Суть принципа программного управления фон неймана. Классическая архитектура эвм и принципы фон неймана

08.01.2024 Фотоэффекты

ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ

Конспект лекций

Челябинск

ПРИНЦИПЫ ДЖОНА ФОН НЕЙМАН. ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ

Принципы Джона фон Нейман

В основу построения подавляющего большинства ЭВМ положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 году американским ученым венгерского происхождения ДЖОНОМ фон НЕЙМАНОМ.

1) Принцип двоичного кодирования.

Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов.

2) Принцип программного управления .

Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

3) Принцип однородности памяти.

Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

4) Принцип адресности.

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причем процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или изменять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

Согласно фон Нейману, ЭВМ состоит из следующих основных блоков:

– устройства ввода/вывода информации;

– память компьютера;

– процессор, состоящий из устройства управления (УУ) и арифметико-логического устройства (АЛУ).

Машины, построенные на этих принципах, называются ФОН-НЕЙМАНОВСКИМИ

Таким образом, компьютер можно представить себе как процессор, многоуровневую систему памяти, систему внешних и внутренних связующих коммуникаций и периферийные устройства.

К функциям памяти относятся:

– приём информации из других устройств;

– запоминание информации;

– выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Функции процессора:

– обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;

– программное управление работой устройств компьютера.

Та часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ), а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, называется устройством управления (УУ). Обычно эти два устройства выделяются условно, конструктивно они не разделены.

В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами.

Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Над содержимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, вырезать отдельные части команды для последующего их использования или выполнять определенные арифметические операции над числами.

Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд).

Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления.

Существует несколько типов регистров (рис. 1.1), отличающихся видом выполняемых операций:.

– сумматор – регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции;

– счетчик команд – регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти;

– регистр команд – регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные – для хранения кодов адресов операндов.

Рисунок 1.1

Схема сопряжения регистров процессора

АРХИТЕКТУРА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

Рассмотрим физическую организацию персонального компьютера фирмы IBM, его периферию и принципы сопряжения отдельных компонентов.

Микропроцессор

Является центральным узлом персонального компьютера. Процессор обладает способностью выполнять команды, составляющие компьютерную программу. Персональные компьютеры строятся на базе микропроцессоров, выполняемых в настоящее время на одном кристалле или «чипе».

Микропроцессор, использованный в IBM/PC, был разработан и создан фирмой «Интел». Принципиальное отличие IBM/PC от персональных компьютеров предыдущего поколения заключается в использовании 16-разрядного микропроцессора. До появления IBM/PC наиболее популярные персональные компьютеры строились на базе 8-разрядных микропроцессоров.

Различия между 8- и 16-разрядными микропроцессорами состоит в том, что 8-разрядные процессоры могут манипулировать данными, состоящими из 8 бит, а 16-разрядные процессоры могут работать и 16-разрядными данными. Основное преимущество 16-разрядных процессоров перед 8-разрядными заключается в значительном повышении их быстродействия, мощности и удобства их набора команд. Кроме того, существенно увеличивается объем адресуемой памяти. Большинство 8-разрядных процессоров может использовать не более 64К памяти, что значительно уменьшает возможности эффективного использования персональных компьютеров. Процессоры 8088 и 8086, используемые в IBM/PC, позволяют адресовать 1024К.

Функциональное назначение

Сигналы синхронизации работы системы обеспечиваются генератором 8284А. Эти сигналы используются всеми элементами компьютера и задают длительность операций. С тактовым генератором связан таймер 8255А-5, использующийся для поддержки интерфейса накопителя на кассетной магнитной ленте и встроенного динамика.

Функционирование компьютерной системы основано на использовании прерываний. Для организации работы системы прерываний используется микросхема 8259А. Когда данные передаются внутри компьютерной системы, они проходят по общему каналу, к которому имеют доступ все компоненты системы. Этот путь получил название шины данных .

Концепция шины представляет собой один из наиболее совершенных методов унификации при разработке компьютеров. Вместо того чтобы пытаться соединять все элементы компьютерной системы между собой специальными соединениями, разработчики компьютеров ограничили пересылку данных одной общей шиной. Данные пересылаются по шине в сопровождении специальных сигналов, обозначающих их назначение. Эта идея чрезвычайно упростила конструкцию компьютеров и существенно увеличила ее гибкость. Чтобы добавить новый компонент, не требуется выполнять множество различных соединений, достаточно присоединить его к шине. Чтобы упорядочить передачу информации по шине используется контроллер шины.

X-терминалы

X-терминалы представляют собой комбинацию бездисковых рабочих станций и стандартных терминалов. Бездисковые рабочие станции часто применялись в качестве дорогих дисплеев и в этом случае не полностью использовали локальную вычислительную мощь. Совсем недавно, как только стали доступными очень мощные графические рабочие станции, появилась тенденция применения «подчиненных» X-терминалов, которые используют рабочую станцию в качестве локального сервера.

Как правило, стоимость X-терминалов составляет около половины стоимости сравнимой по конфигурации бездисковой машины и примерно четверть стоимости полностью оснащенной рабочей станции.

Типовой X-терминал (рис.3.1) включает следующие элементы:

– экран высокого разрешения – обычно размером от 14 до 21 дюйма по диагонали;

– микропроцессор на базе Motorola 68xxx или RISC-процессор типа Intel i960, MIPS R3000 или AMD29000;

– отдельный графический сопроцессор в дополнение к основному процессору, поддерживающий двухпроцессорную архитектуру, которая обеспечивает более быстрое рисование на экране и прокручивание экрана;

– базовые системные программы, на которых работает система X-Windows и выполняются сетевые протоколы;

– программное обеспечение сервера X11.

– переменный объем локальной памяти (от 2 до 8 Мбайт) для дисплея, сетевого интерфейса, поддерживающего сетевые протоколы передачи данных.

– порты для подключения клавиатуры и мыши.

Рисунок 3.1

Схема работы X-терминала

X-терминалы отличаются от ПК и рабочих станций не только тем, что не выполняет функции обычной локальной обработки. Работа X-терминалов зависит от главной (хост) системы, к которой они подключены посредством сети. Для того чтобы X-терминал мог работать, пользователи должны инсталлировать программное обеспечение многооконного сервера X11 на главном процессоре, выполняющем прикладную задачу (наиболее известная версия X11 Release 5).

Минимальный объем требуемой для работы памяти X-терминала составляет 1 Мбайт. В зависимости от функциональных возможностей изделия оперативная память может расширяться до 32 Мбайт и более.

Оснащенный стандартной системой X-Windows, X-терминал может отображать на одном и том же экране множество приложений одновременно. Каждое приложение может выполняться в своем окне, а пользователь может изменять размеры окон, их месторасположение и манипулировать ими в любом месте экрана.

