VON NEUMANN ÉPÍTÉSZET: EREDETE, MODELLJE, HOGYAN MŰKÖDIK - TECHNOLÓGIA - 2025

A von Neumann architektúra elméleti kialakítás, amely lehetővé teszi egy számítógép számára a program belső tárolását, amely szinte minden jelenleg gyártott számítógép alapjául szolgál.

A von Neumann gép egy központi feldolgozó egységből áll, amely aritmetikai logikai egységet és egy vezérlő egységet tartalmaz, valamint egy fő memóriából, másodlagos tárolóból és bemeneti / kimeneti eszközökből.

Forrás: David strigoi - Saját munka, Public Domain, commons.wikimedia.org

Ez az architektúra feltételezi, hogy minden számítás kinyeri az adatokat a memóriából, feldolgozza azokat, majd visszaviszi a memóriába.

A von Neumann architektúrában ugyanazt a memóriát és ugyanazt a buszt kell használni az adatok és a programot végrehajtó utasítások tárolására.

Építészet fejlesztése

Mivel az adatok és a programmemória nem érhetők el egyszerre, a von Neumann architektúra hajlamos a szűk keresztmetszetekre és a számítógép teljesítményének gyengülésére. Ez az úgynevezett von Neumann szűk keresztmetszet, ahol a hatalom, a teljesítmény és a költség befolyásolja.

Az egyik változás átgondolta, hogy mennyi adatot kell-e elküldeni a memóriába, és mennyi tárolható helyben.

Ilyen módon ahelyett, hogy mindent el kellene küldenie a memóriába, a több gyorsítótár és a proxy gyorsítótár csökkentheti az adatáramlást a processzor chipekről a különböző eszközökre.

Eredet

1945-ben, a II. Világháború után, két tudós önállóan felvetette, hogyan építsen fel egy alakíthatóbb számítógépet. Az egyik Alan Turing matematikus volt, a másik pedig John Von Neumann ugyanolyan tehetséges tudós.

A brit Alan Turing részt vett az Enigma kód feltárásában a Bletchley Parkban, a 'Colossus' számítógép segítségével. Másrészt az amerikai John Von Neumann a manhattani projekten dolgozott az első atombomba elkészítésénél, amely sok kézi számítást igényelt.

Addig a háborús számítógépeket többé-kevésbé "programozták" az egész gép újracsatlakoztatásával egy másik feladat elvégzéséhez. Például az első ENIAC nevű számítógép három hétig tartott ahhoz, hogy újracsatlakozzanak egy másik számítás elvégzéséhez.

Az új koncepció abból állt, hogy a memóriában nem csak az adatokat kellett tárolni, hanem azt a programot, amely ezeket az adatokat feldolgozta, ugyanabban a memóriában kell tárolni.

Ez a belsőleg tárolt program-architektúra közismert nevén „Von Neumann” architektúra.

Ez az új ötlet azt jelentette, hogy egy ilyen architektúrájú számítógépet sokkal könnyebben lehet átprogramozni. Valójában magát a programot ugyanúgy kezelnék, mint az adatokat.

Modell

A Von Neumann modell fõ alapja az a gondolat, hogy a programot egy gépen belül tárolják. A memóriaegység tartalmazza az adatokat és a programkódot. Az építészeti terv a következőkből áll:

Forrás: a UserJaimeGallego-tól - Ez a fájl a Von Neumann Architecture.svg, a CC BY-SA 3.0, Commons.wikimedia.org származik.

- központi feldolgozó egység (CPU)

A program utasításai végrehajtásáért a digitális áramkör felel. Processzornak is hívják. A CPU tartalmazza az ALU-t, a vezérlőegységet és egy regiszterkészletet.

Logikai számtani egység

Az építészetnek ez a része csak az adatok számtani és logikai műveleteinek végrehajtásával foglalkozik.

Az összeadás, szorzás, osztás és kivonás szokásos számításai rendelkezésre állnak, de rendelkezésre állnak olyan adat-összehasonlítások, mint például a „nagyobb mint”, „kevesebb mint”, „egyenlő”.

Vezérlőegység

Vezérli a számítógép ALU, memória és bemeneti / kimeneti eszközök működését, és utasítja őket, hogyan kell a program által az emlékezetből olvasott utasítások szerint eljárni.

A vezérlőegység kezeli az adatok és programok áthelyezését a memóriából és a memóriából. Ezenkívül gondoskodik a program utasításainak egyenként vagy egymás utáni végrehajtásáról. Ez magában foglalja a köztes értékek tárolására szolgáló nyilvántartás ötletét.

Records

Nagy sebességű tárolóhelyek a CPU-n. Az összes adatot feldolgozás előtt nyilvántartásban kell tárolni.

A memóriacím-regiszter tartalmazza a hozzáférni kívánt adatok memóriahelyét. A memóriaadat-regiszter tartalmazza a memóriába átvitt adatokat.

- Memória

A számítógépnek memóriája lesz, amely adatokat tárol, valamint a program, amely ezeket az adatokat dolgozza fel. A modern számítógépekben ez a memória a RAM vagy a fő memória. Ez a memória gyors és közvetlenül elérhető a CPU-val.

A RAM cellákra oszlik. Minden cellában egy cím és annak tartalma áll. A cím egyedi módon azonosítja az összes helyet a memóriában.

- Bejárat kijárat

Ez az architektúra lehetővé teszi annak elképzelését, hogy az embernek a bemeneti-kimeneti eszközökön keresztül kapcsolatba kell lépnie a géppel.

- Busz

Az információnak a számítógép különféle részei között kell áramolnia. A von Neumann architektúrájú számítógépen az információ továbbításra kerül egy eszközről a másikra egy buszon, összekapcsolva az összes CPU egységet a fő memóriával.

