Особенности структуры процессоров различных ЭВМ

По особенностям структуры процессоры можно разделить на процессоры, имеющие гарвардскую архитектуру и процессоры, имеющие фон-неймоновскую архитектуру. Гарвардская архитектура была разработана Говардом Айхеном (Howard Aiken) в конце 1930-х годов в Гарвардском университете (отсюда - название). Первая машина Harvard Mark1 работала уже в 1944 году. За ней в 1946 году последовал «электронный числовой интегратор и калькулятор» (Electronic Numerical Integrator and Calculator - ENIAC), разработанный Пенсильванским университетом.

Джон фон-Нейман, математик венгерского происхождения, предложил простейшую архитектуру, а именно – с объединенной памятью программного продукта и данных. С тех пор это простое решение стало называться классической архитектурой. Машина фон-Неймана была создана в Принстонском институте новейших исследований в 1951 году.

Процессоры фон-неймановской архитектуры хранят программу и данные в одной и той же области памяти. В процессорах этого типа команды содержат указание, что выполнить, и адрес данных, подлежащих обработке. Арифметико-логическое устройство (АЛУ), входящая в состав операционного блока (ОБ), выполняет самые важные операции: умножение, сложение, вычитание и многие другие. Другой блок – устройство ввода/вывода (ИБ) управляет потоком внешних, относительно процессора, данных.
Основная особенность фон-неймановской архитектуры - наличие только одной линии передачи, в результате за один цикл обращения процессор может получить доступ либо к памяти программ, либо к памяти данных.

Гарвардская архитектура характеризуется тем, что память программ и память данных разделены, и они используют физически разделенные линии передачи. Это позволяет подобной машине пересылать команды и данные одновременно. Следовательно, такая конструкция может значительно увеличить производительность процессоора. Гарвардская машина, как и фон-неймановская, имеет арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство ввода/вывода (ИБ). Гарвардская архитектура является наиболее подходящей для специализированных микропроцессоров, предназначенных для решения прикладных задач в реальном времени.

Однако гарвардской архитектуре присущ один недостаток. Вследствие того, что память данных и память программ разделены, на кристалле необходимо иметь в два раза больше выводов адреса и данных. К сожалению, кремниевая технология такова, что увеличение числа выводов на кристалле приводит к росту цены. Однако было предложено следующее решение: для всех внешних данных, включая команды, использовать одну шину, а другую – для адресации, внутри же процессора иметь отдельную шину команд и шину данных и две соответствующих шины адреса. Разделение информации о программе и данных на выводах процессора производится благодаря их временному разделению (мультиплексированию). На это требуется два командных цикла: в первом цикле на выводы поступает информация о программе, а во втором на эти же выводы поступают данные. Затем все повторяется. Такой принцип устройства процессора называется модифицированной гарвардской архитектурой. Персональные компьютеры общего назначения чаще используют процессоры, построенные согласно архитектуре фон-Неймана, хотя наметилась тенденция использования процессоров с гарвардской и модифицированной гарвардской архитектурой.