Серверы

Прикладные многопользовательские системы используют технологию «клиент-сервер» и распределенную обработку данных. В случае «клиент-сервер» часть работы выполняет сервер, а часть пользовательский компьютер (в общем случае клиентская и пользовательская части могут работать и на одном компьютере). Существует несколько типов серверов, ориентированных на разные применения: файл-сервер, сервер базы данных, принт-сервер, вычислительный сервер, сервер приложений. Таким образом, тип сервера определяется видом ресурса, которым он владеет (файловая система, база данных, принтеры, процессоры или прикладные пакеты программ).

С другой стороны, существует классификация серверов, определяющаяся масштабом сети, в которой они используются: сервер рабочей группы, сервер отдела или сервер масштаба предприятия (корпоративный сервер). Эта классификация весьма условна. Например, размер группы может меняться в диапазоне от нескольких человек до нескольких сотен человек, а сервер отдела обслуживать от 20 до 150 пользователей. Очевидно в зависимости от числа пользователей и характера решаемых ими задач требования к составу оборудования и программного обеспечения сервера, к его надежности и производительности сильно варьируются.

Файловые серверы небольших рабочих групп (не более 20-30 человек) проще всего реализуются на платформе персональных компьютеров и программном обеспечении Novell NetWare. Файл-сервер, в данном случае, выполняет роль центрального хранилища данных. Серверы прикладных систем и высокопроизводительные машины для среды «клиент-сервер» значительно отличаются требованиями к аппаратным и программным средствам.

Скорость процессора для серверов с интенсивным вводом/выводом некритична. Они должны быть оснащены достаточно мощными блоками питания для возможности установки дополнительных плат расширения и дисковых накопителей. Желательно применение устройства бесперебойного питания. Оперативная память обычно имеет объем не менее 128 Мбайт, что позволит операционной системе использовать большие дисковые кэши и увеличить производительность сервера. При наличии одного сегмента сети и 10-20 рабочих станций пиковая пропускная способность сервера ограничивается максимальной пропускной способностью сети. В этом случае замена процессоров или дисковых подсистем более мощными не увеличивают производительность, так как узким местом является сама сеть. Поэтому важно использовать хорошую плату сетевого интерфейса.

Современные серверы характеризуются:

– наличием двух или более центральных процессоров;

– многоуровневой шинной архитектурой, в которой высокоскоростная системная шина связывает между собой несколько процессоров и оперативную память, а также множество стандартных шин ввода/вывода, размещенных в том же корпусе;

– поддержкой технологии дисковых массивов RAID;

– поддержкой режима симметричной многопроцессорной обработки, которая позволяет распределять задания по нескольким центральным процессорам или режима асимметричной многопроцессорной обработки, которая допускает выделение процессоров для выполнения конкретных задач.

Мейнфреймы

Мейнфреймы – до сегодняшнего дня остаются наиболее мощными вычислительными системами общего назначения, обеспечивающими непрерывный круглосуточный режим эксплуатации. В архитектурном плане мейнфреймы представляют собой многопроцессорные системы, содержащие один или несколько центральных и периферийных процессоров с общей памятью, связанных между собой высокоскоростными магистралями передачи данных. При этом основная вычислительная нагрузка ложится на центральные процессоры, а периферийные обеспечивают работу с множеством периферийных устройств.

Главным недостатком мейнфреймов в настоящее время остается относительно низкое соотношение производительность/стоимость.

Кластерные архитектуры

Двумя основными проблемами построения вычислительных систем для критически важных приложений, связанных с обработкой транзакций, управлением базами данных и обслуживанием телекоммуникаций, являются обеспечение высокой производительности и продолжительного функционирования систем. Наиболее эффективный способ достижения заданного уровня производительности – применение параллельных масштабируемых архитектур. Задача обеспечения продолжительного функционирования системы имеет три составляющих: надежность, готовность и удобство обслуживания. Все эти три составляющих предполагают, в первую очередь, борьбу с неисправностями системы, порождаемыми отказами и сбоями в ее работе. Эта борьба ведется по всем трем направлениям, которые взаимосвязаны и применяются совместно.

Повышение надежности основано на принципе предотвращения неисправностей путем снижения интенсивности отказов и сбоев за счет применения электронных схем и компонентов с высокой и сверхвысокой степенью интеграции, снижения уровня помех, облегченных режимов работы схем, обеспечение тепловых режимов их работы, а также за счет совершенствования методов сборки аппаратуры. Повышение уровня готовности предполагает подавление в определенных пределах влияния отказов и сбоев на работу системы с помощью средств контроля и коррекции ошибок, а также средств автоматического восстановления вычислительного процесса после проявления неисправности, включая аппаратурную и программную избыточность, на основе которой реализуются различные варианты отказоустойчивых архитектур. Повышение готовности есть способ борьбы за снижение времени простоя системы. Основные эксплуатационные характеристики системы существенно зависят от удобства ее обслуживания, в частности от ремонтопригодности, контролепригодности и т.д.

Существует несколько типов систем высокой готовности, отличающиеся своими функциональными возможностями и стоимостью. Стоимость систем высокой готовности на много превышает стоимость обычных систем. Вероятно, поэтому наибольшее распространение в мире получили кластерные системы, благодаря тому, что они обеспечивают достаточно высокий уровень готовности систем при относительно низких затратах.

Кластеризация – это реализация объединения машин, представляющихся единым целым для операционной системы, системного программного обеспечения, прикладных программ и пользователей.

Машины, кластеризованные вместе таким способом, могут при отказе одного процессора очень быстро перераспределить работу на другие процессоры внутри кластера. Это наиболее важная задача многих поставщиков систем высокой готовности.

Компьютеры в кластере могут разделять доступ к общим ленточным и дисковым накопителям. Все компьютеры в кластере могут обращаться к отдельным файлам данных как к локальным.

Если происходит отказ одного из компьютеров, задания его пользователей автоматически могут быть перенесены на другой компьютер кластера. Если в системе имеется несколько контроллеров внешних накопителей и один из них отказывает, другие контроллеры автоматически подхватывают его работу (высокая готовность).

Высокая пропускная способность . Ряд прикладных систем могут пользоваться возможностью параллельного выполнения заданий на нескольких компьютерах кластера.

Удобство обслуживания системы . Общие базы данных могут обслуживаться с единственного места. Прикладные программы могут инсталлироваться только однажды на общих дисках кластера и разделяться между всеми компьютерами кластера.

Расширяемость. Увеличение вычислительной мощности кластера достигается подключением к нему дополнительных компьютеров. Дополнительные накопители на магнитных дисках и магнитных лентах становятся доступными для всех компьютеров, входящих в кластер.

