Архитектура ЭВМ. Принципы фон Неймана

Магистрально-модульная организация компьютера, процессор, память, устройства ввода-вывода

Понятие архитектуры ЭВМ

Под архитектурой ЭВМ понимают совокупность общих принципов организации аппаратных средств компьютера и его логическое устройство, видимое программисту: набор регистров процессора, система команд, способы адресации памяти, организация ввода-вывода. Архитектура описывает компьютер на уровне, достаточном для написания программ и понимания принципов его работы, но не детализирует конкретную схемотехническую реализацию — одна и та же архитектура может быть реализована разными техническими средствами.

Принципы фон Неймана

В 1945 году математик Джон фон Нейман сформулировал принципы построения ЭВМ, которые легли в основу подавляющего большинства современных компьютеров. Принцип программного управления состоит в том, что программа (последовательность команд) хранится в памяти компьютера так же, как и данные, и выполняется автоматически, без вмешательства человека, команда за командой. Принцип однородности памяти означает, что команды программы и обрабатываемые данные хранятся в одной и той же памяти и внешне неразличимы — отличить код от данных можно только по способу использования (интерпретации), что, в частности, позволяет программе изменять саму себя. Принцип адресности заключается в том, что память состоит из пронумерованных ячеек, и процессор в произвольный момент может обратиться к любой ячейке по её адресу. Принцип двоичного кодирования предписывает представлять все команды и данные в двоичной системе счисления в виде последовательностей нулей и единиц.

Магистрально-модульный принцип организации

Большинство современных компьютеров построено по магистрально-модульному принципу: отдельные функциональные устройства (модули) — процессор, память, контроллеры устройств ввода-вывода — подключены к общей системной магистрали (шине) и обмениваются данными через неё. Шина включает три составляющие: шину данных (по ней передаются собственно данные), шину адреса (по ней передаётся адрес ячейки памяти или устройства, к которому идёт обращение) и шину управления (по ней передаются управляющие сигналы: чтение, запись, прерывание и т. д.). Такая организация обеспечивает модульность: любое устройство можно заменить или добавить, не переделывая остальные части компьютера — это и составляет основу принципа открытой архитектуры.

Процессор

Центральный процессор (CPU) — устройство, выполняющее программы и управляющее работой всех остальных узлов компьютера. В его состав входят арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции над данными, устройство управления (УУ), которое выбирает из памяти очередную команду, расшифровывает её и формирует управляющие сигналы для остальных узлов, а также набор регистров — сверхбыстрой памяти малого объёма для хранения операндов, промежуточных результатов и служебной информации (например, счётчика команд, хранящего адрес следующей выполняемой команды). Важнейшие характеристики процессора — тактовая частота (число элементарных операций в секунду, измеряется в герцах) и разрядность (количество двоичных разрядов, обрабатываемых процессором за один такт, например 32 или 64 бита).

Память компьютера: иерархия

Память компьютера организована иерархически: чем выше быстродействие уровня памяти, тем меньше его объём и выше стоимость хранения одного бита. Внутренняя память включает сверхбыстрые регистры процессора, кэш-память (промежуточный быстрый буфер между процессором и оперативной памятью), оперативную память (ОЗУ, RAM) — энергозависимую память для хранения выполняемых в данный момент программ и данных, и постоянную память (ПЗУ, ROM) — энергонезависимую память, хранящую неизменяемые программы (например, базовую систему ввода-вывода BIOS/UEFI). Внешняя (долговременная) память — жёсткие диски, твердотельные накопители, флеш-память — энергонезависима и предназначена для длительного хранения больших объёмов информации.

Устройства ввода и вывода

Устройства ввода-вывода обеспечивают обмен информацией между компьютером и внешним миром: клавиатура, мышь, сканер, сенсорный экран служат для ввода данных, монитор, принтер, звуковые колонки — для вывода. Каждое устройство подключается к магистрали не напрямую, а через контроллер (адаптер) — специализированную микросхему, согласующую электрические сигналы и протокол обмена устройства с шиной компьютера. Работой контроллера, в свою очередь, управляет программа, называемая драйвером устройства; именно наличие подходящего драйвера в операционной системе делает возможной работу конкретной модели устройства.

