Архитектура фон Неймана

Введение
Архитектура фон Неймана (англ. von Neumann architecture) основана на разработке ученого Джона фон Неймана о совместном хранении программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого типа зачастую обозначены термином «машина фон Неймана», но, соответствие этих понятий может быть различной.
Общий случай, когда начинается речь об архитектуре фон Неймана, включает физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.
Наличие заданного набора команд и программ – характерная черта первых появившихся компьютерных систем.
Сегодня такой дизайн используют, чтобы упросить конструкцию вычислительного устройства.
1.Механизм взаимодействия уровней иерархической памяти при выборке данных (данные могут находиться на разных уровнях).
Организация памяти в ЭВМ
ЭВМ, которая реализована по классическому принципу фон-неймановской архитектуре, включает в себя (рис.1):
• процессор, который содержит арифметико-логическое устройство (АЛУ) и центральное устройство управления (ЦУУ);
• память, в современных ЭВМ подразделяемая на оперативную (ОП или ОЗУ) и сверхоперативную (СОЗУ);
• внешние устройства, которые включают внешнюю память (ВЗУ) и устройства ввода/вывода (УВВ).
Введенная информация первоначально должна быть сохраненной в основной памяти, а затем может быть перенесена во вторичную память, для длительного хранения. Чтобы программа могла быть исполнена, команды и данные должны быть расположены в основной памяти (ОП), которая организована так, что каждое двоичное слово может храниться в отдельной ячейке, которая будет идентифицирована адресом, а соседние ячейки памяти могут иметь следующие по порядку адреса. Доступ к любым ячейкам запоминающего устройства (ЗУ) основной памяти может быть произведен в произвольной последовательности [4].
Подобный вид памяти обозначен как память с произвольным доступом. ОП современных ВМ в основном включают полупроводниковые оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), которые обеспечивают как считывание, так и регистрацию информации.
Для таких ЗУ особенность заключается в энергозависимости — хранимая информация может быть утрачена при отключении электропитания. Если есть необходимость, чтобы часть основной памяти являлась энергонезависимой, в состав ОП могут быть включены постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), которые также могут обеспечить произвольный доступ. Сохраняющаяся в ПЗУ информация может быть считана (но не записана).
Размер ячейки основной памяти равен 8 двоичным разрядам — байту. Чтобы сохранить большие числа, то могут быть использованы 2,4 или 8 байтов, которые размещаются в ячейках, которые имеют последовательные адреса. В этом случае за адрес числа может быть принят адрес его младшего байта.
Так, при хранении 32-разрядного числа в ячейках с адресами 200, 201, 202 и 203 адресом числа будет 200.
Чтобы долговременно хранить большие программы и массивы данных в ВМ может быть предложена дополнительная память, иначе как вторичная. Вторичная память является энергонезависимой и чаще всего может быть реализована на базе магнитных дисков [2].
Информация может хранится в виде специальных программно -поддерживаемых объектов — файлов (согласно стандарту ISO, файл — это «идентифицированная совокупность экземпляров полностью описанного в конкретной программе типа данных, находящихся вне программы во внешней памяти и доступных программе посредством специальных операций»).
Рис. 1 – Архитектура фон Неймана
1.1 Иерархия памяти ЭВМ
Память ЭВМ (рис.2) должна обладать большой информационной емкостью V, малым временем обращения t (высокое быстродействие), характерная черта - высокая надежность и низкая стоимость.
Однако с увеличением емкости может быть снижено быстродействие, однако растет стоимость.
Деление памяти на ОЗУ и ВЗУ не может снять противоречие полностью, так как различие в быстродействии процессора, ОЗУ и ВЗУ существенно. Путь обмена информацией может осуществляться через дополнительные буферные устройства, то есть память ЭВМ имеет иерархическую многоуровневую структуру.
Высокое быстродействие ЗУ связанно с высокой стоимость хранения 1 байта, то тем меньшую емкость занимает ЗУ.
Рис. 2 – Иерархия в организации памяти
Иерархия памяти ЭВМ:
· регистры микропроцессорной памяти, а также кэш-память первого и второго уровня t=10-9-10-6 t=10-9-10-6 с, V=102-104 бит);
· внутренняя память ПЗУ, ОЗУ t=10-6-10-3 t=10-6-10-3 с, V=10-4-107 бит);
· внешняя память (t=10-3-1 с, V=107-109 бит);
· массовая или архивная память (t=1-10 с, V=109-1010 V=109-1010 бит) [4].