Работа любой кластерной системы определяется двумя главными компонентами: высокоскоростным механизмом связи процессоров между собой и системным программным обеспечением, которое обеспечивает клиентам прозрачный доступ к системному сервису. В настоящее время широкое распространение получила также технология параллельных баз данных. Эта технология позволяет множеству процессоров разделять доступ к единственной базе данных. Распределение заданий по множеству процессорных ресурсов и параллельное их выполнение позволяет достичь более высокого уровня пропускной способности транзакций, поддерживать большее число одновременно работающих пользователей и ускорить выполнение сложных запросов. Существуют три различных типа архитектуры, которые поддерживают параллельные базы данных.

1) Симметричная многопроцессорная архитектура с общей памятью (Shared Memory SMP Architecture). Эта архитектура (рис. 3.3.) поддерживает единую базу данных, работающую на многопроцессорном сервере под управлением одной операционной системы. Увеличение производительности таких систем обеспечивается наращиванием числа процессоров, устройств оперативной и внешней памяти.

Рисунок 3.3.

Симметричная многопроцессорная архитектура с общей памятью

2) Архитектура с общими (разделяемыми) дисками. Эта архитектура поддерживает единую базу данных при работе с несколькими компьютерами, объединенными в кластер (обычно такие компьютеры называются узлами кластера), каждый из которых работает под управлением своей копии операционной системы. В таких системах все узлы разделяют доступ к общим дискам, на которых собственно и располагается единая база данных. Производительность таких систем может увеличиваться как путем наращивания числа процессоров и объемов оперативной памяти в каждом узле кластера, так и посредством увеличения количества самих узлов.

3) Архитектура без разделения ресурсов. Как и в архитектуре с общими дисками, в этой архитектуре поддерживается единый образ базы данных при работе с несколькими компьютерами, работающими под управлением своих копий операционной системы. Однако в этой архитектуре каждый узел системы имеет собственную оперативную память и собственные диски, которые не разделяются между отдельными узлами системы. Практически в таких системах разделяется только общий коммуникационный канал между узлами системы. Производительность таких систем может увеличиваться путем добавления процессоров, объемов оперативной и внешней (дисковой) памяти в каждом узле, а также путем наращивания количества таких узлов.

Таким образом, среда для работы параллельной базы данных обладает двумя важными свойствами: высокой готовностью и высокой производительностью. В случае кластерной организации несколько компьютеров или узлов кластера работают с единой базой данных. В случае отказа одного из таких узлов, оставшиеся узлы могут взять на себя задания, выполнявшиеся на отказавшем узле, не останавливая общий процесс работы с базой данных. Поскольку логически в каждом узле системы имеется образ базы данных, доступ к базе данных будет обеспечиваться до тех пор, пока в системе имеется, по крайней мере, один исправный узел. Производительность системы легко масштабируется, т.е. добавление дополнительных процессоров, объемов оперативной и дисковой памяти, и новых узлов в системе может выполняться в любое время, когда это действительно требуется.

Параллельные базы данных находят широкое применение в системах обработки транзакций в режиме on-line, системах поддержки принятия решений и часто используются при работе с критически важными для работы предприятий и организаций приложениями, которые эксплуатируются по 24 часа в сутки.

СИСТЕМА ПРЕРЫВАНИЙ

Общие сведения

Прерывание – это инициируемый определенным образом процесс, временно переключающий микропроцессор на выполнение другой программы с последующим возобновлением выполнения прерванной программы.

Механизм прерываний позволяет обеспечить наиболее эффективное управление не только внешними устройствами, но и программами. Некоторые операционные системы используют механизм прерываний не только для обслуживания внешних устройств, но и для предоставления своих услуг. Так, хорошо известная и до сих пор достаточно широко используемая операционная система MS-DOS взаимодействует с системными и прикладными программами преимущественно через систему прерываний.

Прерывания могут быть внешними и внутренними .

Внешние прерывания вызываются внешними по отношению к микропроцессору событиями. На них формируются внешние по отношению к микропроцессору сигналы, которые извещают микропроцессор о том, что некоторое внешнее устройство просит уделить ему внимание.

Внутренние прерывания возникают внутри микропроцессора во время вычислительного процесса. К их возбуждению приводит одна из двух причин:

– ненормальное внутреннее состояние микропроцессора, возникшее при обработке некоторой команды программы;

– обработка машинной команды «int xx». Такой тип прерываний называется программным. Это – планируемые прерывания, так как с их помощью программист обращается в нужное для него время за обслуживанием своих запросов либо к операционной системе, либо к BIOS, либо к собственным программам обработки прерываний.

Обработка прерываний.

Микропроцессоры Intel имеют два режима работы – реальный и защищенный. В этих режимах обработка прерываний осуществляется принципиально разными методами.

Рассмотрим обработку прерываний в реальном режиме.

В общем случае система прерываний – это совокупность программных и аппаратных средств, реализующих механизм прерываний.

К аппаратным средствам системы прерываний относятся

– выводы микропроцессора

INTR – вывод для входного сигнала внешнего прерывания. На этот вход поступает выходной сигнал от микросхемы контроллера прерываний 8259А;

INTA – вывод микропроцессора для выходного сигнала подтверждения получения сигнала прерывания микропроцессором. Этот выходной сигнал поступает на одноименный вход INTA микросхемы контроллера прерываний 8259А;

NMI – вывод микропроцессора для входного сигнала немаскируемого прерывания;

– микросхема программируемого контроллера прерываний 8259А. Она предназначена для фиксирования сигналов прерываний от восьми различных внешних устройств: таймера, клавиатуры, магнитных дисков и т. д. Обычно используют две последовательно соединенные микросхемы 8259A. В результате такого соединения количество возможных источников внешних прерываний возрастает до 15.

К программным средствам системы прерываний реального режима относятся:

– таблица векторов прерываний, в которой в определенном формате, зависящем от режима работы микропроцессора, содержатся указатели на процедуры обработки соответствующих прерываний;

– следующие флаги в регистре флагов flags\eflags:

IF (Interrupt Flag) – флаг прерывания. Предназначен для так называемого маскирования (запрещения) аппаратных прерываний, то есть прерываний по входу INTR. На обработку прерываний остальных типов флаг IF влияния не оказывает. Если IF=1, микропроцессор обрабатывает внешние прерывания, если IF = 0, микропроцессор игнорирует сигналы на входе INTR;

TF (Trace Flag) - флаг трассировки. Единичное состояние флага TF переводит микропроцессор в режим покомандной работы. В режиме покомандной работы после выполнения каждой машинной команды в микропроцессоре генерируется внутреннее прерывание с номером 1, и далее следуют действия в соответствии с алгоритмом обработки данного прерывания;

– машинные команды микропроцессора: int, into, iret, cli, sti ().

