1.3 Архітектури комп`ютерів
Архітекту́ра фон Неймана - архітектура електронних обчислювальних машин, основною відмінністю якої від інших подібних архітектур є спільне зберігання даних та машинних команд в комірках однієї й тієї ж пам'яті, що унеможливлює їх розрізнення за способом представлення або кодування. Названа так на честь відомого математика та теоретика обчислювальної техніки Джона фон Неймана, та по сьогодні залишається домінуючою схемою організації ЕОМ загального призначення. Обчислювальна машина є машиною з архітектурою фон Неймана, якщо:
Програма та дані зберігаються в одній загальній пам'яті. Це дає можливість виконувати над командами ті ж дії, що і над даними.
Кожна комірка пам'яті машини ідентифікується унікальним номером, який називається адресою.
Різні слова інформації (команди та дані) розрізняються за способом використання, але не за способом кодування та структурою представлення в пам'яті.
Кожна програма виконується послідовно, починаючи з першої команди, якщо немає спеціальних вказівок. Для зміни цієї послідовності використовуються команди переходу.
Рисунок 1.5 – Принцип архітектури фон Неймана
Машина фон Неймана, як і практично кожна сучасна ЕОМ загального призначення, складається з чотирьох основних компонентів:
Арифметико-логічний пристрій (АЛП, англ. arithmetic logic unit), який виконує команди з визначеного набору, який називається системою (набором) команд, над порціями інформації, яка зберігається відокремленій від операційного пристрою пам'яті (хоча сучасні архітектури мають в складі операційного пристрою додаткову пам'ять (зазвичай банк регістрів), в якій операнди зберігаються порівняно короткий час безпосередньо в процесі проведення обчислень.
Пристрій керування процесором (англ. control unit), який організує послідовне виконання алгоритмів, розшифрування команд, які надходять із пристрою пам'яті (див. нижче), реагує на аварійні ситуації та виконує загальні функції керування всіма вузлами обчислювальної машини. Зазвичай АЛП та пристрій керування об'єднуються в структуру, яка називається центральним процесором. Слід звернути увагу, що вимога саме послідовного, в порядку надходження з пам'яті (в порядку зміни адрес в лічильнику команд) виконання команд є принциповою. Архітектури, які не додержуються такого принципу, взагалі не вважаються фон-нейманівськими.
Комп'ютерна пам'ять (англ. primary storage) — масив комірок з унікальними ідентифікаторами (адресами), в яких зберігаються команди та дані. Пристрої вводу/виводу, які забезпечують зв'язок ЕОМ з зовнішнім світом, передають інформацію на переробку в ЕОМ та приймають результати.
Рисунок 1.6 – Принцип Гарвардської архітектури
Га́рвардська архітекту́ра (англ. Harvard architecture) - архітектура обчислювальних машин, головною відмінністю якої від інших подібних архітектур є те, що дані та оператори (алгоритм) зберігаються окремо. Першим комп'ютером, який застосовував гарвардську архітектуру, був Mark I, який експлуатувався в Гарварді (звідки назва архітектури) та зберігав команди окремо на перфокартах, а дані в релейному запам'ятовуючому пристрої. Така структура має одну важливу перевагу над фон-нейманівською архітектурою: дані можна завантажувати для обробки з запам'ятовуючого пристрою одночасно з командами. В фон-нейманівській архітектурі для зв'язку операційного та керувального пристроїв (які разом складають центральний процесор), використовується одна шина, тому необхідно спочатку завантажити в процесор команду, а вже потім, звернувшись по тій же шині за адресою, яка вказана в команді — завантажити дані. Наявність в гарвардській архітектурі двох незалежних підсистем пам'яті з окремими шинами дозволяє вести процес завантаження команд і даних практично паралельно.
Головним недоліком гарвардської архітектури є порівняна з фон-нейманівською складність реалізації. Адже для кожного з запам'ятовуючих пристроїв необхідний свій контролер і своя шина, що зі збільшенням розрядності призводить до зростання кількості з'єднань у системі, і це негативно впливає як на складність проектування, так і на швидкодію. Гарвардська архітектура широко застосовується в спеціалізованих обчислювачах, зокрема в мікроконтролерах та цифрових сигнальних процесорах, де необхідний високоінтенсивний обмін даними. Також за гарвардською архітектурою зазвичай організується кеш-пам'ять в ЕОМ загального призначення, яка розділяється окремо на кеш-пам'ять команд та кеш-пам'ять даних (але, точніше, це стосується внутрішньої організації процесора, а не архітектури ЕОМ).
Відмінність від архітектури фон Неймана
У чистій архітектурі фон Неймана процесор в кожен момент часу може або читати інструкцію, або читати/записувати одиницю даних з/в пам'ять. Обидві дії одночасно відбуватися не можуть, оскільки інструкції і дані використовують один і той же потік (шину). У комп'ютері з використанням гарвардської архітектури процесор може читати інструкції і виконувати доступ до пам'яті даних одночасно, без використання кеш-пам'яті. Таким чином, комп'ютер з гарвардською архітектурою при певній складності схеми працює швидше, ніж комп'ютер з архітектурою фон Неймана, оскільки шини інструкцій і даних розташовані на різних, не пов'язаних між собою фізично, каналах. Виходячи з фізичного поділу шин команд і даних, розрядності цих шин (отже, і адресні простори) можуть мати різні значення і фізично не можуть перетинатися один з одним.