13.1.2 Машины Гарвардского и Принстонского классов

П ринстонский университет разработал ком­пьютер, который имел общую память для хранения программ и данных. Та­кая архитектура компьютеров больше известна как архитектура Фон-Нейма­на по имени научного руководителя этой разработки (рис. 1.3).

Рис. 1.3 - Структура компьютера с Принстонской архитектурой.

В этой архитектуре блок интерфейса с памятью выполняет арбитраж запро­сов к памяти, обеспечивая выборку команд, чтение и запись данных, размеща­емых в памяти или внутренних регистрах. Может показаться, что блок интер­фейса является наиболее узким местом между процессором и памятью, так как одновременно с данными требуется выбирать из памяти очередную команду. Однако во многих процессорах с Принстонской архитектурой эта проблема ре­шается путем выборки следующей команды во время выполнения предыдущей. Такая операция называется предварительной выборкой («предвыборка»), и она реализуется в большинстве процессоров с такой архитектурой.

Г арвардский университет представил разработку компьютера, в котором для хранения программ, данных и стека использовались отдельные банки па­мяти (рис. 1.4)

Принстонская архитектура выиграла соревнование, так как она больше соответствовала уровню технологии того времени. Использование общей па­мяти оказалось более предпочтительным из-за ненадежности ламповой элек­троники (это было до широкого распространения транзисторов) - при этом возникало меньше отказов.

Рис. 1.4 - Структура компьютера с Гарвардской архитектурой

Гарвардская архитектура почти не использовалась до конца 70-х годов, когда производители микроконтроллеров поняли, что эта архитектура дает преимущества устройствам, которые они разрабатывали.

Основным преимуществом архитектуры Фон Неймана является то, что она упрощает устройство микропроцессора, так как реализует обращение только к одной общей памяти. Для микропроцессоров самым важным являет­ся то, что содержимое ОЗУ (RAM - Random Access Memory) может быть использовано как для хранения данных, так и для хранения программ. В не­которых приложениях программе необходимо иметь доступ к содержимому стека. Все это предоставляет большую гибкость для разработчика программ­ного обеспечения, прежде всего в области операционных систем реального времени, о которых пойдет речь позднее.

Гарвардская архитектура выполняет команды за меньшее количество так­тов, чем архитектура Фон Неймана. Это обусловлено тем, что в Гарвардской архитектуре больше возможностей для реализации параллельных операций. Выборка следующей команды может происходить одновременно с выполне­нием предыдущей команды, и нет необходимости останавливать процессор на время выборки команды.

13.2 Организация памяти эвм

Память в ЭВМ предназначена для запоминания  двоичных чисел. Память состоит из элементов способных своим свойством запомнить 1 или 0, что соответствует минимальной единице памяти - 1 биту. Восемь бит образуют информационную  единицу 1 байт. Два байта называются машинным словом.  Основными параметрами памяти является плотность, быстродействие, надежность, энергозависимость и  себестоимость. Требования высокого быстродействия и надежности с другой стороны и  доступность по стоимости с другой, заставляет применять особую иерархическую структуру всей памяти компьютера.

Основная, или оперативная память (ОЗУ – оперативное запоминающее устройство) – используется для оперативного обмена информацией (данными и командами) между процессором, внешней памятью и периферийными устройствами. ОЗУ является памятью с произвольным доступом, т.е. обращаться к ячейкам памяти можно в любом порядке. Оперативная память относится к динамической памяти. Данные могут сохраняться только в постоянном динамическом обновлении содержимого. По этой же причине она является энергозависимой. Кэш-память – сверхоперативная память (СОЗУ), является буфером между ОЗУ и процессором (одним или несколькими) и другими абонентами системной шины. Быстродействие этой памяти близко к скорости ядра процессора. Кэш-память не является самостоятельным хранилищем информации, и она не адресуема клиентами подсистемы памяти. Кэш хранит копии блоков данных, областей памяти которые чаще учувствуют в обмене информацией. От эффективности алгоритма кэширования зависит оперативность памяти. Объем кэш-памяти ПК в тысячи раз меньше объема ОЗУ, но быстродействие в десятки раз выше. В современных персональных компьютерах кэш-память располагается внутри самого процессора. Постоянная память используется для энергонезависимого хранения системной информации – BIOS (программа начальной загрузки), таблиц знакогенераторов и т.д. Обычно при работе компьютера эта память только считывается, но имеется и режим программирования, при котором можно изменить содержимое. В персональных компьютерах в качестве постоянной памяти используют флэш-память, и ее объем составляет около 6 Мбайт. Быстродействие постоянной памяти гораздо меньше оперативной, поэтому для нее создается и используется ее теневая копия в оперативной памяти. Полупостоянная память в основном  используется для хранения информации о конфигурации (настроек) компьютера. Память конфигурации выполнена вместе с системными часами на основе CMOS элементов. Объем данной память составляет несколько десятков байт, а сохранность данных при отсутствии питания обеспечивается небольшой внутренней батарейкой. Устройства хранения данных (дополнительная память) относятся к внешней памяти компьютера – они позволяют хранить информацию для последующего использования не зависимо от того включен или выключен компьютер. В этих устройствах  могут быть реализованы различные физические принципы хранения информации – магнитный, оптический, электронный – в любых их сочетаниях. Обмен данными с основной памятью принципиально отличается от сеансов обмена с дополнительной памятью. Процедура работы с устройствами внешней памяти больше привязано к типу (интерфейсу) самих устройств.