В.Г. Баула - Введение в архитектуру ЭВМ и системы программирования, страница 2

Можно сказать, что в машине фон Неймана зафиксированы те особенности архитектуры, которые в той или иной степени должны быть присущи, по мнению авторов этой абстрактной машины, всем компьютерам. Разумеется, практически все современные ЭВМ по своей архитектуре отличаются от машины фон Неймана, однако эти отличия удобно изучать именно как отличия, проводя сравнения и сопоставления с машиной фон Неймана. При нашем рассмотрении данной машины будет обращено внимание на отличия архитектуры машины фон Неймана от современных ЭВМ. Основополагающие свойства архитектуры машины фон Неймана будут сформулированы в виде принципов фон Неймана. Эти принципы многие годы определяли основные черты архитектуры ЭВМ нескольких поколений [3].

На рис. 2.1 приведена схема машины фон Неймана, как она изображается в большинстве учебников, посвящённых архитектуре ЭВМ. На этом рисунке толстыми стрелками показаны потоки команд и данных, а тонкими – передача между устройствами управляющих сигналов. Машина фон Неймана состоит из памяти, устройств ввода/вывода и центрального процессора (ЦП). Центральный процессор, в свою очередь, состоит из устройства управления (УУ) и арифметико-логического устройства (АЛУ). Рассмотрим последовательно устройства машины фон Неймана и выполняемые ими функции.

2.1. Память

Принцип линейности и однородности памяти.

Память – линейная (упорядоченная) однородная последовательность некоторых элементов, называемых ячейками. В любую ячейку памяти другие устройства машины (по толстым стрелкам) могут записать и считать информацию, причём время чтения из любой ячейки одинаково для всех ячеек. Время записи в любую ячейку тоже одинаково (это и есть принцип однородности памяти).¹ Такая память в современных компьютерах называется памятью с произвольным доступом (Random Access Memory, RAM). На практике многие ЭВМ могут иметь участки памяти разных видов, одни из которых поддерживают только чтение информации (Read Only Memory, ROM), другие могут допускать запись, но за большее время, чем в остальную память (это так называемая полупостоянная память) и др.

Ячейки памяти в машине фон Неймана нумеруются от нуля до некоторого положительного числа N, которое обычно является степенью двойки. Адресом ячейки называется её номер. Каждая ячейка состоит из более мелких частей, именуемых разрядами и нумеруемых также от нуля и до определённого числа. Количество разрядов в ячейке обозначает разрядность памяти. Каждый разряд может хранить цифру в некоторой системе счисления. В большинстве ЭВМ используется двоичная система счисления, т.к. это более выгодно с точки зрения аппаратной реализации, в этом случае каждый разряд хранит один бит информации. Восемь бит составляет один байт.

Содержимое ячейки называется машинным словом. С точки зрения архитектуры, машинное слово – это минимальный объём данных, которым могут обмениваться различные узлы машины (не надо, однако, забывать о передаче управляющих сигналов по тонким стрелкам). Из каждой ячейки памяти можно считать копию машинного слова и передать её в другую часть памяти, при этом оригинал не меняется. При записи в память старое содержимое ячейки пропадает и заменяется новым машинным словом.

Заметим, что на практике решение задачи сохранения исходного машинного слова при чтении из ячейки для некоторых видов памяти является нетривиальным и достаточно трудоёмким, так как в этой памяти (она называется динамической памятью) при чтении оригинал разрушается. Приведём типичные характеристики памяти современных ЭВМ.

1. Объём памяти – сотни миллионов ячеек (обычно восьмиразрядных).

2. Скорость работы памяти: время доступа (минимальная задержка на чтение слова) и время цикла (минимальная задержка на чтение из одной и той же ячейки двух слов) – порядка единиц и десятков наносекунд (1 секунда=10⁹ наносекунд). Заметим, что для упомянутой выше динамической памяти время цикла больше, чем время доступа, так как надо ещё восстановить разрушенное при чтении содержимое ячейки.