Микросхема контроллера прерываний выполняет следующие функции:

– фиксирование запросов на обработку прерывания от восьми источников, формирование единого запроса на прерывание и подача его на вход INTR микропроцессора;

– формирование номера вектора прерывания и выдача его на шину данных;

– организация приоритетной обработки прерываний;

– запрещение (маскирование) прерываний с определенными номерами.

Важным свойством данного контроллера является возможность его программирования, что позволяет достаточно гибко изменять алгоритмы обработки аппаратных прерываний.

В процессе загрузки компьютера и в дальнейшем во время работы контроллер прерываний настраивается на работу в одном из четырех режимов.

1) Режим вложенных прерываний. В этом режиме каждому входу (уровню) irq0...irq7 присваивается фиксированное значение приоритета, причем уровень irq0 имеет наивысший приоритет, а irq7 - наименьший. Приоритетность прерываний определяет их право на прерывание обработки менее приоритетного прерывания более приоритетным (при условии, конечно, что IF=1).

2) Режим циклической обработки прерываний . В этом режиме значения приоритетов уровней прерываний также линейно упорядочены, но уже не фиксированным образом, а изменяются после обработки очередного прерывания по следующему принципу: значению приоритета последнего обслуженного прерывания присваивается наименьшее значение. Следующий по порядку уровень прерывания получает наивысшее значение, и поэтому при одновременном приходе запросов на прерывания от нескольких источников преимущество будет иметь этот уровень.

3) Режим адресуемых приоритетов. Программист или система самостоятельно могут назначить уровень прерывания с наивысшим приоритетом.

4) Режим опроса. Этот режим запрещает контроллеру автоматически прерывать работу микропроцессора при появлении прерывания от некоторого внешнего устройства. Для того чтобы микропроцессор смог узнать о наличии того или иного запроса на прерывание, он должен сам обратиться к контроллеру прерываний, проанализировать его и далее действовать по своему алгоритму. Согласно этому подходу, инициатором обработки прерывания становится не само прерывание, как при векторной дисциплине, а микропроцессор, причем в определяемые им (точнее, операционной системой, выполняемой на нем) моменты времени.

ИЕРАРХИЯ ПАМЯТИ

В основе реализации иерархии памяти современных компьютеров лежат два принципа: принцип локальности обращений и соотношение стоимость/производительность.

Принцип локальности обращений говорит о том, что большинство программ к счастью не выполняют обращений ко всем своим командам и данным равновероятно, а оказывают предпочтение некоторой части своего адресного пространства.

Иерархия памяти современных компьютеров строится на нескольких уровнях, причем более высокий уровень меньше по объему, быстрее и имеет большую стоимость в пересчете на байт, чем более низкий уровень. Уровни иерархии взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть также найдены на более низком уровне, и все данные на этом более низком уровне могут быть найдены на следующем нижележащем уровне и так далее, пока мы не достигнем основания иерархии.

Иерархия памяти обычно состоит из многих уровней, но в каждый момент времени мы имеем дело только с двумя близлежащими уровнями. Минимальная единица информации, которая может либо присутствовать, либо отсутствовать в двухуровневой иерархии, называется блоком. Размер блока может быть либо фиксированным, либо переменным. Если этот размер зафиксирован, то объем памяти является кратным размеру блока.

Успешное или неуспешное обращение к более высокому уровню называются соответственно попаданием или промахом .

Попадание – есть обращение к объекту в памяти, который найден на более высоком уровне, в то время как промах означает, что он не найден на этом уровне.

Поскольку повышение производительности является главной причиной появления иерархии памяти, частота попаданий и промахов является важной характеристикой. Время обращения при попадании есть время обращения к более высокому уровню иерархии, которое включает в себя, в частности, и время, необходимое для определения того, является ли обращение попаданием или промахом. Потери на промах есть время для замещения блока в более высоком уровне на блок из более низкого уровня плюс время для пересылки этого блока в требуемое устройство (обычно в процессор). Потери на промах далее включают в себя две компоненты: время доступа – время обращения к первому слову блока при промахе, и время пересылки – дополнительное время для пересылки оставшихся слов блока. Время доступа связано с задержкой памяти более низкого уровня, в то время как время пересылки связано с полосой пропускания канала между устройствами памяти двух смежных уровней.

Чтобы описать некоторый уровень иерархии памяти надо ответить на следующие четыре вопроса.

1) Где может размещаться блок на верхнем уровне иерархии? (размещение блока).

2) Как найти блок, когда он находится на верхнем уровне? (идентификация блока).

3) Какой блок должен быть замещен в случае промаха? (замещение блоков).

4) Что происходит во время записи? (стратегия записи).

Организация кэш-памяти

Cегодня кэш-память имеется практически в любом компьютере. Как правило, конструктивно современная кэш-память неотделима от процессора

Общие положения

Основная память представляет собой следующий уровень иерархии памяти. Основная память удовлетворяет запросы кэш-памяти и служит в качестве интерфейса ввода/вывода, поскольку является местом назначения для ввода и источником для вывода. Для оценки производительности основной памяти используются два основных параметра: задержка и полоса пропускания. Традиционно задержка основной памяти имеет отношение к кэш-памяти, а полоса пропускания или пропускная способность относится к вводу/выводу. В связи с ростом популярности кэш-памяти второго уровня и увеличением размеров блоков у такой кэш-памяти, полоса пропускания основной памяти становится важной также и для кэш-памяти.

Задержка памяти традиционно оценивается двумя параметрами: временем доступа (access time) и длительностью цикла памяти (cycle time).

Время доступа представляет собой промежуток времени между выдачей запроса на чтение и моментом поступления запрошенного слова из памяти.

Длительность цикла памяти определяется минимальным временем между двумя обращениями к памяти.

Полупроводниковая оперативная память в настоящее время делится на статическое ОЗУ (SRAM) и динамическое ОЗУ (DRAM). (Random Access Memory – запоминающее устройство с произвольной выборкой).

Микросхемы (DRAM) характеризуются большей емкостью и меньшей стоимостью, но требуют схем регенерации и имеют значительно большее время доступа.

Триггером называют элемент на транзисторах, который может находиться в одном из двух устойчивых состояний (0 и 1), а по внешнему сигналу он способен менять состояние. Триггер может служить ячейкой памяти, хранящей один бит информации.

Память, основанная на триггерах, называется статической (SRAM).

