Принстонская і гарвардська архітектура обчислювальних систем

Всім відомо, який неоціненний внесок у розвиток обчислювальної техніки внесли американські вчені . Хоча дослідження велись у багатьох університетах цієї країни, пальма першості належить Гарвардського і Прінстонському. Саме там були розроблені варіанти архітектури обчислювальних машин, що зумовили концепції розвитку комп'ютерної техніки.

З чого все почалося

В середині 1930-х військове відомство Сполучених Штатів доручив Прінстонському і Гарвардського університетів створити електромеханічну обчислювальну систему, призначену для підтримки артилерії ВМФ США.


В результаті з'явилися 2 концепції. Сьогодні вони відомі як гарвардська і принстонская архітектура.

Концептуально відміну

Головна відмінність цих двох концепцій полягає в тому, що архітектура фон Неймана (принстонская) використовувала єдину пам'ять, тобто загальну шину даних. Що стосується її «конкурентки», автором якої став Говард Ейкен для її реалізації потрібна наявність декількох шин. Крім того, гарвардська архітектура обчислювальної системи відрізняється від прінстонської тим, що її реалізація при достатньої складності схеми є більш швидкісний. Це пов'язано з тим, що в фон-неймановском варіанті пам'яті програм і даних не можуть бути доступні одночасно.

Гарвардська архітектура vs принстонская

Як відомо, головними складовими ЕОМ є АЛУ і пам'ять. Очевидно, що чим менше провідників між ними, тим краще. З цієї точки зору і з урахуванням технічних можливостей, які мали місце до кінця 60-х років минулого століття, безумовно, лідирувала неймановская архітектура. Саме вона лягла в основу конструкції процесорів RISC.


Але науково-технічний прогрес не стояв на місці, і в 70-х роках ХХ століття з'явилися напівпровідники. З їх допомогою можна було створювати безліч микропроводников, що ліквідував проблему використання великої кількості контактів та призвело до настання ери гарвардської архітектури.

Подальше протистояння

Поява процесорів, розроблених на основі гарвардської архітектури, зустріли без особливого ентузіазму, так як на той момент не існувало, здатного зробити відчутними переваги їх використання. Зокрема, з-за того, що вони не могли працювати на великих частотах, їх називали процесорами для бідних. Ситуація з затребуваністю гарвардської архітектури змінилася після появи ПК Apple I. Він функціонував на 8-розрядному процесор MOS 6502 чинному на гарвардській архітектурі і з ОС Apple DOS. Простота операційної системи компенсувалася складною конструкцією процесора, названого CISC. Він володів окремої 16-розрядною адресною шиною і дозволяв довільно маніпулювати регістрами. Процесор CISC володів продуктивністю, яка в кілька разів перевищувала всі вже існуючі. Слідом за цим IBM повторила ідею Apple, створивши персональний комп'ютер IBM PC з процесором від Intel, функціонуючим відповідно до концепції гарвардської архітектури. У якості ОС використовувався продукт компанії Microsoft — Microsoft DOS. Системи з таким складом називаються Wintel.

Недоліки гарвардської архітектури ЕОМ

За швидкодію CISC-процесори довелося заплатити подвоєним/потроєною кількістю контактів. Це не тільки стало причиною його перегріву, але і наклав обмеження на його розміри. В середньому на кожні 20 відсотків приросту продуктивності гарвардського процесора його споживана потужність збільшувалася до 50 відсотків. Для вирішення цієї проблеми були винайдені багатоядерні процесори, у яких частота роботи кожного окремого ядра була знижена, але по сумарній продуктивності вони перевищували показники навіть розігнаного одноядерного .

Вплив гарвардської і прінстонської архітектур побудови комп'ютерних систем на подальший розвиток обчислювальної математики

Перехід на багатоядерні ВС привів до завершення ери класичного програмування, т. к. для багатопоточних обчислень знадобилося зміна класичних алгоритмів програмування, побудованих на блок-схемах. Все це призвело до розриву між можливостями ЕОМ та існуючими можливостями обчислювальної математики. Проблема ускладнилася після докази закону Амдала згідно яким неможливо розробити повністю распараллеленный обчислювальний алгоритм, тобто такої, в якому не було б якоїсь частки послідовних операцій.

Сучасна архітектура ПК

Сьогодні існують ЕОМ з різними типами і навіть гібридними архітектурами. Однак основними принципами , які їх визначають, є: Програмне управління . Воно дозволяє автоматизувати процес обчислень на ЕОМ. Згідно з цим принципом, рішення будь-якої задачі здійснюється за програмою, яка визначає послідовність дій ПК. Принцип програми, що зберігається в пам'яті. Він містить вимогу подання команд у вигляді чисел, як це відбувається у відношенні даних і їх обробку таким же способом, що і чисел. При цьому сама вона перед запуском завантажується в оперативну пам'ять, що дає можливість прискорити процес виконання. Принцип довільного доступу до комп'ютерної оперативної пам'яті. Елементи програм та даних записуються в будь-яке місце ВП . Таке рішення дозволяє звернутися до конкретної ділянки пам'яті, не переглядаючи попередні . Тепер ви знаєте, чим гарвардська архітектура відрізняється від прінстонської і яке значення вони мають для розвитку обчислювальної техніки. Можливо, з часом з'являться нові принципи побудови комп'ютерних систем, які дозволять досягти результатів, які сьогодні здаються фантастичними.