VON NEUMANNOVA ARHITEKTURA: PODRIJETLO, MODEL, KAKO DJELUJE - TEHNOLOGIJA - 2025

Von Neumann Arhitektura je teorijski dizajn, tako da računalo može imati program pohranjen iznutra, služi kao temelj za gotovo sva računala koja su trenutno napravili.

Van Neumannov stroj sastoji se od središnje procesne jedinice koja uključuje aritmetičku logičku jedinicu i upravljačku jedinicu, kao i glavnu memoriju, sekundarno spremanje i ulazno / izlazne uređaje.

Izvor: David strigoi - Vlastiti rad, Public Domain, commons.wikimedia.org

Ova arhitektura pretpostavlja da svaki izračun izvlači podatke iz memorije, obrađuje ih, a zatim vraća natrag u memoriju.

U von Neumannovoj arhitekturi ista memorija i ista sabirnica koriste se za pohranjivanje podataka i uputa koje izvršavaju program.

Poboljšanje arhitekture

Budući da se istodobno ne može pristupiti podacima i programskoj memoriji, von Neumannova arhitektura sklona je uskim grlima i slabljenju performansi računala. To je ono što je poznato kao usko grlo von Neumanna, na koje utječu snaga, performanse i troškovi.

Jedna od napravljenih promjena uključivala je preispitivanje koliko podataka zapravo treba poslati u memoriju i koliko ih se može pohraniti lokalno.

Na taj način, umjesto da se sve šalje u memoriju, više predmemorija i proxy cache može smanjiti protok podataka iz procesorskih čipova na različite uređaje.

Podrijetlo

Godine 1945., nakon Drugog svjetskog rata, dva su znanstvenika samostalno podigla način stvaranja računalnijeg računala. Jedan od njih bio je matematičar Alan Turing, a drugi jednako talentirani znanstvenik John Von Neumann.

Britanac Alan Turing bio je uključen u probijanje Enigma koda u Bletchley Parku, koristeći računalo "Colossus". S druge strane, Amerikanac John Von Neumann radio je na Manhattanskom projektu kako bi izgradio prvu atomsku bombu, za što je bilo potrebno mnogo ručnih proračuna.

Do tada su ratna računala manje ili više "programirana" ponovnim povezivanjem cijelog stroja kako bi izvršili drugačiji zadatak. Na primjer, prvom računalu zvanom ENIAC trebalo je tri tjedna da se ponovno poveže kako bi napravilo drugačiji izračun.

Novi se koncept sastojao u tome da u memoriju moraju biti pohranjeni ne samo podaci, već i program koji je te podatke obrađivao treba pohraniti u istu memoriju.

Ova interno pohranjena programska arhitektura obično je poznata kao "Von Neumann" arhitektura.

Ova je nova ideja značila da bi računalo s ovom arhitekturom bilo mnogo lakše reprogramirati. Zaista bi se i sam program tretirao na isti način kao s podacima.

Model

Glavni temelj Von Neumann modela je misao da se program pohranjuje interno u stroj. Memorijska jedinica sadrži podatke i programski kod. Dizajn arhitekture sastoji se od:

Izvor: KorisnikJaimeGallego - Ova datoteka izvedena je iz Von Neumann Architecture.svg, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.org

- Središnja procesna jedinica (CPU)

Digitalni sklop odgovoran je za izvršavanje uputa programa. Naziva se i procesorom. CPU sadrži ALU, upravljačku jedinicu i skup registara.

Logička aritmetička jedinica

Ovaj dio arhitekture uključen je samo u izvođenje aritmetičkih i logičkih operacija na podacima.

Biće dostupni uobičajeni proračuni zbrajanja, množenja, dijeljenja i oduzimanja, ali će biti dostupne i usporedbe podataka poput "veće od", "manje od", "jednako".

Kontrolna jedinica

On kontrolira rad ALU-a, memorije računala i ulazno / izlaznih uređaja, podučavajući ih kako postupati prema uputama u programu koji ste upravo pročitali iz memorije.

Upravljačka jedinica upravljat će procesom premještanja podataka i programa u memoriju i iz nje. Također će se voditi izvršavanju uputa programa pojedinačno ili uzastopno. To uključuje ideju registra za držanje intermedijarnih vrijednosti.

ploče

To su velike brzine za pohranu na CPU-u. Svi podaci moraju se pohraniti u registar prije nego što se mogu obraditi.

Registar memorijske adrese sadrži memorijsko mjesto podataka kojima se može pristupiti. Registar podataka o memoriji sadrži podatke koji se prenose u memoriju.

- Sjećanje

Računalo će imati memoriju koja može držati podatke, kao i program koji te podatke obrađuje. U modernim računalima ta je memorija RAM-a ili glavna memorija. Ova je memorija brza i dostupna izravno od strane procesora.

RAM je podijeljen u ćelije. Svaka ćelija sastoji se od adrese i njenog sadržaja. Adresa će jedinstveno identificirati svaku lokaciju u memoriji.

- Ulazni izlaz

Ova arhitektura omogućava uhvatiti ideju koja je osoba potrebna za interakciju s uređajem, putem uređaja za ulaz-izlaz.

- Autobus

Informacije moraju teći između različitih dijelova računala. U računalu s von Neumannovom arhitekturom informacije se prenose s jednog uređaja na drugi duž sabirnice koja povezuje sve CPU jedinice s glavnom memorijom.

