Классическая архитектура электронной вычислительной машины и принципы фон Неймана

Архитектура вычислительной машины (англ. Computer architecture) - концептуальная структура вычислительной машины [1], определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения [2]. Т.о. принципиальное описание устройства и работы принято называть архитектурой ЭВМ.

В настоящее время наибольшее распространение получили два типа архитектур ЭВМ: принстонская (фон Неймана, рис. 1.17) и гарвардская (рис. 1.18).

Рис. 1.17. Структура ЭВМ с принстонской (фон-неймановской) архитектурой

Рис. 1.18. Структура ЭВМ с гарвардской архитектурой

Обе они выделяют два основных узла ЭВМ: центральный процессор и память компьютера. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных.

В более подробное описание, определяющее конкретную архитектуру, также входят: структурная схема ЭВМ, средства и способы доступа к элементам этой структурной схемы, организация и разрядность интерфейсов ЭВМ, набор и доступность регистров, организация памяти и способы её адресации, набор и формат машинных команд процессора, способы представления и форматы данных, правила обработки прерываний.

По перечисленным признакам и их сочетаниям среди архитектур выделяют:

- по разрядности интерфейсов и машинных слов: 8-, 16-, 32-, 64-, 128- разрядные (ряд ЭВМ имеет и иные разрядности);

- по особенностям набора регистров, формата команд и данных: CISC, RISC, VLIW;

- по количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные; многопроцессорные по принципу взаимодействия с памятью: симметричные многопроцессорные (SMP), масcивно-параллельные (MPP), распределенные.

Гарвардская архитектура - программа и данные хранятся в различных устройствах памяти (в архитектуре фон Неймана для выборки команды и двух операндов требуется три такта, здесь два; в реальности, это время может быть сокращено до одного такта).

Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Он подключился к созданию первой в мире ламповой ЭВМ ENIAC в 1944 году, когда ее конструкция была уже выбрана. В процессе работы во время многочисленных дискуссий со своими коллегами фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ и в 1946 г. ученые изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье[4]. 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 двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.

Еще 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 машины ENIAC 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 ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману (рис. 1.19) являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяемые в центральный процессор), память (ОЗУ), внешняя память (ВЗУ), устройства ввода и вывода. Схема устройства такой ЭВМ представлена на рис. 1.20.

Рис. 1.19. Блок-схема архитектуры ЭВМ по фон Нейману

Рис. 1.20. Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана.

Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные – управляющих сигналов от процессора ко всем остальными узлам

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, а клавиатура – устройство ввода, дисплей и печать – устройства вывода.

Устройство 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).

Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее

устройство у современных компьютеров "многоярусно” и включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть необходимых для нее данных, некоторые управляющие программы), и внешние запоминающие устройства (ВЗУ) гораздо большей емкости, чем ОЗУ. но с существенно более медленным доступом (и значительно меньшей стоимостью в расчете на 1 байт хранимой информации). На ОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не заканчивается – определенные функции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоминающее устройство), и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), 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. Машинная команда – это двоичный код, определяющий выполняемую операцию, адреса используемых операндов и адрес ячейки ЗУ, по которому должен быть записан результат выполненной операции.

По принципу обработки информации вычислительное устройство, предложенное фон Нейманом (автомат Неймана – АН), существенно отличается от машины Тьюринга (рис. 1.21), которая имеет конечное число знаков s_i, образующих

Рис. 1.21. Структура машины Тьюринга (МТ)

внешний алфавит, в котором кодируются сведения, подаваемые в неё, а также вырабатываемые в ней. Среди знаков имеется пустой знак (s₁), посылка которого в какую-либо ячейку стирает находившийся в ней знак и оставляет ее пустой.

В зависимости от поданной начальной информации (содержащихся на ленте внешней памяти знаков) возможны два случая:

- после конечного числа тактов машина останавливается (имея информацию β), подавая сигнал об остановке. В этом случае МТ применима к информации a и перерабатывает ее в информацию β;

- остановка никогда не наступает. В этом случае МТ не применима к начальной информации.

В каждый момент обозревается лишь одна ячейка ленты (памяти). Переход может осуществляться лишь к соседней ячейке (R – вправо, L – влево, N – нет перехода (остаться)). Переход к произвольной ячейке производится путем последовательного перебора всех ячеек, разделяющих текущую и необходимую ячейки. На каждом отдельном такте t команда предписывает только замену единственного знака s_i, хранящегося в обозреваемой ячейке, каким-либо другим знаком s_j.

Логический блок МТ имеет конечное число состояний {q_i} i=1..m.

Знаки R, L, N, q₁,..,q_mобразуют внутренний алфавит машины.

Переработанный знак s_j, записываемый в просматриваемую ячейку, состояние, которое примет машина Тьюринга в следующем такте q(t+1) и выполняемая в данном такте операция перехода к следующей ячейке P(t+1) являются функцией анализируемого в данном такте символа и текущего состояния машины s_i и q(t):

s_i(t+1)=f₁(s_i,q(t)); q(t+1)=f₂(s_i,q(t)); P(t+1)=f₃(s_i,q(t)).

Программа для МТ определяется тройкой {s_i, P, q}_t.

Перед началом работы машина Тьюринга находится в состоянии q1 считывания первого операнда.

Данная МТ применима к исходной информации. Останов – состояние q4. Значение s_i в ячейке y не меняется (сохраняется результат).

Если программа для МТ будет определена таблицей переходов, рис. 1.22, то

Рис. 1.22. Таблица переходов

данная МТ будет не применима к исходной информации, поскольку в состоянии q4 значение s_i в ячейке y постоянно меняется на противоположное.

Важная особенность машины Тьюринга – преобразование информации на каждом такте происходит лишь в одной ячейке, остальные дожидаются посещения головки, хотя часто имеется возможность работать параллельно.Простейшее решение – использование нескольких машин Тьюринга с общей для них внешней памятью (лентой) – не всегда допустимо из-за возможных конфликтов при обращении к одной и той же ячейке памяти.

В автомате Неймана число одновременно обрабатываемых ячеек может неограниченно расти, оставаясь в каждый момент конечным.

Элемент Неймана (ЭН) – это устройство, которое на каждом такте пребывает в одном из конечного числа состояний r_i R, образующих его алфавит. ЭН имеет два входных канала: левый и правый; по каждому из них на такте t также поступает по одному состоянию из R (рис. 1.23).

Рис. 1.23. Элемент Неймана

Элемент реализует функцию z_t+1= (r_i, r_j, r_m)_t, то есть в такте t+1 переходит в состояние z, определяемое его состоянием в текущий момент времени и значениями, поступившими по входным каналам.

Состояния элементов Неймана в момент времени t определяют конфигурацию автомата Неймана (рис. 1.24) в момент t: K(t).

Рис. 1.24. Структура автомата Неймана

Функционирование АН – это переход от состояния К(t) к состояниям K(t+1), K(t+2)...

За один такт свое состояние может менять большое число элементов Неймана, что фактически приводит к параллельной обработке информации.

Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название "фон-неймановской архитектуры”. Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день – 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 (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины).

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