Типы архитектур вычислительных систем. Архитектура ЭВМ по фон Нейману. Гарвардская архитектура ЭВМ. Принципы фон Неймана.

Существует два типа архитектуры микропроцессорных систем:

- архитектура с общей, единой шиной для данных и команд (одношинная, или принстонская, фон-неймановская архитектура);

- Архитектура с раздельными шинами данных и команд (двухшинная, или гарвардская архитектура).

Архитектура с общей шиной распространена гораздо больше, она применяется, например, в ПК и в сложных микрокомпьютерах. Она проще, т.к. не требует от процессора одновременного обслуживания двух шин, контроля обмена по двум шинам сразу. Наличие единой памяти данных и команд позволяет гибко распределять её объём между кодами данных и команд. Перераспределение памяти не вызывает никаких проблем, главное – чтобы программа и данные вместе помещались в памяти системы. Память в таких системах достигает больших объёмов, что позволяет решать самые сложные задачи.

Архитектура с раздельными шинами применяется в основном в однокристальных микроконтроллерах. Она сложнее, т.к. заставляет процессор работать одновременно с двумя потоками кодов, обслуживать обмен по двум шинам одновременно. Программа может размещаться только в памяти команд, данные – только в памяти данных. Такая специализация ограничивает круг задач, решаемых системой, т.к. не даёт возможности гибкого перераспределения памяти. Объём памяти обычно не очень большой. Преимущество такой архитектуры заключается в ускорении работы микропроцессорной системы, т.к. обмен по обеим шинам может быть независимым, параллельным во времени. Соответственно, структуры шин могут быть выбраны оптимально для той задачи, которая решается каждой шиной. Однако усложнение структуры процессора требует дополнительных затрат на аппаратуру.

Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Одной из его революционных идей, значение которой трудно переоценить, является принцип “хранимой программы”. Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например, для изменения программы машины ENIAC требовалось несколько дней, в то время как сам расчет продолжался нескольких минут. Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяемые в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Схема устройства такой ЭВМ представлена на рисунке. Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные – управляющих сигналов от процессора к остальными узлам ЭВМ

УУ и АЛУ в современных ПК объединены в один блок – процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств (сюда относятся выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение различных, в том числе логических и арифметических, операций, согласование работы узлов компьютера).

В построенной по описанной схеме ЭВМ автоматически 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 также является одним из характерных признаков фоннеймановской архитектуры.

Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день – фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели.

По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.

Итак, к основным принципам фон Неймана относят: