Развитие компьютерной архитектуры

Такие установки необходимы для сельского хозяйства, в районы малоэтажного строительства и наши сельскохозяйственные районы рядом с мегаполисами, где строят поселения, а так же в случаях ЧС.

«Каждый обязан сохранять природу и окружающую среду, бережно относиться к природным богатствам. »

Конституция РФ, ст.58

E-mail: [email protected]

Развитие компьютерной архитектуры

В ходе эволюции компьютерных технологий были разработаны сотни разных компьютеров. Многие из них давно забыты, в то время как влияние других на современные идеи оказалось весьма значительным.

Определение понятия «Архитектура»

Архитектура – это термин, обычно использующийся для описания состава, принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных узлов вычислительной системы на некотором общем уровне, включая описание пользовательских возможностей программирования, системы команд и средств пользовательского интерфейса, организации памяти и системы адресации, операций ввода–вывода и управления и т.д. Таким образом, термин «архитектура» относится как к аппаратным средствам, так и к программному обеспечению, и их комбинациям.

Существуют две основные архитектуры построения вычислительных систем –фон Неймана и Гарвардская.

Американский математик фон Нейман (1903-1957) предложил концепцию вычислительной машины (и в частности, хранимой в памяти программы), которая лежит в основе большинства современных машин. Одним из основных моментов этой концепции является то, что система обладает единой памятью, в которой хранятся и команды программы и данные. Система содержит одну шину данных (ШД), по которой передаются и команды программы, и данные. Следовательно, в такой системе требуется три цикла для выборки команды и двух сомножителей (т.е.для выполнения операции МАС – базовая операция умножения и добавления результата умножения) На рис. 1 показана традиционная структура вычислительной системы, соответствующая «фон-неймановской» архитектуре.

ША

Память Программа и данные

ЦПУ

Рис.1

Гарвадская архитектура названа по работе, выполненной в 40-х годах ХХ века в университете Гарварда под руководством Г.Айкена (1900-1973). В соответствии с этой концепцией для хранения программы (команд) и данных используются различные устройства памяти. Соответственно в системе имеется два комплекта шин для этих устройств: шина адреса памяти программ (ШАПП), шина данных памяти программ для работы с памятью программ (ПП) и шина адреса памяти данных (ШАПД), шина данных памяти данных (ШДПД) для работы с памятью данных (ПД). В системе с гарвардской архитектурой можно одновременно производить операции обращения к различным устройствам памяти, т.е. синхронно выбирать команду из памяти программ ПП по шине ШДПП и сомножитель из памяти данных ПД по шине ШДПД. Соответственно при этом для выполнения операции МАС требуется два цикла работы процессора, Реально за счет различных дополнительных мер почти всегда время операции МАС сводится к одному циклу. Гарвадская архитектура приведена на рис.2.

Рис.2

Таким образом, Гарвардская архитектура разделяя пространства памяти данных и программ и предусматривая раздельные шины доступа к каждой из них, обеспечивает доступность и данных, и программ в одном цикле выполнения операций процессором, что увеличивает общую скорость обработки.

В современных процессорах часто применяется модифицированная Гарвардская архитектура, когда для общения с внешней памятью используется один набор шин, в то время как на самом кристалле для увеличения быстродействия они разделены Такой подход минимизирует общую стоимость системы, сохраняя преимущества Гарвардской архитектуры. В дополнение к этому применяются различные схемы кэширова­ния и конвейерной обработки.

Архитектура ЭВМ — это абстрактное представление или определение физической системы (микропрограммы или комплекса аппаратных средств) с точки зрения программиста, разрабатывающего программы на машинно-ориентированном языке, или разработчика компилятора. Она определяет принципы организации вычислительной системы и функции процессора и не отражает такие проблемы, как управление и передача данных внутри процессора, конструктивные особенности элементной базы и специфику технологии ее производства.

Основа любой ЭВМ - центральный процессор (ЦПУ). Он работает под управлением программных средств, преобразуя входную информацию в выходную. Преобразования осуществляются системой команд, последовательность которых реализует программу решения задачи. Команда, попадая в ЦПУ, проходит несколько этапов: выборка команды, выполнение действий над операндами, формирование адресов и статусных флагов. Это обеспечивается в ЦПУ микропрограммным автоматом, формирующим микропрограмму для каждой команды. Для ЦПУ команда представлена на машинном языке в виде последовательности двоичных кодов. Формат команды включает поля: код операции, сведения об операнде источнике и приемнике, Команды и операнды располагаются в памяти машины. Быстрее всего выполняются действия над операндами, заключенными во внутренние регистры ЦПУ. Для расширения возможностей доступа к данным используется система режимов адресации.

ЦПУ как отдельный аппаратный узел объединен с рядом регулярных узлов сопровождения в один кристалл – микропроцессор (МП).