Architektura von Neumann pochodzenie, model, jak to działa

Architektura von Neumann Jest to teoretyczny projekt komputera, który ma wewnętrznie przechowywany program, który służy jako podstawa prawie wszystkich komputerów, które są obecnie przeprowadzane.

Maszyna von Neumann składa się z centralnej jednostki przetwarzania, która obejmowała logiczną jednostkę arytmetyczną i urządzenia sterujące, a także urządzenia główne, wtórne przechowywanie i urządzenia wejściowe/wyjściowe.

Źródło: David Strigoi - własna praca, domena publiczna, Commons.Wikimedia.org

Ta architektura zakłada, że ​​każde obliczenia wyodrębnia dane z pamięci, przetwarza je, a następnie wysyła z powrotem do pamięci.

W architekturze von Neumann ta sama pamięć i ta sama magistra.

[TOC]

Poprawa architektury

Ponieważ nie można jednocześnie uzyskać dostępu do pamięci danych i programu, architektura von Neumann jest podatna na wąskie gardła, a wydajność komputera jest osłabiona. To jest znane jako wąskie gardło von Neumann, gdzie wpływa na moc, wydajność i koszty.

Jedna z wprowadzonych zmian obejmowała ponowne rozważenie ilości danych, które powinny być naprawdę wysyłane do pamięci i kwotę, którą można przechowywać lokalnie.

W ten sposób, zamiast wysyłać wszystko do pamięci, wiele pamięci podręcznej i buforów proxy może zmniejszyć przepływ danych z układów procesorów do różnych urządzeń.

Pochodzenie

W 1945 r., Po II wojnie światowej, dwóch naukowców autonomicznie podnieśli, jak zbudować bardziej plastyczny komputer. Jednym z nich był matematyk Alan Turinga, a drugi był naukowcem równych talentów John von Neumann.

Brytyjski Alan Turing był zaangażowany w rozszyfrowanie kodu Enigma w Bletchley Park, korzystając z komputera „Coloso”. Z drugiej strony amerykański John von Neumann pracował nad projektem na Manhattanie, aby zbudować pierwszą bombę atomową, która wymagała wielu ręcznych obliczeń.

Do tego czasu komputery w czasie wojny były „zaplanowane” mniej lub bardziej ponownie łącząc całą maszynę, aby móc wykonać inne zadanie. Na przykład pierwszy komputer o nazwie ENIAC zajął trzy tygodnie, aby ponownie się połączyć, aby dokonać innej obliczenia.

Nowa koncepcja polegała na tym, że w pamięci nie tylko dane musiały być przechowywane, ale także program, który przetworzył, że dane powinny być przechowywane w tej samej pamięci.

Ta architektura z programem przechowywanym wewnętrznie jest powszechnie znana jako architektura „von Neumann”.

Ten nowatorski pomysł oznaczał, że komputer z tą architekturą byłby znacznie łatwiejszy do przeprogramowania. Rzeczywiście, sam program byłby taki sam jak dane.

Może ci służyć: automatyzacja przemysłowa

Model

Głównym fundamentem modelu von Neumann jest myśl, że program jest zapisywany wewnętrznie w maszynie. W jednostce pamięci są dane, a także kod programu. Projekt architektury składa się z:

Źródło: przez userJaimegallego - Ten plik wywodzi się z architektury von Neumann.SVG, CC BY-SA 3.0, Commons.Wikimedia.org

- Centralna jednostka przetwarzania (CPU)

To obwód cyfrowy jest odpowiedzialny za wykonywanie instrukcji programu. Nazywa się to również procesorem. CPU zawiera ALU, jednostkę sterującą i zestaw rekordów.

Logiczna jednostka arytmetyczna

Ta część architektury jest zaangażowana wyłącznie w przeprowadzanie operacji arytmetycznych i logicznych na temat danych.

Dostępne będą zwykłe obliczenia dodawania, mnożenia, dzielenia i odejmowania, ale porównania danych, takie jak „,„ mniej niż ”,„ równe ”będą również dostępne.

Jednostka sterująca

Kontroluj działanie ALU, pamięć i urządzenia wejściowe/wyjściowe komputera, wskazując, jak działać w obliczu instrukcji programu, który właśnie odczytał z pamięci.

Jednostka sterująca będzie zarządzała procesem przenoszenia danych i programów z i do pamięci. Zajmie się również wykonywanie instrukcji programu, pojedynczo lub sekwencyjnie. Obejmuje to ideę rekordu zawierającego wartości pośrednich.

Dokumentacja

Są to obszary magazynowe o wysokiej prędkości na procesorze. Wszystkie dane muszą być przechowywane w rejestrze przed przetworzeniem.

Adresy pamięci zawierają lokalizację pamięci danych, do których należy uzyskać dostęp. Rekord danych pamięci zawiera dane przesyłane do pamięci.

- Pamięć

Komputer będzie miał pamięć, która może zawierać dane, a także program, który przetwarza te dane. W nowoczesnych komputerach ta pamięć to pamięć RAM lub główna. Ta pamięć jest szybka i dostępna bezpośrednio przez procesor.

RAM jest podzielony na komórki. Każda komórka składa się z adresu i jego treści. Adres zidentyfikuje każdą lokalizację w pamięci.

- Wejście wyjście

Ta architektura pozwala uchwycić pomysł, że dana osoba musi wchodzić w interakcje z maszyną, za pośrednictwem urządzeń wejściowych.

- Autobus

Informacje muszą przepływać między różnymi częściami komputera. Na komputerze z architekturą von Neumann informacje są przesyłane z jednego urządzenia do drugiego wzdłuż magistrali, łącząc wszystkie jednostki procesora do pamięci głównej.