Принцип устройства DRAM следующий: система металл-диэлектрик-полупроводник способна работать как конденсатор, т.е. способна некоторое время держать на себе электрический заряд. Обозначив заряженное состояние как 1 и незаряженное как 0, получим ячейку памяти емкостью 1 бит. Поскольку заряд на конденсаторе рассеивается через некоторый промежуток времени, то его необходимо периодически подзаряжать (регенерировать), считывая и вновь записывая в него данные. Из-за этого и возникло понятие «динамическая» для этого вида памяти.

Статическое ОЗУ – дорогой и неэкономичный вид ОЗУ, поэтому его используют в основном для кэш-памяти и в регистрах микропроцессорах.

Развитие оперативной памяти

Динамическое ОЗУ со времени своего появления прошло несколько стадий роста. Вначале микросхемы динамического ОЗУ производились в DIP-корпусах. Затем их сменили модули, состоящие из нескольких микросхем: SIPP, SIMM и, наконец, DIMM и RIMM. Рассмотрим эти разновидности поподробнее.

1) DIP- корпус – это самая древняя реализация DRAM. Обычно это маленький черный корпус из пластмассы, по обеим сторонам которого располагаются металлические контакты.

Микросхемы (по-другому, чипы) динамического ОЗУ устанавливались так называемыми банками. Банки бывают на 64, 256 Кбайт, 1 и 4 Мбайт. Каждый банк состоит из девяти отдельных одинаковых чипов. Из них восемь чипов предназначены для хранения информации, а девятый чип служит для проверки четности остальных восьми микросхем этого банка. Чипы памяти имели емкость 64 Кбит, 256 Кбит, 1 и 4 Мбит.

Памятью с DIP-корпусами комплектовались персональные компьютеры с микропроцессорами i8086/88, i80286 и, частично, i80386SX/DX. Установка и замена этого вида памяти была сложной задачей. Поэтому уже в компьютерах с процессором i80386DX эти микросхемы стали заменять памяти SIPP и SIMM.

2) SIPP-модули представляют собой маленькие платы с несколькими напаянными микросхемами DRAM.

SIPP является сокращением слов Single Inline Package. SIPP-модули соединяются с системной платой с помощью 30 контактных штырьков, которые вставляются в соответствующую панель системной платы. Модули SIPP имели определенные вырезы, которые не позволяли вставить их в разъемы неправильным образом.

3) SIMM-модули .

SIMM расшифровывается как Single Inline Memory Module (Модуль памяти с однорядным расположением выводов.) Модули SIMM могут иметь объем 256 Кбайт, 1, 2, 4, 8, 16 и 32 Мбайт. Соединение SIMM-модулей с системной платой осуществляется с помощью колодок. Модуль вставляется в пластмассовую колодку под углом 70 градусов, а потом зажимается пластмассовым держателем. При этом плата встает вертикально. Специальные вырезы на модуле памяти не позволяют поставить их неправильным образом.

Модули SIMM для соединения с системной платой имеют позолоченные полоски (пины).

SIMM-модули в своем развитии прошли два этапа. Первыми представителями SIMM-модулей были 30-пиновые SIMM. Их максимальная частота работы – 29 МГц. Стандартным же временем доступа к памяти считалось 70 нс. Эти модули уже с трудом работали на компьютерах с микропроцессорами i80486DX2, и были вытеснены сначала 72-пиновыми FPM (Fast Page Mode) DRAM, а затем EDO (Extended Data Output) RAM.

SIMM EDO RAM имеют только 72 пина и могут работать на частоте до 50 МГц. Этими модулями памяти оснащались компьютеры с процессорами Intel 80486DX2/DX4, Intel Pentium, Pentium Pro и Pentium MMX, а также AMD 80586 и K5.

Принципы фон Неймана (Архитектура фон Неймана)

Архитектура компьютера

В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В последствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальны и сегодня.

По сути, Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципиально новое.

Принципы фон Неймана

Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах . Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.

Программное управление ЭВМ . Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.

Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ . При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.

Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы . В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.

Возможность условного перехода в процессе выполнения программы . Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.

Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.

Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было хранимой в памяти программы) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) мог потребоваться далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться годы, однако они работают на миллионах компьютеров после несколько минутной установки на жесткий диск.

Как работает машина фон Неймана

Машина фон Неймана состоит из запоминающего устройства (памяти) - ЗУ, арифметико-логического устройства - АЛУ, устройства управления – УУ, а также устройств ввода и вывода.

Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние ячейки памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных ячейках. У любой программы последняя команда должна быть командой завершения работы.

Команда состоит из указания, какую операцию следует выполнить (из возможных операций на данном «железе») и адресов ячеек памяти, где хранятся данные, над которыми следует выполнить указанную операцию, а также адреса ячейки, куда следует записать результат (если его требуется сохранить в ЗУ).

Арифметико-логическое устройство выполняет указанные командами операции над указанными данными.

Из арифметико-логического устройства результаты выводятся в память или устройство вывода. Принципиальное различие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройства вывода (принтер, монитор и др.) поступают так, как удобно человеку.

УУ управляет всеми частями компьютера. От управляющего устройства на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии.

Управляющее устройство содержит специальный регистр (ячейку), который называется «счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. УУ считывает из памяти содержимое ячейки памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство - «Регистр команд». УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера.

В результате выполнения любой команды счетчик команд изменяется на единицу и, следовательно, указывает на следующую команду программы. Когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов, то специальная команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать управление.

Принципы фон Неймана[править | править исходный текст]

Принцип однородности памяти

Команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти неразличимы. Распознать их можно только по способу использования; то есть одно и то же значение в ячейке памяти может использоваться и как данные, и как команда, и как адрес в зависимости лишь от способа обращения к нему. Это позволяет производить над командами те же операции, что и над числами, и, соответственно, открывает ряд возможностей. Так, циклически изменяя адресную часть команды, можно обеспечить обращение к последовательным элементам массива данных. Такой прием носит название модификации команд и с позиций современного программирования не приветствуется. Более полезным является другое следствие принципа однородности, когда команды одной программы могут быть получены как результат исполнения другой программы. Эта возможность лежит в основе трансляции - перевода текста программы с языка высокого уровня на язык конкретной вычислительной машины.

Принцип адресности

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причем процессору в произвольный момент доступна любая ячейка. Двоичные коды команд и данных разделяются на единицы информации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, а для доступа к ним используются номера соответствующих ячеек - адреса.

Принцип программного управления

Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов - команд. Каждая команда предписывает некоторую операцию из набора операций, реализуемых вычислительной машиной. Команды программы хранятся в последовательных ячейках памяти вычислительной машины и выполняются в естественной последовательности, то есть в порядке их положения в программе. При необходимости, с помощью специальных команд, эта последовательность может быть изменена. Решение об изменении порядка выполнения команд программы принимается либо на основании анализа результатов предшествующих вычислений, либо безусловно.

