1.3. Принцип программного управления и машина фон Неймана
Фон Нейман впервые предложил в 40-х годах XX века концепцию хранимой программы, основные принципы которой заключаются в следующем:
Двоичное кодирование: вся информация (как команды, так и данные) кодируется двоичными цифрами 0 и 1, поскольку двоичное кодирование по теории информации близко к оптимальному, а кроме того, легче реализовать элементы с двумя устойчивыми состояниями (магнитные сердечники, триггеры).
Программное управление: команды программы, так же как и данные, хранятся в памяти машины; хранимая программа позволяет выполнять команды в естественном порядке следования либо осуществлять произвольный переход от одной команды к другой.
Однородность памяти: Вид хранимой информации (команды или данные непосредственно в памяти) неразличим, а зависит от последующего использования; команды могут обрабатываться так же, как и числовые данные (модификация команд – сейчас не поощряется), либо порождать в процессе обработки другие команды (трансляция – широко применяется).
Адресность: в команде указываются не сами данные, а адреса их размещения в памяти.
Основные особенности первых машин, построенных по изложенным принципам и называемых сейчас машинами фон неймановского типа, состоят в следующем:
наличие единого вычислительного устройства, включающего один процессор, память и некоторые внешние устройства;
использование линейной структуры адресации памяти со словами фиксированной длины;
централизованный принцип управления выполнением программы по последовательному алгоритму;
низкий уровень машинных команд, позволяющих выполнять только элементарные операции.
Для таких машин «узким» местом», ограничивающим производительность, является память и каналы связи: как данные, так и команды должны последовательно выбираться из памяти и передаваться между устройствами. Для повышения производительности в фон неймановских машинах применяются:
- увеличение разрядности обработки данных (16 бит32 и 64 бит);
- активное использование конвейеризации при выборке и обработке команд;
- активное использование кэш-памяти (Cache – тайник, скрытый), т.е. модулей памяти, которые являются буферными между процессором и оперативной памятью.
Кроме того, наряду с Принстонской архитектурой, подразумевающей хранение команд и данных в общей памяти, распространяется Гарвардская архитектура, использующая раздельное хранение команд и данных.
1.4. Понятия архитектуры, организации и реализации ЭВМ
Архитектура – это множество ресурсов ЭВМ, доступных пользователю на логическом уровне, без детализации способов взаимодействия процессоров, устройств памяти, внешних устройств и программных средств. При изучении архитектуры рассматривают:
- состав и характеристики процессоров, включая системы команд;
- состав и характеристики устройств памяти и ВУ;
- состав программных средств разработки ПО;
- вид ОС и режимы обработки данных.
Организация – это способы распределения функций, установления связи и взаимодействия процессоров, устройств памяти и внешних устройств, используемые для реализации возможностей, заложенных в архитектуре. При изучении организации рассматривают:
- представление и форматы данных;
- уровни памяти и их взаимодействие;
- состав и форматы машинных команд;
- систему прерываний;
- способы обмена данными.
Реализация – способы технического исполнения конкретных устройств, линий или шин связи и протоколов взаимодействия между ними.
Обычно на уровнях организации и реализации происходит перераспределение функций между аппаратными и программными средствами. Это порождает семейство машин одной архитектуры, но разной производительности.
|
