1.Основные архитектуры эвм и их сравнительная оценка (Неймановская, Гарвардская, risc, cisc, прочие). Понятие архитектуры, организации и реализации эвм

Архитектура - это множество ресурсов ЭВМ, доступных пользователю на логическом уровне, без детализации способов взаимодействия процессоров, устройств памяти, внешних устройств и программных средств.

Организация - это способы распределения функций, установления связи и взаимодействия процессоров, устройств памяти и внешних устройств, используемые для реализации возможностей, заложенных в архитектуре. При изучении организации рассматривают:

• представление и формат данных;

• уровни памяти и их взаимодействие;

• состав и формат машинных команд;

• систему прерываний;

• способы обмена данными.

Реализация – способы технического исполнения конкретных устройств, линий или шин связи и протоколов взаимодействия между ними.

Обычно на уровнях организации и реализации происходит перераспределение функций между аппаратными и программными средствами. Это порождает семейство машин одной архитектуры, но разной производительности.

Принцип программного управления и машина фон Неймана

Фон Нейман впервые предложил в 40-х годах нашего века концепцию хранимой программы, основные принципы которой заключаются в следующем:

1. команды, так же как и данные, хранятся в памяти машины, в команде указываются не сами данные, а адреса их размещения в памяти;

2. команды могут обрабатываться так же, как и числовые данные (модификация команд), но из-за снижения надежности программ этот подход сейчас не применяется;

3. хранимая программа позволяет осуществлять произвольный переход от одной команды к другой, что необходимо при реализации ветвлений и циклов в алгоритмах обработки.

Основные особенности первых машин, построенных по изложенным принципам и называемых сейчас машинами фон Неймановского типа, состоят в следующем:

1. наличие единого вычислительного устройства, включающего один процессор, память и некоторые внешние устройства;

2. использование линейной структуры адресации памяти со словами фиксированной длины;

3. централизованный принцип управления выполнением программы по последовательному алгоритму;

4. низкий уровень машинных команд, позволяющих выполнять только элементарные операции.

Для таких машин «узким» местом», ограничивающим производительность, является память и каналы связи: как данные, так и команды должны последовательно выбираться из памяти и передаваться между устройствами. Для повышения производительности в фон Неймановских машинах применяются:

• увеличение разрядности обработки данных (16 битà32 и 64 бита);

• активное использование конвейеризации при выборке и обработке команд;

• активное использование кэш-памяти (Cash- скрытый, не замечаемый пользователем), т.е. блоков памяти, которые являются буферными между процессором и оперативной памятью.

Гарвардская архитектура — архитектура ЭВМ, отличительными признаками которой являются: 1. Хранилище инструкций и хранилище данных представляют собой разные физические устройства. 2. Канал инструкций и канал данных также физически разделены.

Классическая гарвардская архитектура

Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий:

1. выборку двух операндов,

2. выбор инструкции и её выполнение,

3. и, наконец, сохранение результата.

Идея, заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных. В первом компьютере для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие компьютера.

Отличие от архитектуры фон Неймана

В чистой архитектуре фон Неймана процессор одномоментно может либо читать инструкцию, либо читать/записывать единицу данных из/в памяти. То и другое не может происходить одновременно, поскольку инструкции и данные используют одну и ту же системную шину. А в компьютере с использованием гарвардской архитектуры процессор может читать инструкции и выполнять доступ к памяти данных в то же самое время, даже без кэш-памяти. Таким образом, компьютер с гарвардской архитектурой может быть быстрее (при определенной сложности схемы), поскольку доставка инструкций и доступ к данным не претендуют на один и тот же канал памяти. Также машина гарвардской архитектуры имеет различные адресные пространства для команд и данных. Так, нулевой адрес инструкций — это не то же самое, что и нулевой адрес данных. Нулевой адрес инструкций может определятся двадцатичетырехбитным значением, в то время как нулевой адрес данных может выглядеть как восьмибитный байт, который не являются частью этого двадцатичетырехбитного значения.