Принцип двоичного кодирования

Согласно этому принципу, вся информация, как данные, так и команды, кодируются двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип информации представляется двоичной последовательностью и имеет свой формат. Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. В числовой информации обычно выделяют поле знака и поле значащих разрядов. В формате команды можно выделить два поля: поле кода операции и поле адресов.

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 ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяемые в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Схема устройства такой ЭВМ представлена на рис. 1. 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.

Рис. 1. Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана. Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные – управляющих сигналов от процессора к остальными узлам ЭВМ

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). Более детально функции процессора будут обсуждаться ниже.

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.

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

3. Принципы фон Неймана. Архитектура классической ЭВМ, Принципы фон Неймана

В основе функционирования ЭВМ лежат два фундаментальных понятия в вычислит. технике: понятие алгоритма; принцип программного управления. Алгоритм - некоторая однозначно определенная последовательность действий, состоящая из формально заданных операций над исходными данными, приводящая к решению за конечное число шагов.

Свойства алгоритмов

дискретность информации с которой работают алгоритмы; конечность и элементарность набора операций, выполняемых при реализации алгоритма;

детерминированность - воспроизводимость результатов выполнения алгоритма;

массовость - возможность применения алгоритма для различных исходных данных из допустимого множества

Программа - описание алгоритма на каком-либо языке.

Принцип программного управления (ППУ) впервые был сформулирован венгерским математиком и физиком Джоном фон Нейманом, при участии Гольцтайна и Берца в 1946 году и является доминирующим на данном этапе развития вычислительной техники.

ППУ включает в себя несколько архитектурно - функциональных принципов.

1) Принцип двоичного кодирования Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы (элементы) информации, называемые словами. Использование двоичной системы счисления определяется спецификой электронных схем. Слово является неделимой единицей информации.

2) Однотипность кодирования информации. Разнотипные слова информации различаются по способу использования, но не способами кодирования. Слова, представляющие разнотипную информацию неразличимы (данные, команды). Порядок их использования определяет их специфику. Одни и те команды могут использоваться для обработки различных данных.

3) Адресная организация оперативной памяти. Слова информации размещаются в ячейках памяти машины и идентифицируются номерами ячеек, называемых адресами слов. Определяет специфику хранения и идентификации информации. Адрес ячейки является машинным идентификатором величины и команды.

4)Вычислительная машина имеет ограниченный набор команд . Каждая отдельная команда определяет простой (единичный) шаг преобразования информации.

5)Алгоритм реализуется через последовательное выполнение команд. Выполнение вычислений, предписанных алгоритмом, сводится к последовательному выполнению команд в порядке, однозначно определяемом программой. Адрес следующей команды однозначно определяется в процессе выполнения текущей команды (возможны условные переходы). Процесс вычисления продолжается до выполнения команды, предписывающей завершение вычисление. Достоинства:

Простота реализации аппаратной части.

Высокая универсальность, которая ограничивается лишь набором команд процессора.

Недостатки:

п 2: требует от программиста корректного использования данных различных типов, при их несоблюдении появляются ошибки, которые часто сложно выявить. При решении сложных вычислительных задач это очень сильно увеличивает трудоемкость разработки ПО.

пЗ. предполагает линейную организацию памяти. Это усложняет вычисление элементов расположения сложных типов данных.

Архитектура классической ЭВМ

Структура ЭВМ

Принципы фон Неймана

Как работает машина фон Неймана

Арифметико-логическое устройство выполняет указанные командами операции над указанными данными.

Архитектурой компьютера считается его представление на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ, ОП), внешних ЗУ и периферийных устройств.

Компонентами архитектуры компьютера являются: вычислительные и логические возможности, аппаратные средства и программное обеспечение.

Структура компьютера - это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые типичные устройства - от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать его описание на любом уровне детализации.

Архитектуру компьютера следует отличать от его структуры. Структура определяет конкретный набор устройств, блоков, узлов, входящих в состав компьютера, тогда как архитектура определяет правила взаимодействия составных частей компьютера.

Принципы (архитектура) фон Неймана . В основу построения большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом.

1. Принцип программного управления . Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. Так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти.

Структура отдельной команды имеет вид:

<код операции> <операнды>,

где <код операции> определяет, какая операция должна выполняться;

<операнды> - список (возможно, одноэлементный) тех констант, адресов или имен переменных, над которыми выполняется данная операция.

В зависимости от числа операндов различают одно-, двух- и трехадресные машинные команды. Каждая команда имеет определенный объем, измеряемый байтами.

2. Принцип условного перехода. Если после выполнения команды следует перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов (ветвления), которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп».

Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

3. Принцип однородности памяти . Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции - перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

4. Принцип размещения программы в памяти . Программа, требуемая для работы ЭВМ, предварительно размещается в памяти компьютера, а не вводится команда за командой.

5. Принцип адресности . Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

6. Принцип иерархии памяти . Память ЭВМ неоднородна. Для часто используемых данных выделяется память меньшего объема, но большего быстродействия; для редко используемых данных выделяется память большего объема, но меньшего быстродействия.

7. Принцип двоичной системы счисления . Для внутреннего представления данных и программ в памяти ЭВМ применяется двоичная система счисления, которую можно проще реализовать технически.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Существуют и другие классы компьютеров, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Здесь, например, может не выполняться принцип программного управления, т.е. они могут работать без счетчика (регистра адреса) команд, указывающего на выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

Машина фон Неймана состояла из памяти, представлявшей собой набор регистров, АЛУ, устройства ввода-вывода и устройства управления (рис. 3.7).

Устройство ввода передавало команды и данные в АЛУ, откуда они записывались в память. Все команды , совокупность которых называется программой , записываются в память в соседние ячейки по возрастанию их адресов, а данные, которые требуют обработки, - в ячейки с произвольными адресами. Последняя команда программы - это обязательно команда остановки работы. Каждая команда содержит код операции, которую необходимо выполнить, и адреса ячеек, в которых находятся данные, обрабатываемые этой командой. Устройство управления содержит специальный регистр, который называется «Счетчик команд ». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. После чего вычислительная машина переходит в режим автоматического выполнения программы.

Рис. 3.7. Машина фон Неймана

Устройство управления считывает из памяти содержимое ячейки памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство - «Регистр команд ». Регистр команд хранит команду во время ее исполнения. Устройство управления расшифровывает тип операции команды, считывает из памяти данные, адреса которых указаны в команде, и приступает к ее выполнению. Для каждой команды устройство управления имеет свой алгоритм обработки, который заключается в выработке управляющих сигналов для всех остальных устройств машины. Этот алгоритм мог быть реализован на основе комбинационных логических схем или с помощью специальной внутренней памяти, куда эти алгоритмы были записаны в виде микрокоманд, объединенных в микропрограммы. Выполнение микропрограммы происходит по тому же принципу, что и программы в основной памяти, т.е. по принципу фон Неймана. Каждая микрокоманда содержит набор управляющих сигналов для устройств машины. Отметим, что устройства управления выполнением команд процессоров в современных компьютерных системах также строятся по принципу комбинационных схем или микропрограммных автоматов, в соответствии с чем делятся на RISC и CISC процессоры, о которых будет рассказано ниже.

