Под архитектурой ВМ будем понимать совокупность ее основных функциональных блоков и схем их взаимодействия, определяющих функционально-логическую и структурную организацию вычислительной машины. Понятие архитектуры охватывает наиболее существенные принципы построения и функционирования ВМ. Фундаментальные основы структурной организации ВМ базируются на классических принципах, ключевой идеей которых является хранение в памяти вычислительной машины исполняемой ею программы.

Сущность так называемой «фон-неймановской» концепции вычислительной машины может быть сведена к четырем принципам: двоичного кодирования, программного управления, однородности памяти, адресности.

       Согласно принципу двоичного кодирования, вся информация (как  данные,  так  и  команды)  кодиру­ются двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип информации представляется двоичной последовательностью и имеет свой формат. Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. В числовой информации обычно выделяют поле знака и поле значащих разрядов. В формате команды можно выделить поле кода операции  и поле адресов (адресную часть). Код операции представляет собой указание, какая операция должна быть выполнена, и задается с помощью двоичной комбинации. Вид адресной части и число составляющих ее адресов зависят от типа команды: в командах преобразования данных адресная часть содержит адреса объектов обработки (операндов) и результата; в командах изменения порядка вычислений – адрес следую­щей команды программы; в командах ввода/вывода – номер устройства ввода/вывода. Адресная часть также представляется двоичной последовательностью.

       В соответствии с принципом программного управления все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть пред­ставлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов – команд. Каждая команда предписывает некоторую операцию из набора опе­раций, реализуемых вычислительной машиной. Команды программы хранятся в последовательных ячейках памяти ВМ и выполняются в естественной последовательности, то есть в порядке их расположения в программе. При необходимости, с помощью специальных команд, эта последовательность может быть изменена. Решение об изменении порядка выполнения команд принимается либо на основании анализа результатов предшествующих вычислений, либо безусловно.

       Согласно принципу однородности памяти команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти неразличимы. Распознать их можно только по способу использования. Это позволяет производить над командами те же операции, что и над числами, и, соответственно, предоставляет ряд важных возможностей, таких, например, как модификация команд и трансляция программы с языка высокого уровня на язык конкретной ВМ.

       Необходимо отметить, что концепция вычислительной машины в изложении фон Неймана предполагает единую память для хранения команд и данных. Этот подход был принят в вычислительных машинах, создававшихся в Принстонском университете, из-за чего и получил название «принстонской архитектуры». Практически одновременно с этим в Гарвардском университете была предложена иная модель, в которой ВМ имела отдельную память команд и отдельную память данных. Такой вид архитектуры называют «гарвардской» архитектурой. Долгие годы преобладающей была и остается принстонская архитектура, однако в связи с тем, что она порождает проблемы пропускной способности тракта «процессор-память», разработчики ВМ в последнее время все чаще обращаются к гарвардской архитектуре.

       В соответствии с принципом адресности основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек, причем процессору в произвольный момент доступна любая ячейка. Двоичные коды команд и данных разделяются на единицы информации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, а для доступа к ним используются номера соответствующих ячеек – адреса.

       Джоном фон Нейманом были определены основные устройства ВМ, с помощью которых должны быть реализованы вышеперечисленные принципы.

       Основы построения ВМ, разработанные Сергеем Алексеевичем  Лебедевым, заключаются в следующем:

       1) в состав ВМ должны входить устройства арифметики, памяти, ввода-вывода информации, управления;

       2) программа вычислений кодируется и хранится в памяти подобно числам;

       3) для кодирования чисел и команд следует использовать двоичную систему счисления;

       4) вычисления должны осуществляться автоматически на основе хранимой в памяти программы и операций над командами;

       5) помимо арифметических операций вводятся также логические – сравнения, условного и безусловного перехода, конъюнкции, дизъюнкции, отрицания;

       6) память строится по иерархическому принципу.  

       Классическая ВМ (рис.1.1) содержит запоминающее устройство – ЗУ (устройство памяти или, коротко, «память»), устройство управления – УУ и арифметико-логическое устройство – АЛУ. В вычислительной машине имеются средства для ввода программ и данных к ним, а также вывода результирующей информации. Информа­ция поступает из подсоединенных к ВМ периферийных устройств ввода (ПУвв). Результаты вычислений выводятся на периферийные устройства вывода (ПУвыв). Связь и взаимодействие ВМ и ПУ обеспечивает аппаратура сопряжения ВМ с ПУ. При этом аппаратура ввода именуется устройством ввода (Увв), а аппаратура вывода – устройством вывода (Увыв). Совокупность устройств ввода и вывода может быть названа устройством вво­да/вывода.

