6. 2 Типа архитектуры (принстонская и гарвардская).

Структура и алгоритм функционирования ЭВМ классической модели

Вводные замечания

Существует две основные классические модели ЭВМ: принстонская и гарвардская.

Принстонская архитектура характеризуется использованием общей оперативной памяти для хранения программ, данных. Для обращения к этой памяти используется общая системная шина, по которой в процессе поступают и команды и данные. Эта архитектура имеет ряд важных достоинств:

1) Наличие общей памяти позволяет оперативно перераспределять ее объем для хранения отдельных массивов команд, данных

2) Использования общей шины для передачи команд и данных значительного упрощает отладку, тестирования.

Недостатки этой системы: общая шина становиться узким местом, которая ограничивает производительность цифровой системы.

Гарвардская архитектура характеризуется физическим разделением памяти команд и памяти данных. Каждая память соединяется с процессором отдельной шиной, что позволяет одновременно читать и записывать данные при выполнении текущей команды производить выборку и декодирование следующей команды. Благодаря такому разделению потоку команд и данных и совместному операций их выборки реализуются более высокая производительность, чем при использовании Принстонской архитектуры.

Недостатки Гарвардской архитектуры связаны с необходимостью проведения большого числа шин, а так же с фиксированным объемом памяти, выделенной для команд и данных, назначение которой не может оперативно перераспределяться в соответствии с требованием решаемой задачи.

Гарвардская архитектура широко применяется во внутренней структуре современных микропроцессоров, где используется отдельная кэш память для хранения команд и данных. В тоже время во внешней структуре большинстве микропроцессорных систем реализуются принципы Принстонской архитектуре.

Процессоры классифицируются по признаку поточности I и D (команд и данных):

1.  ОКОД — одиночный поток команд, множественный поток данных.

Примером вычислительной машины, в которой реализуется такая система обработки данных, является персональная ЭВМ.

2.  ОКМД — одиночный поток команд, множественный поток данных.

Такая система обработки данных используется в ассоциативных, матричных вычислительных системах.

В машинах такого класса одна и та же команда выполняется над большим количеством данных. В этом случае АЛУ представляет собой некоторой процессор со своей памятью, устройством управления и АЛУ. Эти устройства могут преобразовывать информацию, передавать ее на последующие элементы. В качестве основного устройства управления может выступать отдельная ЭВМ.

3.  МКОД — множественный поток команд, одиночный поток данных.

Эта система обработки данных применяется в машинах конвейерного типа: множественный поток микроопераций воздействует на один поток данных.

Некоторые команды разбиваются на несколько элементарных операций, каждая из которых выполняется в своем блоке. Данные, проходя через последовательность операционных блоков, преобразуются. При этом действия выполняются над одними данными. Когда блок освобождается от данных, в него могут быть загружены другие данные. Таким образом, осуществляется заполнение конвейера.

4. МКМД — множественный поток команд, множественный поток данных.

Машины имеют одну память команд, поэтому могут возникнуть конфликты по ресурсам, когда АЛУ обращается к памяти команд и к памяти данных. Системы МКМД бывают многомашинными и многопроцессорными.

Представим описание структуры (перечень компонентов и их связи) аппаратных средств, реализующих классическую модель принстонской ЭВМ с архитектурой ОКОД.

Структура аппаратных средств включает в себя:

1. системная шина:

- шина данных

- шина адреса

- шина управления

2. центральное процессорное устройство:

- RA (регистр адреса, 64-х разрядный)

- RD (регистр данных, 64-х разрядный)

- R (регистр)

- центральное устройство управления и регистры управления(IP, IR, FR)

- ALU, локальное устройство управления, операционное устройство управления

3. основная память

4. интерфейс ввода/вывода:

- буфер выводимых данных

- буфер вводимых данных

- периферийные устройства