Архитектура вычислительной машины (Computer Architecture) – концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.
Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, ОЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств.
В настоящее время наибольшее распространение в ЭВМ получили два типа архитектуры: принстонская (фон Неймана) и гарвардская. Обе они выделяют два основных узла ЭВМ: центральный процессор и память компьютера. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных.
В более подробное описание, определяющее конкретную архитектуру, также входят структурная схема ЭВМ, средства и способы доступа к элементам этой структурной схемы, организация и разрядность интерфейсов ЭВМ, набор и доступность регистров, организация памяти и способы ее адресации, набор и формат машинных команд процессора, способы представления и форматы данных, правила обработки прерываний.
По перечисленным признакам и их сочетаниям среди архитектур выделяют:
– по разрядности интерфейсов и машинных слов: 8-, 16-, 32-, 64-, 86-разрядные (некоторые ЭВМ имеют и иные разрядности);
– по особенностям набора регистров, формата команд и данных: CISC, RISC, VLIW;
– по количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные. Среди многопроцессорных архитектур выделяют по принципу взаимодействия с памятью симметричные многопроцессорные (SMP), массивно-параллельные (МРР), распределенные.
Наиболее распространены следующие архитектурные решения.
Классическая архитектура (архитектура Дж. фон Неймана – одно АЛУ). Это однопроцессорный компьютер, в котором все функциональные блоки связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью (рис. 4.1).
Принципы фон Неймана:
1. Принцип использования двоичной системы счисления для представления данных и команд.
2. Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности.
3. Принцип однородности памяти. Как программы (команды), так и данные хранятся в одной и той же памяти (и кодируются в одной и той же системе счисления – чаще всего двоичной). Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
4. Принцип адресуемости памяти. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.
5. Принцип последовательного программного управления. Все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения другой.
6. Принцип условного перехода. Сам принцип был сформулирован задолго до фон Неймана А. Лавлейс и Ч. Бэббиджем, однако он добавлен в общую архитектуру.
Первыми пятью компьютерами, в которых были реализованы основные особенности архитектуры фон Неймана, были:
– Mark I. Манчестерский университет, Великобритания, 21 июня 1948 г.;
– EDSAC. Кембриджский университет, Великобритания, 6 мая 1949 г.;
– BINAC. США, апрель или август 1949 г.;
– CSIR Мк 1. Австралия, ноябрь 1949 г.;
– SEAC. США, 9 мая 1950 г.
Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и команд, т.е. могут одновременно выполняться несколько фрагментов одной задачи (рис. 4.2).
Многомашинная вычислительная система. Несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а каждый имеет свою локальную. Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко (рис. 4.3). Однако эффект от применения многомашинной системы может быть получен только при решении задач, имеющих специальную структуру, которая должна разбиваться на столько слабосвязанных подзадач, сколько компьютеров в системе (Колдаев В.Д., Лунин С.А. Архитектура ЭВМ: учеб. пособие. М.,2008.).
Существуют следующие классификации архитектур вычислительных систем: Флинна, Фенга, Хокни, Шнайдера, Скилликорна, Дункана.
Архитектура персонального компьютера. Это компоновка его основных частей, таких как процессор, ОЗУ, видеоподсистема, дисковая система, периферийные устройства и устройства ввода-вывода.
Материнская плата, формирующая основу вычислительной системы современного компьютера общего назначения, содержит две основные большие микросхемы:
1. Северный мост (North Bridge) – контроллер-концентратор памяти (МСН), который обеспечивает работу центрального процессора, оперативной памяти и видеоадаптера.
2. Южный мост (South Bridge) – контроллер-концентратор ввода-вывода (ICH), обеспечивающий работу контроллеров, интегрированных в материнскую плату устройств (локальной вычислительной сети, звуковой подсистемы, видеоадаптера в отдельном случае), а также взаимодействие с внешними устройствами посредством организации шинного интерфейса.
От микросхем чипсета зависят возможности работы установленных в вычислительной системе процессора, внешних устройств (видеокарты, жесткого диска и др.).