Классическая фон-Неймановская архитектура, структура и принципы. Команды и способы их исполнения

Введение
Изучение архитектуры вычислительных машин стало возможным благодаря трудам выдающегося американского математика Джона фон Неймана.
В процессе работы над созданием вычислительный машин, Джон и его коллеги Г. Голдстайн и А. Беркс высказали идею разработки принципиально новой структуры ЭВМ, которая была названа в честь ученого фон Неймана.
В 1946 г. вышеперечисленные ученые изложили постулаты построения вычислительных машин в культовой статье “Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства”.
1.Классическая структура ЭВМ - модель фон Неймана
Фон Нейман смог предложить уникальные принципы построения логического устройства ЭВМ, и смогу предложить новые свойства её структуры, которая была воспроизведена в течение первых двух поколений ЭВМ. Основные блоки по Нейману были следующими: устройство управления (УУ); арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно их объединяют как центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода [3].
Схема устройства данной ЭВМ показана на рис. 1. Внешняя память имеет отличие от устройств ввода и вывода таким образом, что данные в нее заносились в виде, который удобен компьютеру, но недоступен для непосредственного восприятия человеком. Так, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти, а клавиатура – устройство ввода, дисплей и печать – устройства вывода.
В созданной по выверенной схеме ЭВМ может происходить последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (или же адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлекаться следующая команда программы, может быть указана специальным устройством – счетчиком команд в УУ [3].
Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры.
Рис. 1. Архитектура ЭВМ, которая построено согласно принципам фон Неймана. Сплошные линии со стрелками - это направление потоков информации, пунктирные показывают направление управляющих сигналов от процессора к остальным узлам ЭВМ
Считается, что первый электронный компьютер ENIAC был создан США в 1946 г.
Исследование сильных и слабых сторон данного проекта ENIAC был предоставлен в отчете Принстонского института перспективных исследований "Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства" (июнь 1946 г.).
Этот отчет был предложен Джоном фон Нейманом и коллегами по Принстонскому институту Г. Голдстайном и А. Берксом, представлял проект нового электронного компьютера. Постулаты, которые были представлены в этом отчете, известны как основные "Неймановские Принципы", тогда оказали существенное влияние на эволюцию компьютерной техники [1].
Характеристика "Неймановских Принципов" может состоять в следующем [3]:
Двоичная система счисления гласит, что компьютеры на электронных элементах должны работать не в десятичной, как было тогда популярно, а в двоичной системе счисления;
Принцип программного управления и хранимой в памяти программы - компьютер может работать под управлением программы, а эта программа должна быть размещена в одном из блоков компьютера - в запоминающем устройстве (первоначально программа задавалась путем установки перемычек на коммутационной панели);
Принцип однородности - команды, как и данные, с которыми может оперировать компьютер, должны хранится в одном блоке памяти и записываются в двоичном коде, то есть по формату представления команды и данные однотипны и могу храниться в одной и той же области памяти;
Принцип адресности – основная память, структурно состоящая из нумерованных ячеек, т.е

. доступ к командам и данным осуществляется по адресу. Трудность физической реализации запоминающего устройства большого быстродействия и большой памяти требуют иерархической организации памяти;
В компьютере используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над двоичными кодами осуществляются одновременно над всеми разрядами).
2. Классификация видов команд
Команды классифицируются по такому параметру как готовность к исполнению - классическая и потоковая модель. Для классической фон-неймановской архитектуры характерно внеочередное исполнение (исполнение машинных инструкций не в порядке написания машинного кода) и выполнение поочередно. Внеочередное исполнение было предпринято с целью повышения производительности устройств.
Классическая модель обработки данных включает одновременное выполнение несколько командных последовательностей в естественном порядке, то есть в порядке размещения каждой из них в памяти. Это может быть обеспечено в каждом процессоре счетчика команд. Выполнение команд в каждом процессоре происходит поочередно, тем самым обусловлено медлительность выполнения. Для получения преимущества компилятор должен выявить независимые команды, которые будут поданы на отдельные процессоры, таким образом, что коммуникационные издержки не были существенны.
Классические фон-неймановские вычислительные системы, которые управляются с помощью программного счетчика, называются вычислительными системами, управляемыми последовательностью команд. Если программа, которая состоит из команд, может быть сохранена в памяти, то существуют следующие альтернативные варианты осуществления:
команда может быть выполнена после того, как выполнена предшествующая ей команда по определенной последовательности;
команда может быть выполнена, когда в доступе ее операнды;
команда может быть выполнена, когда другим командам нужен результат ее выполнения.
Потоковые команды осуществляются по мере готовности к исполнению (а не в порядке следования в машинном коде). Потоковые команды осуществляются с целью повышения производительности устройства. Основной смысл потоковых команд реализуется в избежание простоя процессора в случаях, когда данные, которые необходимы для выполнения очередной инструкции, не могут быть доступны.
Потоковые команды тем эффективнее работают, чем длиннее конвейер процессора, и, если есть существенная разница между скоростью работы памяти и скоростью работы процессора.
Гибридные команды совмещают преимущества классических и потоковых команд