12 Понятие архитектуры и основные типы архитектуры эвм. Типовая схема эвм, принципы Фон-Неймона. Оперативная память, центральный процессор эвм.

Архитектура вычислительной машины (Архитектура ЭВМ, англ. Computer architecture) — концептуальная структура вычислительной машины^[1], определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.^[2]

В настоящее время наибольшее распространение в ЭВМ получили 2 типа архитектуры: принстонская (фон Неймана) и гарвардская. Обе они выделяют 2 основных узла ЭВМ: центральный процессор и память компьютера. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных.

В более подробное описание, определяющее конкретную архитектуру, также входят: структурная схема ЭВМ, средства и способы доступа к элементам этой структурной схемы, организация и разрядность интерфейсов ЭВМ, набор и доступность регистров, организация памяти и способы её адресации, набор и формат машинных команд процессора, способы представления и форматы данных, правила обработки прерываний.

По перечисленным признакам и их сочетаниям среди архитектур выделяют:

• По разрядности интерфейсов и машинных слов: 8-, 16-, 32-, 64-, 128- разрядные (ряд ЭВМ имеет и иные разрядности);

• По особенностям набора регистров, формата команд и данных: CISC, RISC, VLIW;

• По количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные;

  • многопроцессорные по принципу взаимодействия с памятью: симметричные многопроцессорные (SMP), масcивно-параллельные (MPP), распределенные.

В 1946 году трое учёных^[1] — Артур Бёркс (англ. Arthur Burks), Герман Голдстайн (англ. Herman Goldstine) и Джон фон Нейман — опубликовали статью «Предварительное рассмотрение логического конструирования электронного вычислительного устройства»^[2]. В статье обосновывалось использование двоичной системы для представления данных в ЭВМ (преимущественно для технической реализации, простота выполнения арифметических и логических операций — до этого машины хранили данные в десятичном виде^[3]), выдвигалась идея использования общей памяти для программы и данных. Имя фон Неймана было достаточно широко известно в науке того времени, что отодвинуло на второй план его соавторов, и данные идеи получили название «принципы фон Неймана».

6. Принцип двоичного кодирования.

Для представления данных и команд используется двоичная система счисления.

7. Принцип однородности памяти.

Как программы (команды), так и данные хранятся в одной и той же памяти (и кодируются в одной и той же системе счисления — чаще всего двоичной). Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

8. Принцип адресуемости памяти.

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка; память внутренняя.

9. Принцип последовательного программного управления.

Все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения другой, в последовательности, определяемой программой.

10. Принцип жесткости архитектуры.

Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относят к типу фоннеймановских.

Операти́вная па́мять (англ. Random Access Memory, память с произвольным доступом) — энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой временно хранятся данные и команды, необходимые процессору для выполнения им операции. Обязательным условием является адресуемость (каждое машинное слово имеет индивидуальный адрес) памяти. Передача данных в/из оперативную память процессором производится непосредственно, либо через сверхбыструю память.

Центральный процессор ( ЦП )

[central processor, central processing unit (CPU)] -

Главный рабочий элемент ЭВМ, который выполняет команды программ и управляет действиями других ее узлов. Основными составными частями ЦП являются: арифметико-логическое устройство ( АЛУ ), устройство управления ( блок команд), быстродействующая постоянная (“не стираемая”) память (см. - ПЗУ) а также их регистры - функционально ориентированные ячейки памяти - в том числе регистр команд , накапливающий регистр и регистр последовательного управления .

Микропроцессор , ЦЕНТРАЛЬНЫЙ МИКРОПРОЦЕССОР ( МП ) [microprocessor] -

Центральный процессор, выполненный на большой или сверхбольшой интегральной схеме ( БИС и СБИС). Микропроцессор (МП) является устройством, реализующим выполнение программ и управляющим работой остальных узлов и устройств ПЭВМ. Его характеристики определяют возможности и области практического использования ПЭВМ, а также их техническую совместимость .

