Розрізняються Прінстонського і Гарвардської архітектуру обчислювальних машин. Ці архітектурні варіанти були запропоновані в кінці 40-х років фахівцями, відповідно, Прінстонського і Гарвардського університетів США для розроблюваних ними моделей комп'ютерів.
принстонська архітектура
Принстонська архітектура. яка часто називається архітектурою фон Неймана. характеризується використанням загальної оперативної пам'яті для зберігання програм, даних, а також для організації стека. Для звернення до цієї пам'яті використовується загальна системна шина, по якій в процесор надходять і команди, і дані.
Архітектура сучасних персональних комп'ютерів заснована на
магістральної-модульному принципі.
Будь-яку обчислювальну машину утворюють три основні компоненти:
Інформаційна зв'язок між пристроями комп'ютера здійснюється через системну шину (системну магістраль).
Шина - це кабель, що складається з безлічі провідників. Кількість провідників, що входять до складу шини, є
максимальної розрядністю шини.
Системна шина, в свою чергу, являє собою сукупність
Системна шина характеризується тактовою частотою і розрядністю. Кількість одночасно переданих по шині біт називається
розрядністю шини.
Тактова частота характеризує число елементарних операцій з передачі даних в 1 секунду. Розрядність шини вимірюється в бітах, тактова частота - в мегагерцах.
Пристрій введення дозволяє ввести програму рішення задачі і вихідні дані в ЕОМ і помістити їх в оперативну пам'ять. Залежно від типу пристрою введення вихідні дані для вирішення завдання вводяться безпосередньо з клавіатури, або вони повинні бути попередньо поміщені на будь-який носій (дисковий накопичувач).
Пристрій висновку є для виведення з ЕОМ результатів обробки вихідної інформації. Найчастіше це символьна інформація, яка виводиться за допомогою друкувальних пристроїв або на екран дисплея.
Обробка даних і команд здійснюється за допомогою арифметико-логічного пристрою (АЛП), призначеного для безпосереднього виконання машинних команд під дією пристрою управління. АЛУ і УУ спільно утворюють центральне процесорний пристрій (ЦПУ). Результати обробки передаються в пам'ять.
Основні принципи побудови обчислювальних машин з архітектурою фон Неймана
Архітектура фон Неймана має ряд важливих достоїнств.
- Наявність загальної пам'яті дозволяє оперативно перерозподіляти її обсяг для зберігання окремих масивів команд, даних і реалізації стека в залежності від розв'язуваних завдань. Таким чином, забезпечується можливість більш ефективного використання наявного обсягу оперативної пам'яті в кожному конкретному випадку застосування.
- Використання загальної шини для передачі команд і даних значно спрощує налагодження, тестування і поточний контроль функціонування системи, підвищує її надійність.
Тому Прінстонського архітектура протягом довгого часу домінувала в обчислювальній техніці.
Однак їй притаманні і суттєві недоліки. Основним з них є необхідність послідовної вибірки команд і оброблюваних даних по загальній системній шині. При цьому загальна шина стає «вузьким місцем» (bottleneck - «пляшкове горло»), яке обмежує продуктивність цифрової системи.
Гарвардська архітектура
Гарвардська архітектура була розроблена Говардом Ейкен в кінці 1930-х років в Гарвардському університеті з метою збільшити швидкість виконання обчислювальних операцій і оптимізувати роботу пам'яті. Вона характеризується фізичним поділом пам'яті команд (програм) і пам'яті даних. В її оригінальному варіанті використовувався також окремий стек для зберігання вмісту програмного лічильника, який забезпечував можливості виконання вкладених підпрограм. Кожна пам'ять з'єднується з процесором окремої шиною, що дозволяє одночасно з читанням-записом даних при виконанні поточної команди робити вибірку і декодування наступної команди. Завдяки такому розподілу потоків команд і даних і поєднанню операцій їх вибірки реалізується більш висока продуктивність, ніж при використанні Принстонской архітектури.
Недоліки Гарвардської архітектури пов'язані з необхідністю проведення більшої кількості шин, а також з фіксованим обсягом пам'яті, виділеної для команд і даних, призначення якої не може оперативно перерозподілятися відповідно до вимог розв'язуваної задачі. Тому доводиться використовувати пам'ять більшого обсягу, коефіцієнт використання якої при вирішенні різноманітних завдань виявляється більш низьким, ніж в системах з Принстонской архітектурою. Однак розвиток мікроелектронної технології дозволило в значній мірі подолати зазначені недоліки, тому Гарвардська архітектура широко застосовується у внутрішній структурі сучасних високопродуктивних мікропроцесорів, де використовується окрема кеш-пам'ять для зберігання команд і даних. У той же час у зовнішній структурі більшості мікропроцесорних систем реалізуються принципи Принстонской архітектури.