То общее, что есть в строении ЭВМ, относят к понятию архитектуры. Это приводит к тому, что все машины одного семейства, независимо от фирмы производителя, способны выполнить одну и ту же программу. К архитектуре ЭВМ относят следующие общие принципы построения ЭВМ:
структура памяти ЭВМ;
способы доступа к памяти и внешним устройствам;
возможность изменения конфигурации компьютера;
система команд;
форматы данных;
организация интерфейса.
В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены общие принципы, сформулированные в 1946 году коллективом авторов во главе с фон Нейманом[9] в статье "Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства".
Принцип использования двоичной системы для кодирования данных. Авторы убедительно продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций.
Принцип "хранимой программы". Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма неудобным и трудоемким занятием. Принцип хранимой программы соединяет запись самой программы и данные к ней в один двоичный код. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений. Принцип хранимой программы содержит несколько принципиальных идей:
- идея программного управления. Программа состоит из набора команд, выполняемых процессором автоматически в определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нём адрес очередной команды на длину команды. Поскольку команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных адресов памяти.
- идея однородности памяти. Так как программа и данные хранятся в одной и той же памяти, то компьютер не различает, что хранится по определенному адресу памяти — число, текст или программа. Это открывает целый ряд возможностей.
Во-первых, программа в процессе выполнения может также подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей.
Во-вторых, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.
- идея адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных адресов. Процессору в произвольный момент доступен любой адрес. Это дает возможность присваивать имена областям памяти так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.
Принцип логического устройства ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются: устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), память, внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) и устройства ввода и вывода.
Компьютеры, построенные на основе перечисленных принципов, относятся к типу фон-неймановских. Однако существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, т. е. они могут работать без счетчика команд, указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя.
Рис. 2. Фон-неймановская архитектура ЭВМ
Согласно принципам фон Неймана схему устройства ЭВМ можно изобразить так, как показано на рис. 4. По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.
Современный компьютер состоит из нескольких функциональных узлов: процессор, память, контроллеры устройств и т. д. Каждый узел представляет собой сложное электронное устройство, в состав которого могут входить миллионы логических элементов. Для лучшего понимания принципа работы каждого узла и компьютера в целом вводится понятие уровней представления компьютера.
Цифровой логический уровень — уровень логических схем базовой системы элементов.
Микроархитектурный уровень — уровень организации обработки информации внутри функционального узла.
Командный уровень — набор функциональных узлов и связи между ними, система команд и данных, передаваемых между устройствами. Набор блоков, связей между ними, типов данных и операций каждого уровня называется архитектурой уровня. Архитектура командного уровня называется обычно компьютерной архитектурой или компьютерной организацией.