A címsín az adatcímeket hordozza, de nem az adatokat, a processzor és a memória között.

Az adatbusz adatot továbbít a processzor, a memória és a bemeneti-kimeneti eszközök között.

Hogyan működik a von Neumann építészet?

A von Neumann architektúra releváns alapelve az, hogy mind az adatokat, mind az utasításokat a memóriában tárolják és azonos módon kezelik, ami azt jelenti, hogy az utasítások és az adatok irányosak.

Négy egyszerű lépésben működik: megtalálni, dekódolni, végrehajtani, tárolni, az úgynevezett "gépi ciklus".

Az utasításokat a CPU a memóriából kapja meg. A CPU ezután dekódolja és végrehajtja ezeket az utasításokat. Az eredmény az utasítás végrehajtási ciklusának befejezése után kerül visszamentésre a memóriában.

Keresése

Ebben a lépésben az utasításokat a RAM-ból kapja, és a vezérlőegység eléréséhez tárolja.

megfejt

A vezérlőegység úgy dekódolja az utasításokat, hogy a logikai számtani egység megértse azokat, majd elküldi azokat a logikai számtani egységnek.

Fuss

A számtani logikai egység végrehajtja az utasításokat, és visszaadja az eredményt a gyorsítótárba.

Raktároz

Amint a programszámláló megáll, a végső eredmény letöltésre kerül a fő memóriába.

Palacknyak

Ha a Von Neumann gép műveletet kíván végrehajtani a memóriában lévő adatokkal, akkor azt a buszon keresztül kell továbbítani a CPU-ra. A számítás elvégzése után az eredményt ugyanazon a buszon kell áthelyezni a memóriába.

A Von Neumann szűk keresztmetszete akkor fordul elő, amikor az adatok beviteléhez vagy a memóriából történő eltávolításához a jelenlegi memóriaművelet befejezésekor meg kell maradnia.

Vagyis ha a processzor éppen befejezte a számítást és készen áll a következő elvégzésére, akkor be kell írnia a memóriába a kész számítást, amely elfoglalja a buszt, mielőtt új adatokat tölthet le a memóriából, amely ugyanazt a buszt használja.

Ez a szűk keresztmetszet az idő múlásával egyre rosszabb, mert a mikroprocesszorok megnövelték a sebességet, másrészt a memória nem fejlődött olyan gyorsan.

Előny

- A vezérlőegység ugyanúgy lekérdezi az adatokat és utasításokat a memóriából. Ezért a vezérlőegység tervezése és fejlesztése egyszerűbb, olcsóbb és gyorsabb.

- A bemeneti / kimeneti eszközök és a fő memória adatai ugyanúgy kerülnek lekérésre.

- A memória megszervezését a programozók végzik, amely lehetővé teszi az összes memóriakapacitás kihasználását.

- Egyetlen memóriablokk kezelése egyszerűbb és könnyebben megvalósítható.

- A mikrovezérlő chip tervezése sokkal egyszerűbb, mivel csak egy memória érhető el. A mikrokontrollernél a legfontosabb dolog a RAM-hoz való hozzáférés, és a von Neumann architektúrában ez használható mind az adatok tárolására, mind a program utasítások tárolására.

Operációs rendszerek fejlesztése

A programok és az adatok azonos memóriájának fő előnye, hogy a programokat úgy lehet feldolgozni, mintha adatok lennének. Más szavakkal, olyan programokat is írhat, amelyek adatai más programok.

Az a program, amelynek adatai egy másik program, nem más, mint egy operációs rendszer. Valójában, ha a programokat és az adatokat nem engednénk ugyanabban a memóriaterületben, mint például a von Neumann architektúra esetében, az operációs rendszereket soha nem lehetett volna kifejleszteni.

hátrányok

Bár az előnyök messze meghaladják a hátrányokat, a probléma az, hogy csak egy busz köti össze a memóriát a processzorral, tehát egyszerre csak egy utasítás vagy adatelem lehet letölteni.

Ez azt jelenti, hogy a processzornak hosszabb ideig kell várnia az adatok vagy utasítások megérkezéséig. Ezt von Neumann szűk keresztmetszetnek nevezik. Mivel a CPU sokkal gyorsabb, mint az adat busz, ez azt jelenti, hogy gyakran tétlen.

- Az utasítások egymást követő feldolgozása miatt a program párhuzamos végrehajtása nem engedélyezett.

- A memória megosztásával fennáll annak a veszélye, hogy az egyik utasítás átíródik egy másikra a program hibája miatt, amely a rendszer összeomlását okozza.

- Néhány hibás program nem szabadít fel memóriát, ha ezzel elvégzik, ami a számítógép elégtelen memória miatt lefagyhat.

- Az adatok és az utasítások ugyanazt az adatsínet osztják meg, bár az adatok letöltésének sebessége általában nagyon különbözik.

Irodalom

1. Félvezető technika (2019). Von Neumann építészet. Készült: semiengineering.com
2. Scott Thornton (2018). Mi a különbség a Von-Neumann és a Harvard architektúrák között? Mikrovezérlő tippek. Forrás: microcontrollertips.com.
3. Tanítsd az IKT-t (2019). A Von Neumann gép. Forrás: teac-ict.com.
4. Számítástechnika (2019). Von Neumann építészet. Forrás: számítógépek ismerete.gcse.guru.
5. Tanuljon IT-t C úrral (2019). A Von Neumann gép. Feltéve: Learnitwithmrc.co.uk.
6. Solid State Media (2017). Hogyan működnek a számítógépek? A Von Neumann építészet. Forrás: solidstateblog.com.