1.3. Понятие об архитектуре и структуре эвм

Аппаратные средства вычислительной техники (ВТ) строятся по иерархической схеме (от низших уровней к высшим):

1. Элементарные логические схемы (базовые вентили), в свою очередь построенные на нескольких интегральных транзисторах.

2. Типовые схемотехнические узлы - комбинационные схемы (триггеры, регистры, дешифраторы, одноразрядные и параллельные сумматоры).

3. Функциональные узлы ЭВМ, состоящие из нескольких типовых схем (блок регистров, запоминающее устройство, матричный умножитель, АЛУ и т.д.)

4. Подсистемы ЭВМ (процессор, числовой сопроцессор, контроллер внешнего устройства, система памяти, подсистема ввода-вывода и т.д.)

5. Автономные вычислительные машины.

6. Вычислительные системы, комплексы и сети.

Для описания сложной системы, которую представляет собой вычислительная машина, часто используют 2 понятия: архитектура и структура.

Под архитектурой понимают абстрактное представление о ВМ с точки зрения программиста. Сюда входит описание программных средств, аппаратных средств и принципов организации вычислительного процесса на аппаратных средствах с помощью программных средств. В отличие от архитектуры структуру ВМ можно определить как совокупность аппаратных средств с указанием основных связей между ними.

Архитектура в более широком смысле определяется как концепция взаимосвязи элементов сложной структуры и включает в себя компоненты логической, физической и программной организации ВМ. В более узком смысле архитектура ВМ - это описание ее системы команд для программиста (архитектура системы команд).

Развернутое описание архитектуры должно включать:

• форму представления программ в ВМ и правила их интерпретации;

• основные форматы представления данных;

• способы адресации данных в программе;

• состав аппаратных средств ВМ и их характеристики;

• соотношение и взаимодействие аппаратных и программных средств.

К классическим архитектурам можно отнести, прежде всего, архитектуру фон-Неймана. Вот некоторые из характерных особенностей этой архитектуры:

1. Программное управление вычислительным процессом путем автоматического извлечения команд программы из памяти и последовательного их выполнения.

2. Общая память для программ и данных.

3. Одинаковое кодирование программ и данных.

4. Использование двоичной системы счисления.

5. Арифметическое устройство на базе двоичного сумматора.

6. Иерархическое построение памяти и др.

В

Рис. 1.1

ычислительная машина фон-Неймана на самом общем уровне имеет структуру, представленную на рис. 1.1 Она состоит из центрального процессора (ЦП), запоминающего устройства, образующих процессорное ядро ВМ, и внешних устройств (ВУ), взаимодействующих с ядром через систему ввода-вывода (СВВ). Сам процессор включает устройство управления (УУ), последовательно извлекающее из общей памяти программ/данных команды и управляющее их исполнением, арифметико-логическое устройство (АЛУ) на базе двоичного сумматора, непосредственно исполняющее последовательности простых арифметических и логических операций под управлением УУ.

К

Рис. 1.

лассической архитектурой примерно с середины 70-х годов можно считать и гарвардскую архитектуру. Основным ее отличием от архитектуры фон-Неймана является раздельная память программ и данных. Такая архитектура характерна для управляющих, встраиваемых, специализированных машин, программное обеспечение которых зачастую не меняется с момента изготовления («зашитые» программы), в то время как программа в машине фон-Неймана может даже менять саму себя в процессе работы.

Все остальное многообразие архитектур ВМ можно также отнести к не-фон-неймановским. Многие из них также уже являются почти классическими (как, например, векторные машины). Как правило, основным отличием не-фон-неймановских архитектур является распараллеливание работы, допускаемое ими. Современные ВМ довольно редко полностью соответствуют требованиям классической архитектуры фон-Неймана, тем не менее, одни из них в целом близки к ней, другие - сильно отличаются от «классической» вычислительной машины.