Adresna magistrala nosi adrese podataka, ali ne i podatke, između procesora i memorije.

Sabirnica podataka nosi podatke između procesora, memorije i uređaja za ulaz i izlaz.

Kako djeluje von Neumannova arhitektura?

Važno načelo von Neumannove arhitekture je da su i podaci i upute pohranjeni u memoriji i tretirani istim, što znači da su upute i podaci usmjereni.

Djeluje pomoću četiri jednostavna koraka: pronađite, dekodirate, izvršite, spremite pod nazivom "Strojni ciklus".

Upute dobiva CPU iz memorije. CPU zatim dekodira i izvršava ove upute. Rezultat se pohranjuje u memoriju nakon završetka ciklusa izvođenja upute.

Traziti

U ovom se koraku dobivaju upute iz RAM-a i predmemorira za pristup upravljačkoj jedinici.

dešifrirati

Upravljačka jedinica dešifrira upute na takav način da ih logička aritmetička jedinica može razumjeti, a zatim ih šalje logičkoj aritmetičkoj jedinici.

Trčanje

Aritmetička logička jedinica izvršava upute i šalje rezultat natrag u predmemoriju.

Za zalihu

Nakon što brojač programa označi zaustavljanje, konačni se rezultat preuzima u glavnu memoriju.

Usko grlo

Ako uređaj Von Neumann želi izvesti operaciju s podacima u memoriji, mora se prenijeti preko sabirnice na CPU. Nakon izvođenja izračuna, rezultat treba premjestiti u memoriju istim sabirnicom.

Usko grlo Von Neumanna događa se kada podaci koji se unose ili uklanjaju iz memorije moraju ostati dok se dovršava trenutna memorijska operacija.

Odnosno, ako je procesor upravo završio izračun i spreman je izvršiti sljedeći, gotovi izračun, koji zauzima magistralu, mora upisati u memoriju prije nego što može iz memorije preuzeti nove podatke, koji također koriste istu sabirnicu.

To se usko grlo s vremenom pogoršava jer su mikroprocesori povećali brzinu, a s druge strane memorija nije tako brzo napredovala.

Prednost

- Upravljačka jedinica na isti način preuzima podatke i upute iz memorije. Stoga je dizajn i razvoj upravljačke jedinice pojednostavljen, jeftiniji i brži.

- Na isti se način preuzimaju podaci s ulazno / izlaznih uređaja i glavne memorije.

- Organizaciju memorije provode programeri, što omogućuje upotrebu svih memorijskih kapaciteta.

- Upravljanje jednim memorijskim blokom je jednostavnije i lakše postići.

- Dizajn čipa mikrokontrolera mnogo je jednostavniji, jer će se pristupati samo jednoj memoriji. Najvažnija stvar mikrokontrolera je pristup RAM-u, au arhitekturi von Neumann to se može koristiti za pohranjivanje podataka i za pohranu programskih uputa.

Razvoj operativnih sustava

Glavna prednost od iste memorije za programe i podatke je ta što se programi mogu obrađivati ​​kao da su podaci. Drugim riječima, možete pisati programe čiji su podaci drugi programi.

Program čiji su podaci drugi program nije ništa drugo doli operativni sustav. U stvari, da se programi i podaci ne dopuštaju u istom memorijskom prostoru, kao što je to slučaj s von Neumannovom arhitekturom, operativni sustavi se nikad ne bi mogli razviti.

Nedostaci

Iako prednosti daleko prevazilaze nedostatke, problem je što postoji samo jedna magistrala koja povezuje memoriju s procesorom, tako da se istodobno može preuzeti samo jedna instrukcija ili podatak.

To znači da će procesor možda morati duže čekati da stignu podaci ili upute. To je poznato kao usko grlo von Neumanna. Kako je CPU mnogo brži od sabirnice podataka, to znači da često radi u praznom hodu.

- Zbog uzastopne obrade uputa, nije dopuštena paralelna provedba programa.

- Dijeljenjem memorije postoji rizik da će jedna uputa biti napisana preko druge zbog pogreške u programu, što uzrokuje pad sustava.

- Neki neispravni programi ne mogu osloboditi memoriju kada su gotovi s njom, što može uzrokovati smrzavanje računala zbog nedostatne memorije.

- Podaci i upute dijele istu sabirnicu podataka, mada je brzina kojom se mora dohvatiti svaki put vrlo različita.

Reference

1. Poluvodičko inženjerstvo (2019). Von Neumann arhitektura. Preuzeto sa: semiengineering.com
2. Scott Thornton (2018). Kakva je razlika između arhitekture Von-Neumann i Harvarda? Savjeti za mikrokontrolere. Preuzeto sa: microcontrollertips.com.
3. Podučite ICT (2019). Stroj Von Neumann. Preuzeto sa: learn-ict.com.
4. Računarstvo (2019). Von Neumann arhitektura. Preuzeto iz: computerscience.gcse.guru.
5. Naučite IT s g. C (2019). Stroj Von Neumann. Preuzeto iz: learnitwithmrc.co.uk.
6. Solid State Media (2017). Kako rade računala? Von Neumannova arhitektura. Preuzeto sa: solidstateblog.com.