2014-02-09
3902
Классическая архитектура ЭВМ
Считается, что основные идеи построения современных ЭВМ в 1945 г. сформулировал американский математик Дж. фон Нейман, определив их как принципы программного управления:
1. Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы — слова.
2. Разнотипные по смыслу слова различаются по способу использования, но не по способу кодирования.
3. Слова информации размещаются в ячейках памяти и идентифицируются номерами ячеек — адресами слов.
4. Алгоритм представляется в форме последовательности управляющих слов, называемых командами.- Команда определяет наименование операции и слова информации, участвующие в ней. Алгоритм, записанный в виде последовательности команд, называется программой.
5. Выполнение вычислений, предписанных алгоритмом, сводится к последовательному выполнению команд в порядке, однозначно определенном программой.
Поэтому классическую архитектуру современных ЭВМ, представленную на рис. 1.3, часто называют "архитектурой фон Неймана".
|
|
|
Программа вычислений (обработки информации) составляется в виде последовательности команд и загружается в память машины — запоминающее устройство (ЗУ). Там же хранятся исходные данные и промежуточные результаты обработки. Центральное устройство управления (ЦУУ) последовательно извлекает из памяти команды программы и организует их выполнение. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для реализации операций преобразования информации. Программа и исходные данные вводятся в память машины через устройства ввода (УВв), а результаты обработки предъявляются на устройства вывода (УВыв).
Характерной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что память представляет собой единое адресное пространство, предназначенное для хранения как программ, так и данных.
Такой подход, с одной стороны, обеспечивает большую гибкость организации вычислений — возможность перераспределения памяти между программой и данными, возможность самомодификации программы в процессе ее выполнения. С другой стороны, без принятия специальных мер защиты снижается надежность выполнения программы, что особенно недопустимо в управляющих системах.
Действительно, поскольку и команды программы, и данные кодируются в ЭВМ двоичными числами, теоретически возможно как разрушение программы (при обращении в область программы как к данным), так и попытка "выполнения" области данных как программы (при ошибочных переходах программы в область данных).
Альтернативной фон-неймановской является т. н. гарвардская архитектура. ЭВМ, реализованные по этому принципу, имеют два непересекающихся адресных пространства т— для программы и для данных, причем программу нельзя разместить в свободной области памяти данных и наоборот. Гарвардская архитектура применяется главным образом в управляющих ЭВМ.
|
|
|
ЭВМ как сложная система может быть адекватно описана на нескольких уровнях с применением различных языков описания на каждом из уровней.
Принципы структурного описания предполагают введение следующих понятий:
□ система — совокупность элементов, объединенных в одно целое для достижения определенных целей. Для полного описания системы следует определить ее функции и структуру;
□ структура системы — фиксированная совокупность элементов системы и связей между ними;
□ элемент — неделимая часть системы, структура которого не рассматривается, а определяются только его функции.
Функции системы стремятся описывать в математической форме, иногда — в словесной (содержательной форме). Структура системы может быть задана в виде графа или эквивалентных ему математических форм (матриц). Инженерной формой задания структуры является схема (отличается от графа только формой). Различным уровням представления систем соответствуют различные виды схем.
Свойства системы не являются простой суммой свойств входящих в нее элементов; за счет организации связей между элементами приобретается новое качество, отсутствующее в элементах. Например, радиокомпоненты -> логические элементы -» сумматор.
Для сложных систем характерно, что функция, реализуемая системой, не может быть представлена как композиция функций, реализуемых наименьшими элементами системы (иначе говоря, функцию сложной системы нельзя адекватно описать на одном языке). Действительно, функционирование ЭВМ нельзя описать лишь на языке электрических процессов, в ней происходящих. Функции ЭВМ как системы выявляются лишь при рассмотрении информационных и логических аспектов ее работы.
Поэтому в описании сложных систем используют несколько форм описания (языков) функций и структуры — иерархию функций и структуры. Иерархический подход к описанию сложных систем предполагает, что на высшем уровне иерархии система рассматривается как один элемент, имеющий входы и выходы для связи с внешней средой. В этом случае функция не может быть задана подробно и представляется как отображение состояний входов на состояние выходов системы.
Чтобы раскрыть устройство и порядок функционирования системы, глобальная функция и сама система разделяются на части — функции и структурные элементы следующего более низкого уровня иерархии и т. д. до тех пор, пока функции и структура системы не будут раскрыты полностью, с необходимой степенью детализации.
В этом случае элемент — это, прежде всего, удобное понятие, а не физическое свойство, т. к. один и тот же физический объект может рассматриваться как элемент на одном уровне иерархии и как система— на другом (более низком) уровне.
В табл. 1.2 представлены основные уровни ЭВМ и языки описания этих уровней.
