Поняття архітектури ЕОМ. Архітектура фон – Неймана, гарвардська архітектура

Архітекту́ ра ЕОМ — це набір відомостей, необхідний та достатній для написання для даної обчислювальної машини коректних програм на машинній мові, таких, що не залежать від конкретного втілення цієї архітектури. Електронні обчислювальні машини одної архітектури (тобто з однаковою програмною організацією), але реалізовані з використанням різних конструктивних рішень, називають сумісними, або сумісним сімейством ЕОМ.

Найбільшого поширення в ЕОМ отримали 2 типи архітектури: прінстонська (фон Неймана) і гарвардська. Обидві вони виділяють 2 основних вузли ЕОМ: центральний процесор і пам'ять комп'ютера. Різниця полягає в структурі пам'яті: в прінстонській архітектурі програми і дані зберігаються в одному масиві пам'яті і передаються в процесор одним каналом, тоді як гарвардська архітектура передбачає окремі сховища і потоки передачі для команд і даних.

У докладніший опис, що визначає конкретну архітектуру, також входять: структурна схема ЕОМ, засоби і способи доступу до елементів цієї структурної схеми, організація і розрядність інтерфейсів ЕОМ, набір і доступність регістрів, організація пам'яті та способи її адресації, набір і формат машинних команд процесора, способи представлення і формати даних, правила обробки переривань.

За перерахованими ознаками та їх поєднаннями серед архітектур виділяють:

За розрядністю інтерфейсів і машинних слів: 8 -, 16 -, 32 -, 64-розрядні (ряд ЕОМ має й інші розрядності);

За особливостями набору регістрів, формату команд і даних: CISC, RISC, VLIW;

За кількістю центральних процесорів: однопроцесорні, багатопроцесорні, суперскалярні;

багатопроцесорні за принципом взаємодії з пам'яттю: симетричні багатопроцесорні (SMP), масивно-паралельні (MPP), розподілені

Архітектура ЕОМ включає інформацію про:

набір машинних команд (набір інструкцій), тобто операцій, які може виконувати ця обчислювальна машина

доступні регістр процесора — внутрішні комірки пам'яті процесора (пристрою, який виконує набір інструкцій), а саме: функціональне призначення, розрядність, кількість, особливості програмування таких регістрів.

розрядність та формати данихоперандів — об'єктів, над якими виконуються операції

способи адресації пам'яті — методи доступу до операндів в пам'яті ЕОМ

механізми управління та захисту пам'яті

особливості обробки виключних ситуацій та помилок в системі

організацію системи вводу-виводу

доступні програмісту апаратні засоби організації багатозадачної та багатопроцесорної обробки інформації

Часто, особливо в останній час, термін «архітектура ЕОМ» вживається також для позначення саме архітектури системи команд, або архітектури (програмної моделі) процесора, тобто пп. 1-6 цього переліку. Інша інтерпретація цього поняття стосується вже обчислювальних систем, які включають багато обчислювачів, об'єднаних тим чи іншим чином, які реалізують певні стратегії обчислень. Тоді під терміном «архітектура» розуміють якраз конфігурацію та стратегії обчислень даної системи. В цій енциклопедії, якщо не вказано додатково, під архітектурою ЕОМ розуміється саме вищенаведений перелік відомостей.

Архітекту́ ра фон Не́ ймана (архітектура фон Неймана-Екерта-Маклі), архітектураелектронних обчислювальних машин, основною відмінністю якої від інших подібних архітектур є спільне зберігання даних та машинних команд в комірках однієї й тієї ж пам'яті, що унеможливлює їх розрізнення за способом представлення або кодування. Названа так на честь відомого математика та теоретика обчислювальної техніки Джона фон Неймана (John von Neumann), та по сьогодні залишається домінуючою схемою організації ЕОМ загального призначення.

Схематичне вираження схеми фон Неймана

Формальне визначення

Обчислювальна машина є машиною з архітектурою фон Неймана, якщо:

Програма та дані зберігаються в одній загальній пам'яті.

Кожна комірка пам'яті машини ідентифікується унікальним номером, який називається адресою.

Різні слова інформації (команди та дані) розрізняються за способом використання, але не за способом кодування та структурою представлення в пам'яті.

Кожна програма виконується послідовно, починаючи з першої команди, якщо немає спеціальних вказівок. Для зміни цієї послідовності використовуються команди передачі управління.