Блочное взаимодействие уровней
Успешно завершенное обращения или неуспешно завершенное обращения к более высокому иерархическому уровню памяти называется - попаданием или промахом

. Попадание - это обращение к объекту в памяти, который находится более высоком уровне, в то время как промах может означать, что он не найден на этом уровне.
Коэффициент попаданий - это доля обращений, которые могут быть найдены на более высоком уровне. Доля промахов – это доля обращений, которые не могут быть найдены на более высоком уровне.
Поскольку увеличение производительности - причина появления иерархии памяти, частота попаданий и промахов является важной характеристикой.
Описание получения доступа к этим данным.
Память классифицируется по способу доступа к данным.
В современных компьютерах память может осуществляться по иерархическому принципу. Для архитектуры ЭВМ фон-Неймана характерен принцип локальности. За ограниченный промежуток времени каждая программа, которая выполняется в данный момент, не обращается ко всем данным и командам равномерно, а имеет тенденцию обращаться только к ограниченной части своего адресного пространства.
Важнейшие характеристики устройств памяти - емкость памяти, удельная емкость, время доступа.
Поиск данных в многоуровневой памяти определяется временем доступа к памяти. Время доступа к памяти является временем, которое может занять установка в адресной шине и считывание данных с шины данных.
Принцип пространственной локальности основан таким образом: еслипроизошло обращение по какому-то адресу, то с большей степенью вероятности в ближайшее время может произойти обращение к соседним адресам. В согласии с принципом пространственной локальности, наиболее вероятен тот факт, что в ближайшем будущем программа может обратиться к ячейке, которая следует за той, к которой она сейчас обращается в текущий. Принцип пространственной локальности означает возможность считывания в кэш нескольких соседних ячеек памяти (блока информации). Каждый блок может храниться в строке буфера, а набор таких строк составляет кэш-память.
Содержимое кэш-памяти является совокупностью записей обо всех загруженных в кэш элементах данных. Каждая отдельная запись об элементе данных может включать в себя адрес, который элемент данных имеет в оперативной памяти, и управляющую информацию: признак модификации, признак обращения к данным за некоторый последний период времени.
Размер блока – важный параметр подсистемы памяти. Возможно есть некая зависимость, что чем больше размер блока, тем выше коэффициент удачных обращений. В другом случае, чем больше размер блока, тем меньше блоков размещается в кэше и, вследствие, увеличивается число операций пересылки из памяти в кэш и обратно.
Кроме того, для увеличения скорости блочных пересылок между основной памятью и кэшем желательно, чтобы с увеличением размера блока росла и разрядность связывающей их шины. Д. Кнут изучил, что линейные участки программ, в которых нет команд перехода, обычно могут превысить 3–5 команд. Тогда размер блока не должен превышать этой величины.
Следовательно, информация из основной памяти может быть загружена в кэш блоками по несколько слов и сохранена в нем в течение определённого количества времени. При доступе к определенному адресу центральный процессор может первоочередно определить, содержит ли кэш-память копию блока с именно данным адресом, и если копия там есть, то затем определить, с какого адреса кэш–памяти может быть начат этот блок.
Перспектива возможности ускорения доступа к этим данным.
Дает большую производительность чем фон Нейман за счет возможности за один такт использовать обе шины (читать из шины инструкций и одновременно записывать в шину данных), но может быть осложнением для общей архитектуры и тем самым иметь ограничения.
1.2 Анализ причин, приведших к необходимости появления многоуровневой памяти
Известно, что память ЭВМ существует для хранения программ и данных, причем эффективность работы ЭВМ могут быть определены характеристиками ее памяти. К памяти всегда были предъявлены три основных требования: большой объем, высокое быстродействие и низкая (умеренная) стоимость [1].
Все перечисленные выше требования к памяти являются взаимно-противоречивыми, поэтому пока невозможно реализовать один тип ЗУ, отвечающий всем названным требованиям. В современных ЭВМ может быть организован комплекс разнотипных ЗУ, которые взаимодействуют между собой и обеспечивают требуемые характеристики памяти ЭВМ для каждого конкретного применения. Основа большинства ЭВМ - трехуровневая организация памяти: сверхоперативная (СОЗУ) — оперативная (ОЗУ) — внешняя (ВЗУ)