1.1.1 Принципы Фон-Неймановской архитектуры

1. Принцип использования двоичной системы счисления для представления данных и команд.

2. Принцип хранимой программы.

3. Однородность памяти и адресации; принцип линейности памяти.

Память машины рассматривается как вектор, состоящий из одинаковых ячеек, способных принимать любые значения. Значение в ячейке с точки зрения процессора является последовательностью битов фиксированной длины без каких-либо ограничений. Ячейки памяти идентифицируются адресами: числами от нуля до максимально возможной для данной машины величины. Адреса служат указателями для процессора, откуда следует извлекать значение или куда помещать значение.

Отсутствие различий между командами и данными означает, что по двоичному коду, взятому из некоторой ячейки памяти невозможно определить, представляет ли он машинную команду или данные некоторого типа. В связи с этим, тип слова (команда или данные) определяется не способом кодирования, а способом использования (интерпретацией). Из однородности памяти следует, что команды и данные располагаются в единой общей памяти и одинаково адресуются. Принцип использования единой памяти принято называть Принстонской архитектурой по наименованию института, в котором она была разработана. В отличие от этого принципа при построении некоторых ЭВМ используется раздельная память для программ и данных. Архитектура с разделением памяти получила название Гарвардской архитектуры ЭВМ.

4. Принцип последовательного программного управления.

Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности (в порядке возрастания их адресов). Естественная последовательность выполнения команд может нарушаться при выполнении команд переходов (условных и безусловных), циклов, вызовов, возвратов и т.п. Кроме того, последовательность команд может нарушаться особыми случаями, приводящими к прерыванию программы.

Управляющее устройство (может называться счетчиком команд) содержит адрес команды, назначаемой для выполнения процессором.

5. Пассивность памяти и активность процессора.

Ячейка памяти всегда содержит какое-то значение. Полученное ячейкой значение не может быть изменено иначе как при выполнении специальной команды процессора, предназначенной для этого действия. Процессор всегда выполняет некоторую команду, закодированную последовательностью битов в ячейке и извлеченную из памяти.

1.1.2 Достоинства и недостатки Принстонской архитектуры

Основное преимущество Принстонской архитектуры – упрощение устройства ВМ, так как реализуется обращение только к одной общей памяти. Кроме того, использование единой области памяти позволяло оперативно перераспределять ресурсы между областями программ и данных, что существенно повышало гибкость вычислительной системы с точки зрения разработчика программного обеспечения. Размещение стека в общей памяти облегчало доступ к его содержимому. В разные моменты времени одна и та же область памяти может использоваться и как память программ и как память данных. Для того, чтобы программа могла работать в произвольной области памяти, ее необходимо модернизировать перед загрузкой, т.е. работать с нею как с обычными данными. Эта особенность архитектуры позволяет наиболее гибко управлять работой ВС, но создает принципиальную возможность искажения управляющей программы, что понижает надежность работы аппаратуры.

Экономичность неймановских (Принстонских) ВМ определяется минимальностью затрат оборудования на реализацию вычислительного процесса по сравнению с ВМ с ненеймановской архитектурой.

Неслучайно поэтому Принстонская (фон-Неймановская) архитектура стала основной архитектурой универсальных компьютеров, включая персональные компьютеры.