Понятие архитектуры и структуры эвм
Совокупность функций ЭВМ можно разделить на основные и дополнительные.
Основные функции определяют назначение ЭВМ: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами. Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций: обеспечивают эффективные режимы ее работы, диалог с пользователем, высокую надежность и др. Все функции ЭВМ реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных (hardware) и программных (software) средств.
Под архитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющих функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих классов задач.
Архитектура ЭВМ охватывает широкий круг проблем, связанных с построением комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих множество факторов. Среди этих факторов важнейшими являются: сфера применения, функциональные возможности, удобство эксплуатации, стоимость. Основные компоненты архитектуры ЭВМ можно представить в виде схемы, показанной на рис. 3.7. Одним из главных компонентов архитектуры являются аппаратные средства.
Архитектуру ЭВМ следует отличать от её структуры. Структура (конфигурация) ЭВМ определяет её конкретный состав на некотором уровне детализации (устройства, блоки или узлы и т.д.) и описывает связи внутри ЭВМ во всей их полноте. Архитектура же определяет правила взаимодействия составных частей ЭВМ. Она регламентирует не все связи, а наиболее важные, которые должны быть известны для более грамотного использования ЭВМ.
Рис. 3.7. Основные компоненты архитектуры ЭВМ.
Так пользователю ЭВМ безразлично, на каких элементах выполнены электронные схемы, схемно или программно реализуются команды и т.д. Важно другое: система команд, режимы адресации, форматы данных, набор программно-доступных регистров, т.е. как те или иные структурные особенности ЭВМ связаны с возможностями, предоставляемыми пользователю, как связаны между собой характеристики отдельных устройств, входящих в состав ЭВМ, и какое влияние они оказывают на общие характеристики компьютера. Иными словами, архитектура ЭВМ отражает круг проблем, относящихся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их программного обеспечения.
Несмотря на то, что современные ЭВМ внешне не имеют ничего общего с первыми моделями, основополагающие идеи, заложенные в них и связанные с понятием алгоритма, разработанные Аланом Тьюрингом, а также архитектурной реализацией, предложенной Джоном фон Нейманом (1903-1957 гг.) в 1945 для машины ENIAC, пока не претерпели коренных изменений (за исключением систем параллельной обработки информации).
Основные принципы архитектуры фон Неймана состоят в следующем.
1) ЭВМ состоит из устройства управления, арифметико-логического устройства (в современных ЭВМ АЛУ и УУ объединены в общее устройство, называемое центральным процессором), запоминающего устройства (памяти) и устройства ввода-вывода.
2) Память состоит из ячеек, имеющих каждая свой адрес. Каждая ячейка хранит команду программы или некоторую единицу обрабатываемой информации (операнд), причём и команда и операнд выглядят одинаково, в виде двоичного кода.
3) Арифметико-логическое устройство имеет набор быстродействующих ячеек памяти, которые называются регистрами процессора. Обработка информации, происходит только в этих регистрах. Информацию в процессор можно ввести из любой ячейки памяти или внешнего устройства и, наоборот, можно направить из процессора в любую ячейку или на внешнее устройство.
4) В любой момент процессор выполняет одну команду программы, адрес которой находится в специальном регистре процессора – счётчике (указателе) команд. В команде определяются не только предписания о том, над какими операндами надо выполнить какую операцию и куда положить результат, но и как изменить содержимое счётчика команд, чтобы знать, откуда взять для выполнения следующую команду. Именно это обеспечивает автоматизм работы ЭВМ.
5) Процессор исполняет программу команда за командой в соответствии с изменением содержимого счётчика команд и расположением команд в памяти, пока не получит команду остановиться.
Обобщенная логическая структурная схема ЭВМ, построенной согласно принципам фон-неймановской архитектуры, представлена на рис. 3.8, где АЛУ - арифметико-логическое устройство, УВыв - устройства вывода; УВв - устройства ввода, ЗУ— запоминающее устройство. Предполагается, что в ЭВМ используется прямой доступ к памяти (см. лекцию 4.1).
Рис. 3.8. Обобщенная логическая структура ЭВМ.
В настоящее, время машины фон-неймановской архитектуры в основном представлены двумя классами:
а) ЭВМ с древовидной (канальной) организацией, реализованной в больших ЭВМ, и
б) ЭВМ с шинной организацией, применяющиеся при построении мини, микро и персональных ЭВМ.