Микропрограмма выполнения любой команды обязательно содержит сигналы, изменяющие содержимого счетчика команд на единицу. Таким образом, после завершения выполнения очередной команды, счетчик команд указывал на следующую ячейку памяти, в которой находилась следующая команда программы. Устройство управления читает команду, адрес которой находится в счетчике команд, помещает ее в регистр команд и т.д. Этот процесс продолжается до тех пор, пока очередная исполняемая команда не оказывается командой останова исполнения программы. Интересно отметить, что и команды, и данные, находящиеся в памяти, представляют собой целочисленные двоичные наборы. Отличить команду от данных устройство управления не может, поэтому, если программист забыл закончить программу командой останова, устройство управления читает следующие ячейки памяти, в которых уже нет команд программы, и пытается интерпретировать их как команды.

Особым случаем можно считать команды безусловного или условного перехода, когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов. В этом случае команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать управление. Этот адрес записывается устройством управления непосредственно в счетчик команд и происходит переход на соответствующую команду программы.

Также известная как модель фон Неймана, или Принстонская архитектура, основана на методике, описанной в 1945 году математиком и физиком Джоном фон Нейманом в рамках доклада «Первый проект» о вычислительной машине EDVAC.

Схема архитектуры

В докладе фон Неймана описывалась схема архитектуры для электронной цифровой вычислительной машины с частями, состоящими из блоков обработки, которая содержит:

арифметико-логическое устройство;
процессор регистров;
блок управления, содержащий регистр команд и счетчик команд;
запоминающее устройство для хранения данных;
внешнее запоминающее устройство;
входные и выходные механизмы.

Смысл разработки состоял в том, чтобы любая хранимая на компьютере информация могла использоваться программой, в которой выбранные данные операции не могут воспроизводиться одновременно, потому что они разделяют общую шину. Это упоминается в «Первом проекте», который описывает мысли ученого о том, какой должна быть архитектура. Фон Нейман называл такую ситуацию «узким местом», которое часто ограничивает производительность системы.

Цифровой компьютер - это ЭВМ, хранящая программу, которая содержит программные инструкции, данные для чтения, записи, а также включает в себя память с произвольным доступом (RAM). Принципы архитектуры Джона фон Неймана изложены также в его труде «Первый проект». Согласно ему, компьютеры с хранимой в памяти программой были усовершенствованием по сравнению с управлением компьютеров, таких как ENIAC. Последний был запрограммирован с помощью установки переключателей и вставки патча, приводящего к маршрутизации данных и сигналам управления между различными функциональными блоками. В подавляющем большинстве современных компьютеров память также используется подобным образом. При этом фон Неймана отличается, например, от Гарвардской, тем, что она использует не основную, а кэш-память.

Предыстория

Первые имели заданные фиксированные программы. Некоторые очень простые компьютеры до сих пор используют эту конструкцию либо для простоты, либо в учебных целях. Например, настольный калькулятор также является ЭВМ с фиксированной программой. Он может работать с основами математики, но он не может быть использован как или игровая консоль. Изменение фиксированной программы машины требует перемонтажа, реструктуризации или реорганизации аппарата. Самые ранние компьютеры не были настолько узконаправленными, так как они были разработаны впервые и в научных целях. Перепрограммирование появилось гораздо позже, и это был трудоемкий процесс, начиная с блок-схем и бумажных купюр и заканчивая подробными техническими проектами. Особенно трудным был процесс физической модернизации каналов восстановления машины. Может занять три недели установка программы на ENIAC и попытки заставить ее работать.

Новая идея

С предложением компьютера, хранящего программы в памяти, все изменилось. Хранимые в памяти, они являются конструкцией с набором инструкций. А значит, машина может сразу получить набор команд, чтобы произвести вычисления.

Конструкция таких программ относится к самомодифицирующимся кодам. Одной из первых установок для такого объекта была необходимость в алгоритме для увеличения или иным образом изменения адресной части команд. Он делался вручную в ранних конструкциях. Это стало менее важным, когда индексные регистры и косвенная адресация стали обычными характеристиками, которыми обладает архитектура ЭВМ Джона фон Неймана машины. Другое использование - вставлять часто используемые данные в потоке команды с помощью немедленного решения. Но самомодифицирующийся код в значительной степени подвергся критике, поскольку его, как правило, трудно понять и отладить. Кроме того, он оказался также неэффективным в плане воспроизведения и кэширования схем современных процессоров.

По большому счету, способность относиться к инструкции как к данным - это то, что делает ассемблеры, компиляторы, сборщики, погрузчики и другие инструменты с возможными объектами автоматизированного программирования. Так сказать, писать программы, которые пишут программы. В меньшем масштабе повторяющиеся интенсивные операции ввода и вывода, такие как BitBlt-манипуляции с изображением примитивных или пиксельных и вершинных шейдеров в современной 3D-графике, были признаны неэффективными для работы без пользовательского оборудования.

Разработка концепции хранимой в памяти программы

Математик который испытывал интерес к проблеме математической логики после лекции Макса Ньюмана в Кембриджском университете, написал статью в 1936 году, она была опубликована в издании Лондонского математического общества. В ней он описал гипотетическую машину, которую назвал «универсальной вычислительной машиной», и которая теперь известна как универсальная машина Тьюринга. Она имела бесконечное хранилище (в современной терминологии - память), которое содержало как инструкции, так и данные, для чего и создавалась данная архитектура. Фон Нейман познакомился с Тьюрингом в то время, когда он был приглашенным профессором в Кембридже в 1935 году, а также в ходе защиты докторской диссертации Тьюринга в Институте перспективных исследований в Принстоне (штат Нью-Джерси) в 1936-1937 годах.

Независимо друг от друга Джи Преспер Эккерт и Джон Мочли, которые разрабатывали ENIAC в школе электротехники в Университете штата Пенсильвания, писали о концепции машины, хранящей программу в памяти в декабре 1943 года. При планировании новой машины, EDVAC, Эккерт писал в январе 1944 года, что она будут хранить данные и программы в новом устройстве с адресацией памяти с помощью задержки металлической ртути. Это был первый раз, когда было предложено строительство на практике машины, хранящей программу в памяти. В то же время он и Мочли не были осведомлены о работе Тьюринга (фото ниже).

