Понятие архитектуры и принципы устройства вычислительных систем. Принципы фон Неймана.

Архитектура определяет логическую схему организации вычислительной системы ВС, описывающую состав и взаимодействие основных компонентов ВС в ходе вычислительного процесса.

Свойства ВС определяются как «железом» компьютера, так и установленным на нем программным обеспечением. Аппаратные средства (hardware) – это все физические (механические, электронные и т.п.) элементы, из которых построена машина, а программное обеспечение (software, ПО) – это комплекс программ, ассоциирующихся с данной ВС (установленных на ВС, доступных для использования), кроме того, к ПО относится программная документация, инструкции, руководства и т.п.

Принципы организации ВС с традиционной архитектурой были сформулированы Дж. фон Нейманом:

• Принцип программного управления: процесс обработки информации в ЭВМ (вычислительный процесс) осуществляется в соответствии с заранее составленной программой.

• Наличие единого вычислительного устройства, включающего процессор, средства передачи информации (шину) и память (упрощенная структура ВС показана на рисунке. Процессор – это устройство, способное автоматически выполнять действия в соответствии с программой, записанной в памяти, непосредственно доступной этому устройству (в оперативной памяти). Непосредственную обработку данных осуществляет процессор, а память играет в машинах с традиционной архитектурой пассивную роль хранилища данных и программ. Эти устройства ВС являются центральными устройствами. Кроме того, в состав ВС включаются периферийные устройства (ПУ), или внешние устройства (внешние запоминающие устройства (ВЗУ), устройства ввода/вывода (УВВ) и т.п.).

• Принцип хранимой в памяти программы является следствием из описанной выше организации вычислительной устройства, и распределения функций между его компонентами.

• Принцип использования двоичной системы для кодирования данных и команд программы.

Команды и данные в памяти размещаются в ячейках памяти, доступ к которым осуществляется по адресу (номеру ячейки). В компьютерах с традиционной архитектурой реализуется линейная последовательная организация памяти, что означает, что вся память представляет собой линейный массив ячеек определенного размера, последовательно пронумерованных. В большинстве современных ЭВМ минимально адресуемой единицей памяти является байт (8‑разрядная ячейка).

В компьютерах с традиционной архитектурой фон Неймана реализован принцип централизованного последовательного управления вычислительным процессом: инструкции программы выполняются по одной, строго последовательно, в порядке, определяемом программой. Процессор переходит к выполнению следующей команды, предварительно считывая ее из памяти, только после полного завершения выполнения предыдущей команды и сохранения ее результатов. Центральный процессор управляет работой всех остальных устройств компьютера.

Шина представляет собой совокупность линий, предназначенных для передачи информации (команды или данных, адреса, управляющих сигналов) между устройствами компьютера.

Более 30 лет архитектурные принципы оставались неизменными. Современные направления совершенствования архитектур связаны с создание параллельных ВС. Появление персональных компьютеров сделало компьютер массовым инструментом.