Всем известно, какой неоценимый вклад в развитие вычислительной техники внесли американские ученые. Хотя исследования велись во многих университетах этой страны, пальма первенства все же принадлежит Гарвардскому и Принстонскому. Именно там были разработаны варианты архитектуры вычислительных машин, предопределившие концепции развития компьютерной техники.
С чего все началось
В середине 1930-х военное ведомство Соединенных Штатов поручило Принстонскому и Гарвардскому университетам создать электромеханическую вычислительную систему, предназначенную для поддержки артиллерии ВМФ США.
В результате появились 2 концепции. Сегодня они известны как гарвардская и принстонская архитектура.
Концептуально отличие
Главное отличие этих двух концепций заключается в том, что архитектура фон Неймана (принстонская) использовала единую память, т. е. общую шину данных. Что касается ее «конкурентки», автором которой стал Говард Эйкен, для её реализации требуется наличие нескольких шин.
Кроме того, гарвардская архитектура вычислительной системы отличается от принстонской тем, что ее реализация при достаточной сложности схемы является более скоростной. Это связно с тем, что в фон-неймановском варианте памяти программ и данных не могут быть доступны одновременно.
Гарвардская архитектура vs принстонская
Как известно, главными составляющими ЭВМ являются АЛУ и память. Очевидно, что чем меньше проводников между ними, тем лучше. С этой точки зрения и с учетом технических возможностей, которые имели место до конца 60-х годов прошлого века, безусловно, лидировала неймановская архитектура. Именно она легла в основу конструкции процессоров RISC.
Но научно-технический прогресс не стоял на месте, и в 70-х годах ХХ века появились полупроводники. С их помощью можно было создавать множество микропроводников, что ликвидировало проблему использования большого количества контактов и привело к наступлению эры гарвардской архитектуры.
Дальнейшее противостояние
Появление процессоров, разработанных на основе гарвардской архитектуры, было встречено без особого энтузиазма, так как на тот момент не существовало ПО, способного сделать ощутимыми преимущества их использования. В частности, из-за того, что они не могли работать на больших частотах, их называли процессорами для бедных.
Ситуация с востребованностью гарвардской архитектуры изменилась после появления ПК Apple I. Он функционировал на 8-разрядном процессоре MOS 6502, действующем на гарвардской архитектуре и с ОС Apple DOS.
Простота операционной системы компенсировалась сложной конструкцией процессора, названного CISC. Он обладал отдельной 16-разрядной адресной шиной и позволял произвольно манипулировать регистрами. Процессор CISC обладал производительностью, которая в несколько раз превышала все уже существующие.
Вслед за этим IBM повторила идею Apple, создав персональный компьютер IBM-PC с процессором от Intel, функционирующим согласно концепции гарвардской архитектуры. В качестве ОС использовался продукт компании Microsoft — Microsoft DOS. Системы с таким составом называются Wintel.
Недостатки гарвардской архитектуры ЭВМ
За быстродействие CISC-процессора пришлось заплатить удвоенным/утроенным количеством контактов. Это не только стало причиной его перегрева, но и наложило ограничения на его размеры. В среднем на каждые 20 процентов прироста производительности гарвардского процессора его потребляемая мощность увеличивалась до 50 процентов.
Для решения этой проблемы были изобретены многоядерные процессоры, в которых частота работы каждого отдельного ядра была понижена, но по суммарной производительности они превышали показатели даже разогнанного одноядерного.
Влияние гарвардской и принстонской архитектур построения компьютерных систем на дальнейшее развитие вычислительной математики
Переход на многоядерные ВС привел к завершению эры классического программирования, т. к. для многопоточных вычислений потребовалось изменение классических алгоритмов программирования, построенных на блок-схемах. Все это привело к разрыву между возможностями ЭВМ и существующими возможностями вычислительной математики. Проблема усугубилась после доказательства закона Амдала, согласно которому невозможно разработать полностью распараллеленный вычислительный алгоритм, т. е. такой, в котором не было бы некой доли последовательных операций.
Современная архитектура ПК
Сегодня существуют ЭВМ с разными типами и даже гибридными архитектурами. Однако основными принципами, которые их определяют, являются:
- Программное управление. Оно позволяет автоматизировать процесс вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, решение любой задачи осуществляется по программе, определяющей последовательность действий ПК.
- Принцип программы, сохраняемой в памяти. Он содержит требование подачи команд в виде чисел, как это происходит в отношении данных, и их обработку таким же способом, что и чисел. При этом сама она перед запуском загружается в оперативную память, что дает возможность ускорить процесс выполнения.
- Принцип произвольного доступа к компьютерной оперативной памяти. Элементы программ и данных записываются в любое место ОП. Такое решение позволяет обратиться к конкретному участку памяти, не просматривая предыдущие.
Теперь вы знаете, чем гарвардская архитектура отличается от принстонской и какое значение они имеют для развития вычислительной техники. Возможно, со временем появятся новые принципы построения компьютерных систем, которые позволят достичь результатов, которые сегодня кажутся фантастическими.
