выполнения команд. Но дальнейшее увеличение быстродействия системы возможно только при совмещении пересылки данных и чтения команд, то есть при переходе к архитектуре с двумя шинами.