Принципы фон Неймана

В основу архитектуры большинства ЭВМ положены следующие основные принципы, сформулированные в 1945 г. американским учёным Дж.фон Нейманом.

1. Принцип программного управления
Программа состоит из набора команд, которые процессор выполняет автоматически в определённой последовательности. Выборка команд из памяти выполняется с помощью счётчика команд. Это регистр процессора, значение которого последовательно увеличивается на длину выбранной команды. Если в программе предусмотрено нарушение последовательной выборки команды, то для этого используются команды условного или безусловного переходов (ветвления), которые помещают в счётчик команд адрес ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после выполнения команды СТОП.

2. Принцип однородности памяти
Программы и данные хранятся в одной и той же памяти, поэтому процессор не понимает тип содержимого ячейки. Над командами можно выполнять такие же действия, как над данными. Например, при выполнении программы она может изменяться (организация циклов). Команды одной программы могут быть получены как результат исполнения другой программы (напр. Трансляция).

3. Принцип адресности
Оперативная память представляется как последовательность пронумерованных ячеек, процессор в любой момент имеет доступ только к одной любой ячейке. Областям памяти можно присваивать имена, используя которые можно далее обращаться к соответствующим ячейкам.

Т.о. вычисления выполняются на основе принципа, который определил Дж. фон Нейман, как принцип процедурного программирования. Этот принцип требует, чтобы в процессоре было устройство управления, содержащее программный счетчик, указывающий текущую команду, чтобы команды (указанные программным счетчиком) последовательно считывались и декодировались по заранее заданному в виде программы алгоритму вычислений, вычисления выполнялись в операционном устройстве и данные последовательно перезаписывались в запоминающее устройство.

ЭВМ, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-Неймановских. Большинство ЭВМ 1-3 поколений построено на этих принципах, поэтому термин «фон-Неймановская архитектура» является синонимом термина «классическая архитектура».

Рис. 6. Общая структура фон-Неймановского процессора.

Альтернативой для фон-Неймановской архитектуры является т.н. Гарвардская архитектура ЭВМ. Они имеют два непересекающихся адресных пространства: для программы и для данных, причём программу нельзя разместить в свободной области памяти данных и наоборот. Гарвардская архитектура применяется главным образом в управляющих ЭВМ.

Рис. 7. Схема процессора с Гарвардской архитектурой.

Классическая архитектура предполагает развитую иерархию памяти, свя-

занную с существенно различными временами доступа для разных компонент

памяти. Эта иерархия включает в себя следующие компоненты:

1. Быстрая регистровая память процессора, включающая программно ад-

ресуемые регистры общего назначения процессора, внутренние регистры АЛУ

и специальные регистры УУ. В состав специальной памяти процессора может

входить и память микропрограмм.

2. Более медленная, но зато имеющая значительно большую емкость опе-

ративная память со своим собственным блоком управления;

3. Внешние запоминающие устройства, предназначенные для хранения

программ и данных при выключенном процессоре, имеющие существенно

большие времена доступа, совместно со специальной аппаратурой обслужива-

ния операций ввода/вывода.

Основные блоки ЭВМ:

ЭВМ с классической архитектурой включает следующую иерархию устройств:

n ЦУ

n ЦП

n УУ с интерфейсом процессора

n АЛУ

n Процессорная память

n ОП

n ВУ

n Внутренний интерфейс