Архитектура ЭВМ Джона фон Неймана

В 1945 году выдающийся американский математик венгерского происхождения Джон фон Нейман (John von Neumann) вместе с коллегами сформулировал базовые концепции построения универсальных электронно-вычислительных машин, которые остаются основой архитектуры ПК и по сей день.

Фундаментальные принципы фон Неймана:

1. Принцип двоичного кодирования — вся информация (как числовые данные, так и команды программ) кодируется в виде двоичных последовательностей из 0 и 1;

2. Принцип однородности памяти — программы и данные хранятся в одном и том же общем адресном пространстве памяти. Процессор может обрабатывать команды программы точно так же, как обычные числовые данные;

3. Принцип адресности памяти — оперативная память состоит из пронумерованных ячеек (байтов). Процессор может мгновенно обратиться к любой ячейке по ее уникальному числовому адресу;

4. Принцип программного управления — программа состоит из набора команд, которые процессор выполняет автоматически шаг за шагом в строгой последовательности (если нет команд условного перехода);

5. Принцип последовательного выполнения команд — процессор считывает очередную команду из памяти, дешифрует ее, выполняет и переходит к следующей.

Центральный процессор (CPU) — главный исполнительный кремниевый чип компьютера, выполняющий машинные инструкции и управляющий остальными устройствами.

Процессор состоит из трех главных функциональных блоков:

1. Арифметико-логическое устройство (АЛУ / ALU) — выполняет сложение, вычитание, умножение, деление и логические операции (И, ИЛИ, НЕ, сравнение чисел);

2. Устройство управления (УУ / CU) — координирует работу всех узлов процессора: считывает команду из памяти, расшифровывает ее код и вырабатывает синхронизирующие электрические сигналы для остальных блоков;

3. Регистры процессора — сверхбыстрые внутренние ячейки памяти малого объема (регистр команд, счетчик команд IP, аккумулятор). Они работают на частоте самого процессора без задержек.

Современные компьютеры строятся по магистрально-модульному (шинному) принципу. Это означает, что все отдельные узлы (процессор, ОЗУ, видеокарта, звуковая карта, контроллеры дисков) выполнены в виде отдельных модулей и соединяются общей информационной магистралью — системной шиной на материнской плате.

Системная шина состоит из трех параллельных групп проводников:

1. Шина данных — двунаправленная шина, по которой пересылаются байты данных между процессором, памятью и внешними устройствами. Разрядность шины данных определяет, сколько бит передается за один такт (64 бита в современных процессорах);

2. Шина адреса — однонаправленная шина, по которой процессор передает номер ячейки памяти или устройства, к которому он обращается. Разрядность адресной шины определяет максимальный объем поддерживаемой оперативной памяти ($2^{32} = 4$ Гбайт для 32-битных систем, $2^{64}$ для 64-битных);

3. Шина управления — передает управляющие служебные сигналы (чтение, запись, сигнал готовности, прерывание IRQ).

Работа процессора синхронизируется кварцевым генератором тактовых импульсов (тактовым генератором).

Тактовая частота (измеряется в гигагерцах, ГГц) — это количество электрических импульсов (тактов), вырабатываемых генератором за одну секунду. Например, частота 3.6 ГГц означает, что генератор подает 3.6 миллиарда тактов в секунду.

Машинный цикл исполнения одной команды включает четыре шага:

1. Fetch (Выборка) — считывание команды из ОЗУ по адресу из счетчика команд;

2. Decode (Декодирование) — расшифровка операции в УУ;

3. Execute (Исполнение) — выполнение операции в АЛУ;

4. Writeback (Запись) — сохранение полученного результата в регистр или ячейку ОЗУ.