[ред.] Класична структура машини фон Неймана

Машина фон Неймана, як і практично кожна сучасна ЕОМ загального призначення, складається з чотирьох основних компонентів:

Операційний пристрій (ОП), який виконує команди з визначеного набору, який називається системою (набором) команд, над порціями інформації, яка зберігається відокремленій від операційного пристрою пам'яті (хоча сучасні архітектури мають в складі операційного пристрою додаткову пам'ять (зазвичай банк регістрів), в якій операнди зберігаються порівняно короткий час безпосередньо в процесі проведення обчислень.

Пристрій управління (ПУ), який організує послідовне виконання алгоритмів, розшифрування команд, які поступають із запам'ятовуючого пристрою (див. нижче), реагує на аварійні ситуації та виконує загальні функції управління всіма вузлами обчислювальної машини. Зазвичай ОП та ПУ об'єднуються в структуру, яка називається центральним процесором. Слід звернути увагу, що вимога саме послідовного, в порядку надходження з пам'яті (в порядку зміни адрес в лічильнику команд) виконання команд є принциповою. Архітектури, які не додержуються такого принципу, взагалі не вважаються фон-нейманівськими.

Запам'ятовуючий пристрій (ЗП) — масив комірок з унікальними ідентифікаторами (адресами), в яких зберігаються команди та дані.

Пристрій вводу-виводу (ПВВ), який забезпечує зв'язок ЕОМ з зовнішнім світом, різними пристроями, які передають інформацію на переробку в ЕОМ та приймають результати.

[ред.] Принцип функціонування

Після завантаження програми (алгоритму й даних для обробки) в запам'ятовуючий пристрій, машина фон-Неймана може працювати автоматично, без втручання оператора. Кожна комірка пам'яті машини має унікальний номер — адресу, а спеціальний механізм, частіше всього — лічильник команд — забезпечує автоматичне виконання необхідної послідовності команд, і визначає на кожному етапі адресу комірки, з якої необхідно завантажити наступну команду.

Перед початком виконання програми в лічильник записується адреса її першої команди. Визначення адреси наступної команди відбувається за одним з наступних сценаріїв:

Якщо поточна команда не є командою передачі управління (тобто це просто арифметична або логічна операція над даними), то до поточного значення лічильника додається число, яке дорівнює довжині поточної команди в мінімально адресованих одиницях інформації (зрозуміло, що це можливо за умови, якщо звичайні команди в блоках, не розділених командами передачі управління, розташовуються послідовно в пам'яті, інакше адреса наступної команди може зберігатись, наприклад, безпосередньо в команді).

Якщо поточна команда — команда передачі управління (команда умовного або безумовного переходу), яка змінює послідовний хід виконання програми, то в лічильник примусово записується адреса тої команди, яка була замовлена при виконанні переходу, де б вона не знаходилась.

ти до: навігація, пошук

Га́ рвардська архітекту́ ра — архітектураобчислювальних машин, головною відмінністю якої від інших подібних архітектур (див. напр. Архітектура фон Ноймана), є те, що дані та оператори (алгоритм) зберігаються окремо. Першим комп'ютером, який застосовував гарвардську архітектуру, був Mark I, який експлуатувався в Гарварді (звідки назва архітектури) та зберігав дані окремо на перфокартах, а команди в релейному запам'ятовуючому пристрої.

Така структура має одну важливу перевагу над фон-нойманівською архітектурою: дані можна завантажувати для обробки з запам'ятовувальний пристрою одночасно з командами. В фон-нойманівській архітектурі для зв'язку операційного та керувальний пристроїв (які разом складають центральний процесор), використовується одна шина, тому необхідно спочатку завантажити в процесор команду, а вже потім, звернувшись за адресою, як вкзана в ній самій — завантажити дані. Наявність в гарвардській архітектурі двох незалежних підсистем пам'яті з окремими шинами, дозволяє вести процес завантаження команд і даних практично паралельно.

Головним недоліком гарвардської архітектури є порівняна з фон-нойманівською складність реалізації. Адже для кожного з запам'ятовуючих пристроїв необхідний свій контролер, своя шина, що зі збільшенням розрядності призводить до зростання кількості з'єднань в системі, і це негативно впливає як на складність проектування, так і на швидкодію.

Гарвардська архітектура широко застосовується в спеціалізованих обчислювачах, зокрема в мікроконтролерах та цифрових сигнальних процесорах, де необхідний високоінтенсивний обмін даними. Також за гарвардською архітектурою зазвичай організується кеш-пам'ять в ЕОМ загального призначення, яка розділяється окремо на кеш-пам'ять команд та кеш-пам'ять даних (але, строго кажучи, це стосується внутришньої організації процесора, а не архітектури ЕОМ)