2.3. Основи фон-нейманівської архітектури

Значна частина сучасних комп’ютерів функціонує за принципами, сформульованими в середині 1940-х рр. Дж. фон Нейманом. Він виділив пристрої, які мають входити до складу комп’ютера: керуючий; арифметико-логічний; оперативну пам’ять; зовнішню пам’ять (зовніш­ні запам’ятовуючі пристрої, зовнішні носії інфор­мації); введення; виведення.

Роботу універсальної фон-нейманівської ЕОМ у найзагальніших рисах можна описати так.

Програми та дані, що зберігаються на зовнішніх носіях, вводять за допомогою пристроїв введення і пересилають до оперативної пам’яті. Обчислення здійснюють арифметико-логічним пристроєм. Інформацію, що є в оперативній пам’яті, за потреби передають до ариф­метико-логіч­ного пристрою для обробки; проміжні результати об­числень знову пере­дають в оперативну пам’ять. Результати роботи обчис­лювальної машини виводять на зовнішні носії за допомогою пристроїв виведення. Всі операції в ЕОМ здійснюють під управлінням керуючого пристрою.

Можна також виділити такі характерні риси фон-нейманівської архітектури: двійкова система числення; лінійна організація пам’яті, тобто пам’ять фон-нейманівського комп’ютера складається з послідовності однотипних комірок; будь-яка програма має вільний доступ до пам’яті за адресою; програма є послідовністю елементарних команд.

Елементарна команда  це команда, яку розуміє процесор і яку він може виконати безпосередньо. Після реалізації певної команди він по­чи­нає виконувати наступну. У сучасних комп’ютерах арифметико-логіч­ний і керуючий пристрої об’єднані в один, що називають центральним процесором.

Фон-нейманівська архітектура має багато «вузьких місць». Уже наприкінці 1950-х рр. намітилися тенденції відходу від фон-нейманівської архітектури. Зокрема, ці тенденції були пов’язані з розвитком багатопроцесорних систем. Нині можна вважати, що класична фон-нейманів­ська архітектура в основному вичерпала свої можливості.

Типовий центральний процесор фон-нейманівського комп’ютера має таку структуру. Регістри процесора використовують для тимчасового зберігання даних. В одному регістрі можна зберігати 2–4 байти інфор­мації. Кількість розрядів, або бітів, в одному регістрі називають його розрядністю. Регістр адреси пам’яті містить адресу комірки пам’яті, з якої або в яку слід переслати дані. Регістр даних пам’яті містить дані, що мають бути зчитані в оперативну пам’ять. Програмний лічильник містить адресу комірки пам’яті, в якій зберігається команда, що виконується. Регістр команд містить команду, яку слід виконувати.

Типовий цикл виконання команди складається з трьох кроків: вибірки, декодування, безпосереднього виконання. На початку вибору чергової ко­ман­ди в програмному лічильнику міститься її адреса. Цю адресу пересилають до регістра адреси, а керуючий пристрій надсилає до оперативної пам’яті сигнал зчитування. Інформацію, зчитану з оперативної пам’яті, пересилають з пам’яті в регістр даних пам’яті, а звідти  в регістр команд. Аналогічним способом зчитують операнди команди.

Декодування  це перетворення двійкових кодів команд та операндів на послідовність електричних імпульсів, необхідних для виконання команд апаратними засобами. Типовим є мікропрограмне декодування, у разі якого процес декодування визначається мікрокодом. Мікрокод  сукупність правил, що визначають, яка послідовність імпульсів потрібна для виконання тієї чи іншої команди процесора. Цей мікрокод зберігається безпосередньо в процесорі. Його можна розглядати як програму, але програму ще більш низького рівня, ніж машинний код. Він є недоступним ні для користувачів, ні для програмістів, і є прерогативою розробників процесорів. Нарешті, на етапі безпосереднього виконання декодована команда реалізується апаратними засобами.

Робота усіх складових частин процесора синхронізується за допомогою електричних тактових імпульсів, що з певною частотою генерує керуючий пристрій. Час між двома імпульсами називають тактом. Одну команду можна виконати за один або декілька тактів. Тактовою частотою називають кількість тактів, що генеруються за 1 с. Від цієї характеристики істотно залежить швидкодія процесора.

Обмін даними між процесором та оперативною пам’яттю здійснюється через шину пам’яті. Фізично шина складається з певної кількості провідників. Через один провідник можна одночасно передати один біт інформації. Кількість таких провідників називають розрядністю шини. Один провідник інколи називають лінією. Шина пам’яті складається з двох частин: шина даних, адресна шина. Шину даних використовують для передачі даних, адресну шину  для передачі адреси.

Важливим для сучасних процесорів є поняття переривання. Переривання  сигнал, який надходить від якогось пристрою та змушує централь­ний процесор призупинити виконання програми і зайнятися обробкою переривання.