БАЗОВЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ АРХИТЕКТУРЕ ЭВМ
Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей
между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных
логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически
представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание
компьютера на любом уровне детализации.
Архитектурой компьютера считается его представление на некотором общем
уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования,
системы команд, системы адресации, организации памяти и т. д.
Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное
соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного
запоминающего устройства (ОЗУ, ОП), внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность
архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения
пользователя.
Принципы фон Неймана
В основу архитектуры большинства компьютеров положены следующие общие
принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом в
отчете по ЭВМ EDVAC:

принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит
из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в
определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с
помощью счетчика команд (СчАК). Этот регистр процессора последовательно увеличивает
хранимый в нем адрес очередной команды. Если после выполнения команды следует
перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или
безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти,
содержащей следующую команду;

принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той
же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти —
число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над
данными. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться
переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее
частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм);

принцип адресности. Структурно основная память состоит из
перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая
ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти так, чтобы к
запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в
процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.
–
Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фоннеймановских. Существуют и другие классы компьютеров, принципиально отличающиеся
от них, — нефон-неймановские. Например, в ассоциативных компьютерах может не
выполняться принцип программного управления, поскольку каждая команда здесь
содержит адрес следующей (т. е. они могут работать без счетчика команд, указывающего
на выполняемую команду программы). По прошествии более 60 лет большинство
компьютеров так и имеют «фон-неймановскую архитектуру», причем принципы фон
Неймана реализованы в следующем виде:
–
оперативная память (ОП) организована как совокупность машинных слов
(МС) фиксированной длины или разрядности (имеется в виду количество двоичных единиц
или бит, содержащихся в каждом МС). Например, ранние ПЭВМ имели разрядность 8,
затем появились -разрядные, затем — 32- и 64-разрядные машины. В свое время
существовали также 45-разрядные (М-20, М-220), 35-разрядные (Минск-22, Минск-32) и
др. машины;
–
ОП образует единое адресное пространство, адреса МС возрастают от
младших к старшим;
–
в ОП размещаются как данные, так и программы, причем в области данных
одно слово, как правило, соответствует одному числу, а в области программы — одной
команде (машинной инструкции — минимальному и неделимому элементу программы);
–
команды выполняются в естественной последовательности (по возрастанию
адресов в ОП), пока не встретится команда управления (условного/безусловного перехода,
или ветвления — branch), в результате которой естественная последовательность
нарушится;
–
ЦП может произвольно обращаться к любым адресам в ОП для выборки и/или
записи в МС чисел или команд.
АРХИТЕКТУРЫ ЭВМ
Архитектура «звезда». Здесь процессор (ЦУ), а соединен непосредственно с ВУ и
управляет их работой (ранние модели машин). Этот тип также именуется классическая
архитектура (фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через
которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое
проходит поток команд — программа. Это однопроцессорный компьютер.
Принстонская и гарвардская архитектуры. Архитектура фон Неймана часто
ассоциируется с принстонской архитектурой, которая характеризуется использованием
общей оперативной памяти для хранения программ и данных. Альтернативная —
гарвардская архитектура (название связано с компьютером «Марк-1» (1950 г.), в котором
использовалась отдельная память для команд) характеризуется физическим разделением
памяти команд (программ) и памяти данных. Каждая память соединяется с процессором
отдельной шиной, что позволяет одновременно с чтением-записью данных при выполнении
текущей команды производить выборку и декодирование следующей команды.
Гарвардская архитектура появляется в современных процессорах, когда в кэш-памяти ЦП
выделяется память команд (I-Cache) и память данных (D-Cache).
Иерархическая архитектура. ЦУ соединено с периферийными процессорами
(вспомогательными процессорами, каналами, канальными процессорами), управляющими
в свою очередь контроллерами, к которым подключены группы ВУ (системы IBM 360-375,
ЕС ЭВМ).
Магистральная структура (общая шина). Процессор (процессоры) и блоки памяти
(ОП) взаимодействуют между собой и с ВУ (контроллерами ВУ) через внутренний канал,
общий для всех устройств (машины DEC, IBM PC-совместимые ПЭВМ). Физически
магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения
электронных схем. Совокупность линий магистрали разделяется на отдельные группы —
шину адреса, шину данных и шину управления.
К этому типу архитектуры относится также архитектура персонального компьютера
(ПК). Конечно, реальная структура ПК отличается от теоретических схем — в ней
используется несколько разновидностей шинных интерфейсов, которые соединяются
между собой мостами — контроллерами памяти (Northbridge) и периферийных устройств
(Southbridge).