Микропроцессоры отличаются один от другого моделью, тактовой частотой) и разрядностью. В частности, МП одной модели могут иметь различную тактовую частоту, задаваемую ее генератором, и, соответственно, различаться по производительности .

В наиболее распространенных в мире моделях МП, выпускаемых фирмой Intel - INTegrated Electronics Corp. (США) и используемых в ПЭВМ типа IBM PC , а также совместимых с ними ПЭВМ других фирм, применяется маркировка: 8086, 8088 - для первых ПЭВМ класса IBM PC/XT и 80286, 80386, 80486 - для машин класса IBM PC/AT . Первые две цифры в указании марки модели микропроцессоров фирмы Intel часто опускаются и последние приводятся в виде: 286, 386, 486 или i286, i386, i486.

Приведенный ряд моделей МП фирмы Intel (в литературе по отношению к нему также используется обозначение - “семейство Intel х86”) характеризуется последовательностью их выпуска, а также возрастанием производительности и стоимости. Сказанное относится и к последующим выпускам моделей микропроцессоров фирмы Intel: Pentium, Pentium Pro или P6 (старое наименование) и Pentium II. Тактовая частота МП Intel 8086 и 8088 находилась в пределах от 4,7 до 10 МГц (менее 1 млн. операций/с.), 80286 - от 6 до 12 МГц, 80386 - от 16 до 33 МГц, 486 от 20 до 66 МГц, Pentium - от 60 до 200 МГц (100-200 и более операций/с.), Pentium Pro (P6) - тактовые частоты - 133, 150, 166, 180 и 200 МГц, Pentium II - 233, 266, 300, 333, 350, 400 и 450 МГц. В середине 1998 г. фирма Intel провела тестирование нового процессора класса Pentium с тактовой частотой 1000 МГц (т.е. 1 ГГц). Выпущенные в 1999 г. с февраля по июль новые модели версий Pentium III имеют тактовуй частоту соответственно 500, 550 и 600 МГц. В марте 2000 г. сначала фирма AMD , а за нею Intel выпустили на мировой рынок первые партии микропроцессоров Coppermine с тактовой частотой в 1 ГГц. В 1999-2000 гг все ведущие фирмы – производители микропроцессоров начали активно работать над созданием моделей, работающих на частотах 1,3 – 1,5 ГГц и выше, в частности – моделью Pentium 4 – Willamette-479 ( попросту называемого также Вилли [ Whilly – сокр. от Willamette ]). В 2001 г. появились первые системы на базе процессора Pentium 4 и Athlon устойчиво работающие при тактовой частоте 2 ГГц [138, 603, 664].

Модели МП ряда Intel до 80386 были 16-ти разрядными (исключение составляет 8-ми разрядная модель МП 8088), начиная с модели 80386 начали выпускаться 32-разрядные МП с переходом на использование 64-разрядных шин данных (см. ниже) начиная с модели Pentium (регистры в этих МП остались 32-разрядными).

Дополнительные буквенные и буквенно-цифровые обозначения в маркировке изделий МП фирмы Intel несут сведения о подвиде модели. Наиболее часто встречаются следующие их варианты: SX - (условно) промежуточная версия между предыдущей и данной моделью МП в том числе по производительности (для МП класса выше i486 такой промежуточной моделью является МП OverDrive); DX - основной вариант данной модели МП, DX2 (3, 4,..) - варианты данной модели с повышенной производительностью, кратной цифровому индексу.

Обобщенная структура центрального процессора

Процессоры бывают: сигнальные, коммуникационные, общего назначения, специализированные

Машинный такт – интервал времени, в течении которого выполняется одна микрокоманда.

ИПУ – Инженерный Пульт Управления

МП – Местная Память

УР – Управляющие Регистры

БКД – Блок Контроля и Диагностики

БССОП – Блок Связи С Основной Памятью

БЗП – Блок Защиты Памяти

Для реализации программного режима работы наряду с программными средствами используется специальные аппаратные средства. Кроме уже упомянутой системы прерываний к ним относятся следующие средства: защита памяти, динамического распределения памяти, службы времени и др.