Принципы фон Неймана; фоннеймановская архитектура

Гарвардская архитектура

Исторически первой появилась гарвардская структура, разработанная Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете и реализованы в компьютере Марк-1.
В первом компьютере Эйкена «Марк I» для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это главный отличительный признак – раздельное хранение и обработка команд и данных (использование раздельных адресных пространств). Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие. Принципиально невозможно производить операцию записи в память программ, что исключает возможность случайного разрушения управляющей программы в случае неправильных действий над данными. Она почти не использовалась до конца 70-х годов. Однако оказалось, что в микрокомпьютерах объем данных очень невелик по сравнению с управляющей программой. Применение отдельной небольшой по объему памяти данных способствует сокращению длины команд и ускорению поиска информации в памяти данных. Гарвардская архитектура применяется в микроконтролерах, где требуется обеспечить высокую надёжность работы аппаратуры. Однако такая схема имеет очевидный недостаток — высокую стоимость. При разделении каналов передачи команд и данных процессор должен иметь почти в два раза больше выводов (раздельно для шины адреса и шины данных).

Принципы фон Неймана; фоннеймановская архитектура

В большинстве современных IBM-совместимых компьютерах реализована архитектура фон Неймана, основанная на «принципах фон Неймана». Перечислим некоторые принципы, важные в рамках данного курса.
1. Для представления данных и команд используется двоичная система (логика. алгебра и арифметика);
2. Команды и данные хранятся в одной и той же памяти, над командами можно выполнять такие же (двоичные) действия, как и над данными;
3. Все команды располагаются в памяти и обычно выполняются последовательно. хотя возможен и условный переход – «перескакивание» через серию команд.

Такая организация позволяет производит загрузку и выгрузку управляющих программ в произвольное место памяти, которая в этой структуре не разделяется на память программ и память данных. Любой участок памяти может служить как памятью программ, так и памятью данных. Причём в разные моменты времени одна и та же область памяти может использоваться и как память программ и как память данных. Для того, чтобы программа могла работать в произвольной области памяти, её необходимо модернизировать перед загрузкой, то есть работать с нею как с обычными данными. Эта особенность архитектуры позволяет наиболее гибко управлять работой микропроцессорной системы. С другой стороны, это создаёт принципиальную возможность искажения управляющей программы, что понижает надёжность работы аппаратуры. Подавляющее большинство современных компьютеров основаны именно на указанных принципах, включая и сложные многопроцессорные комплексы, которые можно рассматривать как объединение фон-неймановских машин.