Архитектура компьютера: принцип фон Неймана

Фон Нейман был вовлечен в «Проект Манхэттен» в Национальной лаборатории в Лос-Аламосе, который требовал огромного количества вычислений. Это привлекло его к проекту ENIAC летом 1944 года. Там он вступил в дискуссии по разработке компьютера EDVAC. В рамках этой группы он написал работу под названием «Первый проект доклада о EDVAC», основанную на работе Эккерта и Мочли. Она была незавершенной, когда его коллега Гольдштейн распространил проект с именем фон Неймана (к слову, Эккерт и Мочли были ошарашены такой новостью). Этот документ был прочитан десятками коллег фон Неймана в Америке и Европе и оказал серьезное влияние на следующий этап компьютерных разработок.

Основные принципы архитектуры фон Неймана, изложенные в «Первом проекте», набирали широкую известность, в то время как Тьюринг освещал свой доклад об электронном калькуляторе, который был подробно описан в технике и программировании. В нем было изложено и представление автора о машине, которая называлась Automatic Computing Engine (ACE). Он представил его исполнительному комитету британской Национальной физической лаборатории в 1946 году. Спустя некоторое время даже были произведены различные успешные реализации конструкции ACE.

Начало реализации проектов

И проект фон Неймана, и документы Тьюринга описывали компьютеры, хранящие в памяти определенную программу, но статья фон Неймана достигла большей циркуляции в обществе, и компьютерная архитектура стала известна как архитектура Джона фон Неймана.

В 1945 году профессор Нейман, который тогда работал в инженерной школе в Филадельфии, где и был построен первый ENIAC, выпустил от имени группы своих коллег доклад о логическом проектировании цифровых вычислительных машин. В докладе содержится довольно подробное предложение по конструкции машины, которая с тех пор стала известна как EDVAC. Она тогда только недавно была создана в Америке, но доклад вдохновил фон Неймана на создание EDSAC.

Maniacs и Joniacs

В 1947 году Беркс, Гольдштейн и фон Нейман опубликовали еще один доклад, в котором освещалась конструкция другого типа машины (на этот раз параллельная), которая должна была стать чрезвычайно быстрой, способной, возможно, осуществлять до 20 000 операций в секунду. Они отметили, что нерешенной проблемой при построении ее была разработка подходящей памяти, все содержимое которой должно быть мгновенно доступно. Сначала они предложили использовать специальную вакуумную трубку, называемую Selectron, которая была изобретена в Принстонской лаборатории. Такие трубки были дорогими, и сделать их очень трудно, особенно если используется данная архитектура. Фон Нейман впоследствии решил построить машину, основанную на памяти Williams. Эта машина, которая была завершена в июне 1952 года в Принстоне, стала широко известна MANIAC (или просто Maniacs). Ее дизайн вдохновил создателей на конструирование полудюжины или более аналогичных приборов, которые сейчас строятся в Америке и называются шуточно Johniacs.

Принципы создания

Один из самых современных цифровых компьютеров, воплощавших разработки и усовершенствования в технике автоматического электронного вычисления, был продемонстрирован в Национальной физической лаборатории в Теддингтоне, где он был спроектирован и построен небольшой группой математиков, электронщиков и инженеров-исследователей, при содействии ряда производственных инженеров из английской Electric Company Ltd. Оборудование до сих пор находится в лаборатории, но только как опытный образец гораздо большей установки, которая известна как Automatic Computing Engine. Но, несмотря на сравнительно небольшую массу и содержание только 800 термоионных клапанов, он является чрезвычайно быстрой и универсальной счетной машиной.

Основные понятия и абстрактные принципы расчета с помощью машины были сформулированы доктором Тьюрингом на базе все того же Лондонского математического общества еще в 1936 году, но работа над такими машинами в Великобритании была задержана войной. В 1945 году рассмотрение проблем создания таких устройств продолжилось в Национальной физической лаборатории доктором Вормсли, суперинтендантом лаборатории Отделения математики. Он присоединился к Тьюрингу со своим небольшим штатом специалистов, а к 1947 году предварительное планирование было достаточно продвинуто, чтобы оправдать создание специальной группы.

Первые компьютеры на архитектуре фон Неймана

Первый проект описывает схему, которая была использована многими университетами и корпорациями, чтобы построить свои компьютеры. Среди них только ILLIAC и ORDVAC имели совместимые наборы инструкций.

Классическая архитектура фон Неймана была воплощена в Манчестерской малой экспериментальной машине (SSEM) по прозвищу Baby из университета Манчестера, которая совершила свой первый успешный запуск как устройство, хранящее программу в памяти, 21 июня 1948 года.

EDSAC из Кембриджского университета, первый практический электронный компьютер такого типа, был запущен первый раз успешно в мае 1949 года.

Развитие созданных моделей

IBM SSEC имел возможность рассматривать инструкции как данные и был публично продемонстрирован 27 января 1948 года. Эта способность утверждалась в патенте США. Однако это была частично электромеханическая машина, а не полностью электронная. На практике инструкции были прочитаны с бумажной ленты из-за его ограниченной памяти.

Baby был первым полностью электронным компьютером для запуска сохраненных программ. Он запускал программу факторинга в течение 52 минут 21 июня 1948 года после запуска простого вычисления деления и расчета, который показывает, что два числа являются взаимно простыми.

ENIAC был изменен, чтобы работать в качестве примитивной ЭВМ только для чтения, но по той же архитектуре, и был продемонстрирован 16 сентября 1948 года, а запуск программы Адель Гольдштейн организовала с помощью фон Неймана.

BINAC провел несколько тестовых программ в феврале, марте и апреле 1949 года, хотя и не был завершен до сентября 1949 года. Кроме того, осуществлялись тестовые запуски (некоторые успешные) других электронно-вычислительных машин, для которых свойственна данная архитектура. Фон Нейман, к слову, продолжал работу и над проектом "Манхеттен". Вот такой универсальный человек.

Эволюция шинной системы архитектуры

Через десятилетия, уже в 60-е и 70-е годы, компьютеры в целом стали меньше и быстрее, что привело к некоторым эволюциям, которые претерпела архитектура ЭВМ по фон Нейману. Например, отображение в памяти ввода и вывода позволяет соответствующим устройствам, данные и инструкции по интеграции в систему которых будут обрабатываться, оставаться в памяти. Одна шинная система может быть использована для обеспечения модульной системы с меньшими. Это иногда называют «рационализацией» архитектуры. В последующие десятилетия простые микроконтроллеры иногда не используют некоторые черты типичной модели, чтобы снизить стоимость и размер. А вот большие компьютеры следуют установленной архитектуре, так как в них добавлены функции для повышения производительности.