Адресуемость памяти и её объём

Количество ячеек памяти, к которым процессор может обратиться, определяется разрядностью шины адреса. Если шина адреса содержит I двоичных разрядов, то с её помощью можно закодировать N различных адресов; связь между N и I задаётся формулой Хартли для равновероятных сообщений:

$N=2^I$

и обратно, минимальное число разрядов адреса, необходимое для адресации N ячеек памяти:

$I={log}_{2}N$

Пример: расчёт объёма адресуемой памяти

Задача. Шина адреса процессора содержит 16 линий. Определите максимальное число ячеек памяти, которые процессор может адресовать напрямую.

Решение.

$N=2^I=2^{16}=65536ячеек=64Кбайт\left(приадресациипо1байту\right)$

Ответ. 65 536 ячеек (64 Кбайт), если адресуются отдельные байты. Именно поэтому увеличение разрядности шины адреса с 16 до 32 и далее до 64 бит исторически было необходимо для поддержки постоянно растущих объёмов оперативной памяти современных компьютеров.

Принцип открытой архитектуры

Идея открытой архитектуры, реализованная фирмой IBM в персональных компьютерах начала 1980-х годов, состоит в том, что технические характеристики и спецификации магистрали публикуются и становятся доступны сторонним производителям. Это позволило множеству независимых компаний выпускать совместимые между собой комплектующие — платы расширения, видеокарты, накопители — что резко удешевило производство и ускорило развитие персональных компьютеров. Магистрально-модульный принцип организации является техническим фундаментом, на котором стала возможна открытая архитектура.

Альтернатива: Гарвардская архитектура

Наряду с фон-неймановской архитектурой, где команды и данные хранятся в единой памяти, существует Гарвардская архитектура, в которой память команд и память данных физически разделены и имеют собственные шины. Это позволяет процессору одновременно считывать команду и обращаться к данным, повышая быстродействие, но усложняет схему и лишает программу возможности динамически изменять саму себя. Гарвардская архитектура (и различные гибридные схемы) широко применяется в микроконтроллерах и сигнальных процессорах (DSP), тогда как персональные компьютеры и серверы по-прежнему строятся на принципах фон Неймана.

Типичные ошибки

Частая ошибка — путать понятия «архитектура» и «устройство» (конкретная схемотехническая реализация): архитектура описывает принципы и логику работы, тогда как устройство — это конкретное техническое воплощение этих принципов, и разные модели процессоров с разным устройством могут иметь одну и ту же архитектуру (например, систему команд x86). Также часто путают шину адреса и шину данных: по шине адреса передаётся номер ячейки, к которой идёт обращение, а по шине данных — само содержимое этой ячейки. Ещё одна распространённая ошибка в задачах — забыть, что формула N=2^I даёт число адресуемых ячеек, а не объём памяти в байтах, если единица адресации отличается от байта.

Краткий словарь терминов

Архитектура ЭВМ — совокупность принципов построения компьютера, определяющих его логическую организацию, видимую программисту.

Принцип программного управления — программа хранится в памяти и выполняется автоматически, команда за командой, без вмешательства человека.

Принцип однородности памяти — команды и данные хранятся в общей памяти и неразличимы по форме представления.

Магистраль (шина) — совокупность линий связи (адреса, данных, управления), объединяющая устройства компьютера.

Контроллер (адаптер) — устройство, согласующее работу периферийного устройства с системной магистралью.

Регистр — сверхбыстрая ячейка памяти малого объёма внутри процессора.

Гарвардская архитектура — архитектура с физически раздельной памятью команд и данных.

Заключение

Принципы фон Неймана — программное управление, однородность памяти, адресность и двоичное кодирование — заложили основу устройства подавляющего большинства компьютеров на протяжении последних восьмидесяти лет. Магистрально-модульная организация и связанный с ней принцип открытой архитектуры обеспечили быстрое развитие и удешевление вычислительной техники. Понимание того, как устроены процессор, память и устройства ввода-вывода, а также как они взаимодействуют через системную шину, — необходимая база для изучения следующей темы: программного обеспечения, без которого «железо» компьютера остаётся бесполезным набором электронных схем.