§4.5. Архитектура и структура эвм
Электронная вычислительная машина (ЭВМ) – это совокупность технических средств и программных продуктов, предназначенных для выполнения различных арифметических, логических и аналитических задач. Часто ЭВМ называют компьютером (от латинского computo – считаю, вычисляю).
Архитектура ЭВМ – это логическая организация вычислительной машины, которая определяет набор качеств вычислительной машины, влияющих на ее взаимодействие с пользователем. Она определяет принципы организации вычислительной системы и функции центрального вычислительного устройства, но не отражает то, как эти принципы реализуются внутри ЭВМ.
В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип (рис. 4.20). Модульная организация позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и при необходимости производить ее модернизацию. Функционирование ПК опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами. Магистраль включает в себя три многоразрядные шины, представляющие собой многопроводные линии.
Рис. 4.20. Магистрально-модульное устройство компьютера.
1) Шина данных, по которой данные передаются между различными устройствами в любом направлении (например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем обработанные данные могут быть отправлены для хранения обратно в оперативную память).
Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора – количеством двоичных разрядов, которое процессор обрабатывает за один такт. По мере развития компьютерной техники разрядность процессоров постоянно увеличивалась от 4 до 64 бит.
2) Шина адресов, по которой адреса передаются в одном направлении от процессора к устройствам памяти (оперативной и другой). Каждое устройство и ячейка памяти имеет свой адрес, а процессор осуществляет выбор устройства и ячейки памяти, откуда считываются или куда пересылаются данные по шине данных.
Разрядность шины адресов определяется адресным пространством процессора – количеством ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. По мере развития компьютерной техники адресное пространство процессора постоянно увеличивалось от 8 до 36 бит.
3) Шина управления, по которой передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали (считывание или запись информации из памяти) и синхронизирующие этот обмен.
Признаком совместимости (тождественности) архитектуры компьютеров является возможность выполнения любой программы в машинном коде, разработанной для одного компьютера, на другом компьютере с получением одинаковых результатов, хотя время выполнения программ при этом может существенно различаться.
Наверняка все слышали широко употребляемое понятие «IBM- совместимые компьютеры», которое охватывает целый класс «стандартных» ПЭВМ, продаваемых во всем мире. Большинство персональных компьютеров, установленных дома и на предприятиях, являются представителями этого класса.
В 1945 г. американский математик Джон фон Нейман сформулировал три общих принципа, которые положены в основу построения подавляющего большинства компьютеров.
1) Принцип программного управления – программа состоит из набора команд, автоматически выполняющихся процессором в определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает (на длину команды) хранимый в нем адрес очередной команды. А так как программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если же после выполнения команды нужно перейти не к следующей, а к какой-либо другой, то используются команды условного или безусловного перехода, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп». Таким образом, процессор выполняет программу автоматически без вмешательства человека.
2) Принцип однородности памяти – программы и данные хранятся в одной и той же памяти, поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти (число, текст или команда). Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей, например, в процессе своего выполнения программа также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции – перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на конкретный машинный язык.
3) Принцип адресности – основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек, каждая из которых доступна процессору в произвольный момент времени. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти так, чтобы впоследствии можно было обращаться к запомненным в них значениям или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.
Кроме «фон-неймановских» компьютеров, построенных на перечисленных принципах, также существуют принципиально отличающиеся от них машины. Например, может не выполняться принцип программного управления (они могут работать без счетчика команд) или принцип адресности (необязательно давать имя какой-либо переменной, хранящейся в памяти, для обращения к ней).
Структура компьютера – это некоторая модель, устанавливающая состав и принципы взаимодействия входящих в него компонентов. Любая ЭВМ для выполнения своих функций должна иметь минимальный набор (пять) функциональных блоков, составляющих классическую структуру ЭВМ:
устройство ввода исходных данных;
запоминающее устройство (память) для хранения информации;
арифметико-логическое устройство (АЛУ), обеспечивающее выполнение арифметических и логических операций;
устройство вывода результатов;
устройство управления (УУ), обеспечивающее работу всех устройств ЭВМ сообща и заставляющее все устройства выполнять необходимые действия в нужные моменты.
Базируясь на тех же принципах, современные компьютеры имеют три отличия, обусловленные развитием вычислительной техники:
два центральных устройства (арифметико-логическое устройство и устройство управления) объединены в единый блок – центральный процессор;
запоминающее устройство представлено большим числом уровней (а не только внутреннее и внешнее запоминающие устройства, как это было в старых моделях ЭВМ);
весьма разнообразный арсенал устройств ввода и вывода данных.