Może Ci służyć: 50 zalecanych blogów gier wideo

AUS AUTOUS TRANSPORTY Dane, ale nie dane, między procesorem a pamięcią.

Autobus danych transportuje dane między procesorem, pamięcią i urządzeniami wejściowymi salaid.

Jak działa architektura von Neumann?

Odpowiednią zasadą architektury von Neumann jest to, że w pamięci zarówno dane, jak i instrukcje są przechowywane i są traktowane w ten sam sposób, co oznacza, że ​​instrukcje i dane są adresem.

Działa przy użyciu czterech prostych kroków: wyszukiwanie, dekodowanie, wykonanie, przechowuj, nazywane „cykl maszynowy”.

Instrukcje są uzyskiwane przez procesor z pamięci. CPU następnie dekoduje i wykonuje te instrukcje. Wynik jest przechowywany ponownie w pamięci po zakończeniu cyklu wykonania instrukcji.

Szukać

Na tym etapie instrukcje są uzyskiwane z pamięci RAM i umieszczają je w pamięci pamięci podręcznej, aby jednostka sterująca dostęp do nich.

Rozszyfrować

Jednostka sterująca dekoduje instrukcje w taki sposób, że logiczna jednostka arytmetyczna może je zrozumieć, a następnie wysyła do logicznej jednostki arytmetycznej.

Wykonać

A arytmetyczna jednostka logiczna wykonuje instrukcje i ponownie wysyła wynik do pamięci podręcznej.

Sklep

Gdy księgowy programu wskazuje, że końcowy wynik jest pobierany do pamięci głównej.

Wąskie gardło

Jeśli maszyna von Neumann chce wykonać operację z danymi pamięci, należy je przenieść przez magistralę do procesora. Po obliczeniu musisz przenieść wynik do pamięci przez tę samą autobus.

Wąskie gardło von Neumann występuje, gdy dane, które są wprowadzane lub usunięte z pamięci, powinny zająć czas podczas zakończenia bieżącej pracy pamięci.

To znaczy, jeśli procesor właśnie zakończył obliczenia i jest gotowy do wykonania następnego.

To wąskie gardło z czasem się pogarsza, ponieważ mikroprocesory zwiększyły swoją prędkość, a z drugiej strony pamięć nie rozwinęła się tak szybko.

Zalety

- Jednostka sterująca odzyskuje dane i instrukcje w ten sam sposób z pamięci. Dlatego projektowanie i rozwój jednostki sterującej jest uproszczona, jest tańsza i szybsza.

- Dane urządzeń wejściowych/wyjściowych i pamięci głównej są odzyskiwane w ten sam sposób.

Może ci służyć: informatyka

- Organizacja pamięci jest przeprowadzana przez programistów, co pozwala wykorzystać całą pojemność pamięci.

- Obsługa pojedynczego bloku pamięci jest prostszy i łatwiejszy do osiągnięcia.

- Konstrukcja układu mikrokontrolera jest znacznie prostsza, ponieważ dostęp do jednej pamięci będzie dostępny. Najważniejszą rzeczą w mikrokontrolerze jest dostęp do pamięci RAM, aw architekturze von Neumann może być używany zarówno do przechowywania danych, jak i do przechowywania instrukcji programu.

Rozwój systemów operacyjnych

Główną zaletą posiadania tej samej pamięci dla programów i danych jest to, że programy mogą być przetwarzane tak, jakby były danymi. Innymi słowy, możesz pisać programy, których dane są innymi programami.

Program, którego dane są kolejnym programem, jest niczym więcej niż systemem operacyjnym. W rzeczywistości, gdyby programy i dane nie były dozwolone w tej samej przestrzeni pamięci, jak się dzieje z architekturą von Neumann, systemy operacyjne nigdy nie zostałyby opracowane.

Niedogodności

Chociaż zalety znacznie przekraczają wady, problem polega na tym, że jest tylko jedna magistrasa łącząca pamięć z procesorem, więc można jednocześnie uzyskać instrukcję lub element danych.

Oznacza to, że procesor może wymagać dłużej czekać na dane lub instrukcje. Jest to znane jako Von Neumann Bottleneck. Ponieważ procesor jest znacznie szybszy niż magistrala danych, oznacza to, że często pozostaje nieaktywna.

- Ze względu na sekwencyjne przetwarzanie instrukcji równoległe wdrożenie programu jest niedozwolone.

- Podczas udostępniania pamięci istnieje ryzyko, że instrukcja innej jest zapisana z powodu błędu w programie, powodując zablokowanie systemu.

- Niektóre programy z defektami nie mogą zwolnić pamięci, gdy się z nią skończą, co może spowodować zablokowanie komputera, ponieważ pamięć jest niewystarczająca.

- Dane i instrukcje mają tę samą magistralę danych, chociaż prędkość, z jaką każda z nich musi zostać odzyskana, jest zwykle bardzo różna.

Bibliografia

1. Semiconductor Engineering (2019). Architektura von Neumann. Zaczerpnięte z: semiering.com
2. Scott Thornton (2018). Jaka jest różnica między architekturami von-neumann i Harvard? Wskazówki mikrokontrolera. Zaczerpnięte z: mikrokontrolerty.com.
3. Teach ICT (2019). Maszyna von neumann. Zaczerpnięte z: nauczania.com.
4. Informatyka (2019). Architektura von Neumann. Zaczerpnięte z: Computerscience.GCSE.Guru.
5. Naucz się z panem C (2019). Maszyna von neumann. Zaczerpnięte z: uczenia sięTmrc.współ.Wielka Brytania.
6. Solid State Media (2017). Jak działa komputer? Architektura von Neumann. Zaczerpnięte z: SolidStateblog.com.