3. Стоимость. Для основной памяти ЭВМ пока достаточно знать, что чем быстрее такая память, тем она, естественно, дороже. Конкретные значения стоимости памяти не представляют интереса в рамках наших лекций.

Принцип неразличимости команд и данных. Машинное слово представляет собой либо команду, либо подлежащее обработке данное (число, символьная информация, элемент изображения и т.д.). Для краткости в дальнейшем будем называть такую информацию числами. Данный принцип фон Неймана заключается в том, что числа и команды неотличимы друг от друга – в памяти и те и другое представляются некоторым набором разрядов, причём по внешнему виду машинного слова нельзя определить, что оно представляет – команду или число.

Из этого принципа вытекает очевидное следствие – принцип хранимой программы. Этот принцип является очень важным, его суть состоит в том, что программа хранится в памяти вместе с числами, а значит, может изменяться во время счёта этой программы. Говорят также, что программа может самомодифицироваться во время счёта. Заметим, что, когда фон Нейман писал свою работу, большинство тогдашних ЭВМ хранили программу в памяти одного вида, а числа – в памяти другого вида. В современных ЭВМ и программы, и данные хранятся в одной и той же памяти.

2.2. Устройство Управления

Как ясно из самого названия, устройство управления (УУ) управляет всеми остальными устройствами ЭВМ. Оно осуществляет это путём посылки управляющих сигналов, подчиняясь которым остальные устройства производят определённые действия, предписанные этими сигналами. Это устройство является единственным, от которого на рис. 2.1 отходят тонкие стрелки ко всем другим устройствам. Остальные устройства могут командовать только памятью, делая ей запросы на чтение и запись машинных слов.

Принцип автоматической работы. Машина, выполняя записанную в её памяти программу, функционирует автоматически, без участия человека.¹ Программа – набор записанных в памяти (не обязательно последовательно) машинных команд, описывающих шаги работы алгоритма. Таким образом, программа – это запись алгоритма на языке машины. Язык машины – набор всех возможных команд.

Принцип последовательного выполнения команд. Устройство управления выполняет некоторую команду от начала до конца, а затем по определённому правилу выбирает следующую команду для выполнения, затем следующую и т.д. Этот процесс продолжается, пока не будет выполнена специальная команда останова, либо при выполнении очередной команды не возникнет аварийная ситуация (например, деление на ноль). Аварийная ситуация – это аналог безрезультативного останова алгоритма.

2.3. Арифметико–Логическое Устройство

В архитектуре машины фон Неймана арифметико-логическое устройство (АЛУ) может выполнить следующие действия.

1. Считать содержимое некоторой ячейки памяти – поместить копию машинного слова из этой ячейки в ячейку, расположенную в самом АЛУ. Такие ячейки, расположенные не в памяти, а в других устройствах ЭВМ, называются регистровой памятью или просто регистрами.

2. Записать в некоторую ячейку памяти – поместить копию содержимого регистра АЛУ в ячейку памяти. Когда не имеет значения, какая операция (чтение или запись) производится, говорят, что происходит обмен машинным словом между регистром и памятью.

3. АЛУ может также выполнять различные операции над данными в своих регистрах, например, сложить содержимое двух регистров (обычно называемых регистрами первого R1 и второго R2 операндов), и поместить результат на третий регистр (называемый, как правило, сумматором S).

2.4. Взаимодействие УУ и АЛУ

Революционность идей фон Неймана заключалась в специализации: каждое устройство отвечает за выполнение только своих функций. Если раньше, например, память часто не только хранила данные, но и могла производить операции над ними, то теперь было предложено, чтобы память только хранила данные, АЛУ производило арифметико-логические операции над ними, устройство ввода только вводило данные из внешнего мира в память и т.д. Фон Нейман распределил функции между различными устройствами, что существенно упростило схему машины.

Устройство управления тоже имеет свои регистры, оно может считывать команды из памяти на специальный регистр команд (RK), на котором всегда хранится текущая выполняемая команда. Регистр УУ с именем RA называется счётчиком адреса, при выполнении текущей команды в него записывается адрес следующей команды (первую букву в сокращении слова регистр будем записывать латинской буквой R).