Рис. 1.1. Структурная схема вычислительной  машины классической

                                                  архитектуры:

       Устройство управления организует автоматическое выполнение программ (путем реализации функций управления) и обеспечивает функционирование ВМ как единого  вычислительного модуля. УУ следует рассматривать как совокупность элементов, между которыми происходит пересылка информации, в ходе чего эта информация может подвергаться определенным видам обработки. Пересылка информации между любыми элементами ВМ инициируется своим сигналом управления, то есть управление вычислительным процессом сводится к выдаче нужного набора сигналов управления в нужной временной последовательности. Основной функцией УУ является формирование управляющих сигналов, отвечающих за извлечение команд из памяти в порядке, определяемом программой, и последующее исполнение этих команд. Кроме того, УУ  формирует сигналы управления для синхронизации и координации внутренних и внешних устройств ВМ.

       Арифметико-логическое устройство  обеспечивает арифметическую и логическую обработку двух входных переменных, в результате которой формируется выходная переменная. Функции АЛУ обычно сводятся к простым арифметическим и логическим операциям, а также операциям сдвига. Помимо результата операции АЛУ формирует ряд признаков результата (флагов), характеризующих полученный результат и события, произошедшие в процессе его получения (равенство нулю, знак, четность, переполнение и т. д.). Флаги могут анализироваться в УУ с целью принятия решения о дальнейшей последовательности выполнения команд программы.

       Так как УУ и АЛУ тесно взаимосвязаны, то их обычно рассматривают как единое устройство, называемое центральным процессором (ЦП) (CPU – Central Processing Unit, «центральное процессорное устройство») или просто процессором. Помимо УУ и АЛУ в процессор входит также набор регистров общего назначения (РОН), служащих для промежуточного хранения информации в процессе ее обработки (на рис.1.1 не показаны).

       Задачей запоминающего устройства  является хранение программ и данных. ЗУ подразделяются на два класса –  основное («первичное» или «внутреннее») ЗУ (часто называемое основной памятью) и внешнее («вторичное» или «дополнительное») ЗУ (ВЗУ или внешняя память). Команды и дан­ные  записываются в память и считываются из памяти под управлением процессора. Чтобы программа могла выполняться, команды и данные должны располагаться в основной памяти, организованной таким образом, что каждое двоичное слово хранится в отдельной ячейке памяти, идентифицируемой адресом. Основная память современных ВМ обычно строится на базе электронных полупроводниковых запоминающих устройств, обеспечивающих как считывание, так и запись информации. Такие устройства «энергозависимы» (то есть хранимая информация теряется при отключении электропитания) и их называют оперативными запоминающими устройствами (ОЗУ). Если необходимо, чтобы часть основной памяти была энергонезависимой, в состав основной памяти включают так называемые «постоянные» запоминающие устройства (ПЗУ), также обеспечивающие произвольный доступ, но хранящаяся в ПЗУ информация в штатном режиме  работы ВМ может только считываться (но не записываться). Размер ячейки основной памяти обычно принимается равным 8 двоичным разрядам (битам) – одному байту. Для хранения больших чисел используются 2, 4 или 8 байтов, размещаемых в ячейках с последовательными адресами. Количество битов в каждом слове обычно называют длиной машинного слова. Быстродействие основной памяти определяется скоростью работы электронных схем.

       Внешняя память строится на базе менее быстродействующих, но зато более дешевых устройств, чем те, что применяются для реализации основной памяти. Кроме этого, внешняя память энер-гонезависима. Благодаря указанным характеристикам она используется для долговременного хранения больших программ и массивов данных в ВМ. Информация во внешней памяти обычно хранится в виде специальных программно поддерживаемых объектов – файлов. Согласно стандарту ISO, файл – это «идентифицированная совокупность экземпляров полностью описанного в конкретной программе типа данных, находящихся вне программы во внешней памяти и доступных программе посредством специальных операций». Внешняя память чаще всего  реализуется на базе магнитных дисковых устройств.

       Достоинства и недостатки архитектуры вычислительных машин изначально зависят от способа соединения базовых устройств. При самом общем подходе можно рассматривать два основных типа структурной организации вычислительных машин: с непосредственными связями и на основе общей шины. Типичным представителем первого типа может служить классическая фон-неймановская схема ВМ (см. рис. 1.1). В ней между взаимодействующими устройствами (процессор, память, устройство ввода/вывода) имеются непосредственные линии связи. Особенности линий связи (число проводников, пропускная способность и т. п.) определяются видом информации, характером и интенсивностью обмена. Достоинством архитектуры с непосредственными связями можно считать возможность увеличения пропускной способности определенных линий связи путем улучшения только их структуры и характеристик, что экономически может быть наиболее выгодным решением. У фон-неймановских ВМ такой критической линией связи является канал пересылки данных между процессором и памятью, а увеличить его пропускную способность как раз непросто. Кроме того, ВМ с непосредственными связями плохо поддаются реконфигурации.