Основные элементы архитектуры и структурной организации ЦК

Гарвардская и Принстонская архитектуры ЦК.

Появились в связи с разработкой ЦК для морской артиллерии в 30-х годах XX века (США).

Гарвардская архитектура (ГА) разработана Говардом Эйкеном. Реализована в 1944 г., вес 5 тонн, 700 км. проводов, операция умножения выполнялась за 3 секунды.

Основное отличие – в ГА линии передачи команд и данных физически разделены. В ЦК «Марк I» инструкции хранились на перфоленте, а данные обрабатывались реелйными (электромеханическими) регистрами.

Достоинство ГА – одновременная передача команд и данных, одновременное чтение процессором команд и данных, что повышает быстродействие, но несколько усложняет реализацию по сравнению с фонНеймановской. Характеристики запоминающих устройств для инструкций и данных (длина слова, временные диаграммы, структуры адресов) различны.

Основные отличительные признаки ГА:

a. Память для инструкций и данных – разные физические устройства;

b. Каналы передачи инструкций и данных – разные физические устройства;

c. Инструкции и данные могут представляться в разных форматах.

В ГА принципиально невозможно осуществить операцию записи в память программ. Это исключает возможность разрушения управляющей программы – случайного или преднамеренного.

Основные области применения ГА – микроконтроллеры и сигнальные процессоры при требовании высокой надежности работы.

Для повышения скорости работы применяется трехшинная архитектура операционного блока: две шины для считывания операндов, одна – для записи результата. Эти три операции выполняются независимо и параллельно.

Обратим внимание, что современные CISC-процессоры обладают раздельной кэш-памятью 1-го уровня для инструкций и данных. Т.е. процессорное ядро формально гарвардское, а программно – фон Неймановское.

Рис.1 Принципиальная схема Гарвардской архитектуры. Стек – структура данных, организованная по принципу «пришел последним – вышел первым» (стопка тарелок или ружейный магазин).

Принстонская архитектура (ПА) разработана фон Нейманом как попытка облегчить задачу программирования. Основная идея – представление программы в памяти вычислителя в цифровой форме, вместе с данными. Представление чисел в двоичной форме.

Основные признаки [9]:

a. И инструкции, и данные представляются и обрабатываются в одном формате;

b. И инструкции, и данные хранятся в одной (основной) памяти;

c. Линейная организация памяти – машинные слова расположены строго последовательно в виде одномерного массива в едином упорядоченном пространстве адресов, каждый адрес имеет последовательный номер 0, 1, 2 …;

d. Последовательное выполнение – инструкции извлекаются изпамяти и выполняются последовательно до тех пор, пока не встретится специальная инструкция перехода;

e. Семантическая неразличимость кодов – во внутреннем машинном представлении не содержится никакой информации, позволяющей отделить инструкции от данных, равно как, и данные различных типов;

f. Электронная реализация – компьютер полностью электронное устройство;

g. Фиксированная организация – в процессе вычислений топология, архитектура и список команд не меняются.

h. Аккумулятор – особый регистр (у фон Неймана на 40 бит) внутри арифметико-логического устройства – типичная команда прибавляла слово из памяти к аккумулятору и сохраняла содержимое аккумулятора в памяти.

Узкое место фон Неймановского компьютера – магистраль передачи данных между АЛУ и ОП.

Рис.2. Принстонская архитектура (фон Неймановская).

	Данные
	Сигналы управления
	Команды

Рис. 3. Обобщенная структурная схема компьютера (классическая фон Неймановская).

Устройство управления организует автоматическое выполнение программ и функционирование вычислителя. Основная задача - выработка управляющих сигналов и
их распределение по цепям управления.

Арифметическо-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций над поступающими данными.

Память представляет собой массив запоминающих элементов, организованных в виде запоминающих ячеек и способных хранить некоторую единицу информации.

Устройство ввода преобразует входящую информацию в последовательность электрических сигналов.

Устройство вывода преобразует последовательность электрических сигналов в форму,
удобную для восприятия пользователем.

Вместе устройство управления и АЛУ образуют центральный процессор (ЦП).

Концепция Фон Неймановской архитектуры предусматривает единственность
АЛУ и одну основную память. Это обстоятельство существенно усложняет реализацию параллельных алгоритмов.

Недостатки
Информация попадает в память через АЛУ без изменений, занимая аппаратные
ресурсы. Наличие в памяти 2х типов: данные и команды.

Достоинства
Данные поступают в память из одного источника. Тоже происходит и при
выводе

Рис. 4. Обобщенная структурная схема компьютера с прямым доступом к памяти.

Необходима система прерываний и приоритетов, что усложняет архитектуру в 2 раза.

Рис. 5. Обобщенная структурная схема компьютера с каналом ввода – вывода (фон Неймановская архитектура с Main Frame).

По этой схеме реализуется большинство больших ЦК. Канал ввода-вывода организует буферизацию данных.

8. Принцип программного управления

Программа, выполняемая компьютером, представляет собой последовательность команд. Для того чтобы обеспечить последовательное выполнение команд выполняется следующее:

К адресу первой команды прибавляется её длина (в байтах), таким образом определяется адрес второй команды. После выполнения второй команды к её адресу прибавляется её длина и определяется адрес третей команды и.т.д. Если процесс нарушается, выполняется процесс условного перехода.

Принцип программного управления заключается в том, что после сообщения машине адреса первой команды программы и занесения тела этой команды в регистр команд, программа управляет сама собой. Далее никакого внешнего управления не требуется. Этот принцип выполняется как на уровне команд, так и на уровне микрокоманд.

Программа:	Микропрограмма:
А1	К1	®	КОП	А1	А2	А3	®	Микрокоманда 1	®	Микрооперация 1
А1+А2	К2		Микрокоманда 1		Микрооперация 1
	К3		Микрокоманда 1		Микрооперация 1
	…	®	Регистр команд		…		…
	КN		Микрокоманда М		Микрооперация М

Код операции – код, находящийся в оперативной части; определяет какая именно операция выполняется. занимает 8 бит, Это оперативная часть. Далее идет адресная часть (А1, А2, А3). Адресная часть может включать как один адрес, так и два, и четыре. В последнем случае А4 – адрес следующей команды.

Микрооперация – элементарное действие внутри Вычислительной Машины.

Адресная часть – часть, где хранятся адреса.
команды бывают одно-, двух-, трехадресные и безадресные(используются для уменьшения числа обращений к оперативной памяти)

Регистр команд – регистр, после помещения в который, тело команды начнет выполняться.

Команды дробятся на микрокоманды. Микрокоманды и микрооперации находятся в постоянной памяти.
Каждой микрокоманде может соответствовать одна или несколько микроопераций

Литература.