1.3 Типы архитектур микропроцессоров

Существует два основных типа архитектуры – фоннеймановская (принстонская) и гарвардская.

Фоннеймановскую архитектуру предложил в 1945 году американский математик Джон фон Нейман, работавший в то время в университете Принстона. Особенностью этой архитектуры является то, что программа, данные и область ввода/вывода находятся в общей памяти, доступ к которой осуществляется по шине данных и команд ШДиК (Data and Command Bus). Такая шина данных и команд, как правило, мультиплексируется с шиной адреса ША (Address Bus).

Мультиплексирование – это способ передачи разнородных данных по одной шине посредством разделения времени передачи между разнородными данными с использованием переключателя (мультиплексора). В один квант времени по шине передаются, например адреса для записи данных в ОЗУ. В следующий квант времени, который наступает после переключения шины с адресных контактов на контакты данных, по ней передаются данные для записи в ОЗУ. Это замедляет процесс обращения к ОЗУ по записи/чтению, но упрощает исполнение шины в кристалле. Кроме этого в случае сбоя в мультиплексированной шине возможно чтение из ОЗУ данных вместо команд, что ведёт к попытке исполнения данных как команд и как следствие ‑ зависанию выполняемого приложения.

Достоинствами фоннеймановской архитектуры является простота реализации и дешевизна, недостатками – низкое быстродействие и надёжность по сравнению с гарвардской архитектурой.

Гарвардская архитектура впервые была реализована в 1944 году в релейной вычислительной машине Гарвардского университета (США). Особенностью этой архитектуры является то, что память данных, память программ и область ввода/вывода разделены и имеют отдельную шину данных ШД (Data Bus) и шину команд ШК (Command Bus). Достоинствами гарвардской архитектуры является высокое быстродействие и надёжность функционирования, т.к. сбои, присущие фоннеймановской архитектуре и связанные с попыткой исполнения данных, невозможны. Недостатками являются более сложные схемы управления и высокая стоимость.

На рисунке 1.2 изображены структурные схемы двух типов архитектуры МП. Центральное процессорное устройство ЦПУ (CPU ‑ Central Processing Unit) содержит регистры для хранения данных, АЛУ и схему управления и синхронизации СУиС (control unit).