Фон-Неймановская архитектура.

Архитектурные принципы фон Нейманом формулировались применительно к созданию автоматического устройства для решения дифференциальных уравнений.

Основные характеристики архитектуры фон Неймановского типа следующие:

последовательно адресуемая единственная память линейного типа для хранения программ и данных;

команды и данные различаются через идентификатор неявным способом лишь при выполнении операций. Принимаемые по умолчанию соглашения типа: операнды операции умножения – это данные, а объект, на который указывает команда перехода – это команда, позволяют обращаться с командой как с данными, например, для ее модификации;

назначение данных определяется лишь логикой программы, так как в памяти машины набор бит может представлять собой как десятичное число с фиксированной точкой, так и строку символов.

Указанные свойства были исключительно важными для своего времени. Однако появление языков высокого уровня (ЯВУ), новых методов решения, логических способов ускорения операций, более совершенной элементной базы требует наряду с имеющимися возможностями архитектуры и принципиально новых. Среди них требования ЯВУ имеют следующие особенности:

память состоит из набора дискретных именуемых переменных. Вовсе не требуется, например, чтобы память для значений переменных одной программы располагалась рядом с памятью для значений переменных другой программы. Таким образом, принцип единственной последовательной памяти имеет мало общего с организацией памяти в ЯВУ;

ЯВУ наряду с линейными данными оперируют и с многомерными: массивами, структурами, списками;

в ЯВУ четко разграничены операции и данные;

данные определяют и операции над ними.

Например, смысл операции A + C определяется описанием A и С. Cемантика операции "+" совершенно различна, например, для целых чисел и символьных переменных.

Архитектура фон Неймана плохо ориентирована на выполнение программ на ЯВУ. Действительно,

объем кодов, генерируемых компилятором, из‑за несоответствия требуемой ЯВУ и предлагаемой архитектурой организации памяти значительно превосходит необходимый объем для решения запрограммированной задачи;

примитивность выполняемых операций в объектном коде требует сложной работы компилятора.

К сожалению, ЯВУ имитируют в своей структуре архитектуру фон Неймановского типа: переменные – пассивное ЗУ; оператор присваивания – арифметическое устройство (АУ); последовательное выполнение операторов управления (IF, GOTO) – устройство управления (УУ).

Много сложностей из‑за работы компьютера в двоичной системе. Как отразится на экране дисплея вводимое десятичное вещественное число? Не будет ли потерь в младшем разряде?

Язык АДА, особенно беспокоящийся о точности вычислений, также не ушел от аппроксимации десятичных вещественных чисел двоичными.

Общая взаимосвязь между ЯВУ и ЭВМ в зависимости от уровня языка машины может быть представлена следующей схемой (рис. 1.5).

Введение программно‑адресуемых регистров (так называемых регистров общего назначения) существенно увеличивает количество используемых команд LOAD (загрузка в регистр) и STORE (запись в память), т. е. команд перемещения данных из регистров в память и обратно. Исследования на компьютере PDP для различных ЯВУ показывают, что 42 % всех выполняемых команд затрачивается на перемещение данных между памятью и регистрами. Имеются исследования, утверждающие, что использование кэш-памяти позволяет достичь увеличения быстродействия за счет использования регистров общего назначения.

В настоящее время имеются конкретные проекты архитектур машин, ориентированные на ЯВУ: ПАСКАЛЬ, PL, ЛИСП, КОБОЛ.

Однако больший интерес представляют архитектуры, ориентированные не на конкретный язык, а на общие семантические возможности некоторой группы языков. Так, архитектура машины SWARD ориентирована на языки PL/1, АДА, ФОРТРАН, КОБОЛ и некоторые другие, создавая тем самым благоприятную среду для программиста.

Компьютеры фирмы Burroughs, начиная с модели B 1700, за счет вызова различных микропрограмм динамически настраиваются на язык написания выполняемой программы.

1 – это традиционный подход. После компилирования программа переводится на машинный язык, а затем интерпретируется машиной; 2 – компиляция идет на машинный язык более высокого уровня, сокращая тем самым семантический разрыв между ЯВУ и машиной; 3 – здесь ЯВУ можно рассматривать как язык ассемблера, т. е. имеется взаимно однозначное соответствие между типами операторов и знаков операций ЯВУ с командами машинного языка. Здесь идет ассемблирование, а не компилирование, во время которого удаляются комментарии и пробелы в исходной программе, преобразуются разделители, ключевые слова и знаки операций в машинные коды, имена – в адреса полей памяти. Таким образом, многих привычных функций компилятора здесь нет. Остальная привязка программы к ЭВМ происходит перед выполнением программы; 4 – здесь машинный язык является ЯВУ и идет процесс интерпретации программы на компьютере.

Отметим, что разработчику архитектуры ЭВМ не следует строго ориентироваться на языки программирования, компиляторы, операционные системы и другие программы, чтобы не потерять главное в архитектуре – ориентацию на современные требования задач и окружение пользователя.

Необходимо искать разумный компромисс в распределении функций системы между аппаратной и программной реализацией с учетом стоимости, возможности модификации, работы на микроуровне и т. д. Необходимо помнить, что компьютер создается для эффективного выполнения программ.