Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ

Т ермин "архитектура" используется в популярной литературе по вычислительной технике достаточно часто. К сожалению, определение этого понятия и его содержание могут у разных авторов достаточно отличаться. Поэтому попробуем разобраться в этом вопросе более тщательно.

Н ачать целесообразно с происхождения термина. Слово "архитектура" в изначальном своем смысле используется в градостроении. Будучи достаточно сложной структурой, современный город состоит из районов, площадей, улиц, домов и т.п., расположенных определенным образом. Жителей города обычно мало интересует, как выглядит конкретный дом и из каких материалов он построен. Зато очень важно знать район, где этот дом расположен, улицы, ведущие к нему, и транспорт, пользуясь которым можно сократить время в пути.

Д ля того, чтобы ориентироваться в хитросплетении улиц и площадей, в любом городе существует исторически сложившаяся система названий, а также определенная нумерация домов.Наличие общепринятой адресации позволяет однозначно определить положение любого строения и в случае необходимости быстро отыскать его. Именно на существовании такой адресной системы построена работа почты.

В о многих случаях расположение улиц и присвоение им имен носит беспорядочный характер. В то же время бывает, что эта деятельность тщательно продумана и является продолжением общей планировки города, т.е. фактически частью его архитектуры. Классическим примером может служить известная система взаимно-перпендикулярных улиц (авеню и стриты) города Нью-Йорка. Помимо чисто практической, архитектура города может иметь еще и художественную ценность (что обычно больше интересует приезжих).Но этот аспект понятия "архитектура" вряд ли переносим на вычислительную технику.

И спользуя аналогию с градостроительством, естественно понимать под архитектурой ЭВМ ту совокупность их характеристик, которая необходима пользователю. Это, прежде всего, основные устройства и блоки ЭВМ, а также структура связей между ними. И действительно, если заглянуть, например, в "Толковый словарь по вычислительным системам", мы прочтем там, что термин "архитектура ЭВМ... используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных логических узлов ЭВМ (вследствие чего термин "архитектура" оказывается ближе к обыденному значению этого слова)."

О днако описание внутренней структуры ЭВМ вовсе не является самоцелью: с точки зрения архитектуры представляют интерес лишь те связи и принципы, которые являются наиболее общими, присущими многим конкретным реализациям вычислительных машин.Часто говорят даже о семействах ЭВМ, т.е. группах моделей, совместимых между собой. В пределах одного семейства основные принципы устройства и функционирования машин одинаковы, хотя отдельные модели могут существенно различаться по производительности, стоимости и другим параметрам. Ярким примером могут служить различные модификации компьютеров PDP фирмы DEC (более известные нашим пользователям по "отечественным аналогам" серии ДВК), семейство MSX-машин, к которому принадлежит широко распространенная "YAMAHA", а также заполнившие мир IBM-совместимые персональные компьютеры.

И менно то общее, что есть в строении ЭВМ, и относят к понятию архитектуры.

В ажно отметить, что целью такой общности в конечном счете служит вполне понятное стремление: все машины одного семейства независимо от их конкретного устройства и фирмы-производителя должны быть способны выполнять одну и ту же программу (на практике из-за постоянного роста вычислительной мощности техники чаще используется менее жесткий принцип совместимости снизу вверх: все программы данной модели выполнимы на более старших, но не обязательно наоборот.

Отсюда неизбежно следует вывод, что с точки зрения архитектуры важны не все сведения о построении ЭВМ, а только те, которые могут как-то использоваться при программировании и "пользовательской" работе с ЭВМ. Равно как максимально подробная архитектура города не нуждается в описании марок кирпичей, из которых построены дома, и растворов, которыми эти кирпичи скреплены, так и архитектура ЭВМ не содержит описания электронных схем, других деталей реализации, "невидимых"для пользователя (например, внутренний ускоритель доступа к памяти).

Н иже - основной перечень тех наиболее общих принципов построения ЭВМ, которые относятся к архитектуре:

• структура памяти ЭВМ;
• способы доступа к памяти и внешним устройствам;
• возможность изменения конфигурации компьютера;
• система команд;
• форматы данных;
• организация интерфейса.

С уммируя все вышеизложенное, получаем следующее определение архитектуры: архитектура - это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие програмное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов.

Классическая архитектура ЭВМ. Принципы фон Неймана.

О сновы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман (1903-1957). Он подключился к созданию первой в мире ламповой ЭВМ "ЭНИАК" в 1944 году, когда ее конструкция была уже выбрана. В процессе работы во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г.Голдстайном и А.Берксом, фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. В 1946 году ученые изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье "Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства". С тех пор прошло полвека, но выдвинутые в ней положения сохраняют актуальность и сегодня.

В статье убедительно обосновывается использование двоичной системы для представления чисел (нелишне напомнить, что ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде). Авторы убедительно продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации: текстовую, графическую, звуковую и другие. Но по-прежнему двоичное кодирование данных составляет информационную основу любого современного компьютера.

Е ще одной поистине революционной идеей, значение которой трудно переоценить, является предложенный Нейманом принцип "хранимой программы". Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например, для изменения программы "ЭНИАК" требовалось несколько дней (в то время как собственно расчет не мог продолжаться более нескольких минут - выходили из строя лампы). Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ей числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.

Ф он Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течении первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяются в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Следует отметить, что внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком. Так, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти, клавиатура - устройство ввода, а дисплей и печать - устройства вывода.

Рис.1 Архитектура ЭВМ, построенная на принципах фон Неймана. Стрелки указывают направление обмена. Символом "У" помечены управляющиесвязи между процессором и остальными узлами ЭВМ.

У стройство управления и арифметико-логическое устройство в современных компьютерах 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 и арифметических) операций, согласование работы узлов компьютера. Более детально функции процессора будут обсуждаться ниже. Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. ЗУ у современных компьютеров "многоярусно" и включает:

• ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть необходимых для нее данных, некоторые управляющие программы),
• ВЗУ (внешние запоминающие устройства) гораздо большей емкости чем ОЗУ, но с гораздо более медленным доступом (и гораздо меньшей стоимостью в расчете на 1 байт хранимой информации).

• ПЗУ (постоянное запоминающее устройство).

На ОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не заканчивается - определенные функции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоминающее устройство) существуют и другие подвиды компьютерной памяти.

В построенной по описанной схеме ЭВМ 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 рассматриваемой архитектуры.

Р азработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название "фон-неймановской архитектуры". Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день - это 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. Примером могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины.

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