Архитектуры ВС сосредоточенной обработки информации

Классическая архитектура ЭВМ и принципы фон Неймана

Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил великий американский ученый Джон фон Нейман. Он подключился к созданию первой ламповой ЭВМ ENIAC, когда ее конструкция была уже выбрана. Фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. Вместе со своими коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом фон Нейман обосновал использование двоичной системы для представления чисел (раньше все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде). Они продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций.

Еще одной, поистине революционной идеей, является предложенный фон Нейманом принцип «хранимой программы». Он первый догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц в той же памяти, что и обрабатываемые числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.

Рис.3.1.7. Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана.

Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации,

пунктирные – управляющих сигналов от процессора к остальным устройствам.

Фон Нейман, кроме основополагающих принципов логического устройства ЭВМ, предложил также ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (в последствии объединенные в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода (рис. 2.1.7).

В данной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в УУ. Его наличие является одним из характерных признаков рассмотренной архитектуры.

Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили название «фон-неймановской архитектуры».

Современный компьютер состоит из нескольких функциональных узлов: процессор, память, контроллеры устройств и т.д. Каждый узел представляет собой сложное электронное устройство, в состав которого могут входить миллионы логических элементов.

Уровни представление компьютера:

Цифровой логический уровень – уровень логических схем базовой системы элементов;

Микроархитектурный уровень – уровень организации обработки информации внутри функционального узла. Сюда относятся регистры различного назначения, устройство обработки поступающих команд, устройство преобразования данных, устройство управления;

Командный уровень - набор функциональных узлов и связи между ними, система команд и данных, передаваемых между устройствами.