Принцип однородности памяти
Команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти неразличимы. Любая информация, хранимая в памяти может быть интерпретирована либо как команда, либо как данное. Это позволяет:
иметь единую память для хранения программ и данных;
производить над командами те же операции, что и над числами;
получить команды одной программы как результат исполнения другой программы. Эта возможность лежит в основе трансляции – перевода программы с языка высокого уровня на машинный язык конкретной ВМ.
Концепция вычислительной машины, представленная фон Нейманом, предполагала единую память для команд и данных. Этот подход был принят в ВМ, разрабатывавшихся в Принстонском университет, и получил название принстонской архитектуры. Данная архитектура была и остаётся преобладающей, хотя она порождает проблемы пропускной способности тракта «процессор - память». В Гарвардском университете предложили модель, в которой ВМ имела отдельную память для команд и отдельную память для данных. Этот вид архитектуры называют гарвардской архитектурой. В последнее время в связи с широким применением кэш - памяти разработчики ВМ стали чаще использовать гарвардскую архитектуру.
Принцип адресности
Процессору непосредственно доступна в произвольный момент времени любая ячейка основной памяти. Структурно основная память является линейным пространством, состоящим из пронумерованных ячеек. Основной единицей памяти является двоичный разряд, который называется битом. Исторически наименьшей адресуемой ячейкой памяти является байт (8 бит). Номер байта является его адресом. Байты могут объединяться в ячейки, называемые словами. Длина слова компьютера зависит от его архитектуры, обычно равна двум, четырём или восьми байтам. Разбиение памяти на слова для 4-х байтовых компьютеров приведено на рис. 1.6.
Байт 0
|
Байт 1 |
Байт 2 |
Байт 3 |
Байт 4 |
Байт 5 |
Байт 6 |
Байт 7 |
Полуслово
|
Полуслово |
Полуслово |
Полуслово |
||||
Слово
|
Слово |
||||||
Двойное слово
|
|||||||
Рис.
1.6.
Разбиение памяти на слова для 4-х
байтовых ВМ
Структура фон-неймановской архитектуры вычислительной машины
Фон Нейман первым пришел к мысли о необходимости представления программы в памяти компьютера в цифровой форме вместе с данными (т.е. машины с программой в памяти). Он предложил отказаться от десятичной арифметики и заменить её бинарной, определил основные устройства вычислительной машины, определил принципы построения ВМ. Большинство современных ВМ по своей структуре соответствует принципу программного управления. Типичная фон-неймановская ВМ (рис. 1.7) содержит: память, устройство управления, арифметико-логическое устройство и устройство ввода/вывода.
Порты ввода
Основная память
Порты вывода
Арифметико -
логическое устройство
Устройство
управления
Периферийные
устройства ввода
Периферийные
устройства вывода
Вторичная память
Центральный
процессор
Рис.
1.7.
Структура фон – неймановской
вычислительной машины
Информация поступает из подсоединённых к ВМ периферийных устройств (ПУ) ввода, запоминается в основной памяти, при необходимости переносится во вторичную память для длительного хранения. Команды и данные должны находится в основной памяти, так как центральный процессор по своим техническим характеристикам (в частности из-за высокого быстродействия) не может взаимодействовать с другими видами памяти кроме основной. Доступ к любым ячейкам запоминающего устройства основной памяти производится в произвольной последовательности, т.е. процессору в любой момент доступно содержимое любой ячейки памяти. Такой вид памяти называется памятью с произвольным доступом.
Основная память делится на:
оперативную память, хранящую слова, используемые в вычислительном процессе. Она в основном состоит из полупроводниковых запоминающих устройств, работающих по чтению и записи, является энергозависимой, т.е. хранимая информация теряется при отключении электроэнергии;
постоянную память, ячейки которой содержат информацию, предназначенную только для чтения и которая, как правило, не может быть изменена (перезаписана). Используется для энергонезависимого хранения информации такой как BIOS, таблица знакогенератора, информации о конфигурации ВМ и т.п.
Результаты вычислений процесса выводятся на периферийные устройства вывода. Связь и взаимодействие ВМ и ПУ обеспечивают порты ввода/вывода. Для долговременного хранения программ и массивов данных используется дополнительная вторичная память. Вторичная память реализована в виде накопителя на различных носителях, чаще всего на магнитных дисках. Эта память энергонезависима, отличается большим объемом и большим временем доступа. Информация в ней хранится в виде файлов.
Устройство управления (УУ) организует автоматическое выполнение программ путем реализации функций управления, что обеспечивает функционирование ВМ как единой системе. Пересылка информации между любыми элементами, структурами инициируется сигналами управления, которые формируются устройством управления. Сигнала управления используются для синхронизации и координации работы узлов и систем как самой ВМ, так и подключаемых периферийных устройств.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметическую и/или логическую обработку входных переменных, в результате которой формируется выходная переменная. Помимо результата операции АЛУ формирует ряд признаков результата (флагов), характеризующих полученный результат и события, произошедшие в ходе его получения (знак результата, равенство нулю, четность, перенос, переполнение и т.д.). Флаги используются устройством управления для анализа хода выполнения программы и изменения, при необходимости, естественной последовательности выполнения команд.
Устройство управления и АЛУ совместно образуют структуру, называемую центральным процессором (ЦП). В состав ЦП входит также набор регистров общего назначения (РОН), используемых для промежуточного хранения информации в процессе её обработки.