Рассмотрим, например, операцию сложения двух чисел z:=x+y (здесь x, y и z – адреса ячеек памяти, в которых хранятся, соответственно, операнды и результат сложения). При получении такой команды УУ последовательно посылает управляющие сигналы в АЛУ, предписывая ему сначала считать операнды x и y из памяти и поместить их на регистры R1 и R2. Затем по следующему управляющему сигналу АЛУ производит операцию сложения чисел на регистрах R1 и R2 и записывает результат на регистр S. По следующему управляющему сигналу АЛУ пересылает копию регистра S в ячейку памяти с адресом z. Ниже приведена иллюстрация описанного примера на языке Паскаль, где R1, R2 и S – регистры АЛУ, ПАМ – массив, условно обозначающий память ЭВМ, а  – операция (в нашем случае это сложение, т.е.  = +).

R1:=ПАМ[x]; R2:=ПАМ[y]; S:=R1R2; ПАМ[z]:=S;

В дальнейшем конструкция ПАМ[А] для краткости будет обозначаться как <А>, тогда наш пример перепишется так:

R1:=<x>; R2:=<y>; S:=R1R2; <z>:=S;

Опишем теперь более формально шаги выполнения одной команды в машине фон Неймана:

RK:=<RA>; считать из памяти очередную команду на регистр команд;

RA:=RA+1; увеличить счётчик адреса на единицу;

Выполнить очередную команду.

Затем выполняется следующая команда и т.д. Итак, если машинное слово попадает на регистр команд, то оно интерпретируется УУ как команда, а если слово попадает в АЛУ, то оно по определению считается числом. Это позволяет, например, складывать команды программы как числа, либо выполнить некоторое число как команду. Разумеется, обычно такая ситуация является семантической ошибкой, если только специально не предусмотрена программистом для каких-то целей (мы иногда будем оперировать с командами, как с числами, в нашей учебной машине).

Современные ЭВМ в той или иной степени нарушают все принципы фон Неймана. Например, существуют компьютеры, которые различают команды и данные. В них каждая ячейка памяти кроме собственно машинного слова содержит ещё специальный признак, называемый тэгом, который и определяет, чем является машинное слово. В этой архитектуре при попытке выполнить число как команду, либо складывать команды как числа, будет зафиксирована ошибка. Так нарушается принцип неразличимости команд и чисел.

Практически все современные ЭВМ нарушают принцип однородности и линейности памяти. Память может быть, например, двумерной, когда адрес ячейки задаётся не одним, а двумя числами, либо ячейки памяти могут вообще не иметь адресов (такая память называется ассоциативной) и т.д.

Достаточно мощные компьютеры нарушают и принцип последовательного выполнения команд: они одновременно могут выполнять несколько команд как из одной программы, так, иногда, и из разных программ (такие компьютеры могут иметь несколько центральных процессоров, а также быть так называемыми конвейерными ЭВМ, их мы рассмотрим в конце нашего курса).

Особо следует отметить, что в архитектуре машины фон Неймана реализованы и другие принципы, которые самим фон Нейманом явно не формулировались, так как считались самоочевидными. Так, например, предполагается, что во время выполнения программы не меняется число узлов компьютера и взаимосвязи между ними. В то же время сейчас существуют ЭВМ, которые нарушают и этот принцип. Во время работы одни устройства могут, как говорят, отбраковываться (например, отключаться для ремонта), другие – автоматически подключаться, появляются новые связи между элементами ЭВМ (например, в так называемых транспьютерах) и т.д.

На этом мы закончим краткое описание машины фон Неймана и принципов её работы. И в заключение этого раздела мы совсем немного рассмотрим архитектуру ЭВМ на уровне инженера-конструктора. Это будет сделано исключительно для того, чтобы снять тот покров таинственности с работы центрального процессора, который есть сейчас у некоторых студентов: как же машины может выполнять различные операции, неужели она такая умная?