Arhitektura von Neumann izvor, model, kako deluje

The Von Neumann arhitektura To je teoretična zasnova, da ima računalnik interno shranjen program, ki služi kot podlaga za skoraj vse računalnike, ki se trenutno izvajajo.

Stroj von Neumann je sestavljen iz centralne procesne enote, ki je vključevala logično aritmetično enoto in krmilno enoto, poleg tega pa glavni pomnilnik, sekundarno shranjevanje in vhodne/izhodne naprave.

Vir: David Strigoi - lastno delo, javna domena, commons.Wikimedia.org

Ta arhitektura predvideva, da vsak izračun izvleče podatke iz pomnilnika, jih obdela in nato pošlje nazaj v pomnilnik.

V arhitekturi von Neumann se uporablja isti pomnilnik in isti avtobus za shranjevanje podatkov in navodil, ki zaženejo program.

[TOC]

Izboljšanje arhitekture

Ker hkrati ne morete dostopati do pomnilnika podatkov in programa, je arhitektura Von Neumann nagnjena k ozkim grlom in da je računalniška zmogljivost oslabljena. To je tisto, kar je znano kot ozko grlo von Neumanna, kjer vplivajo moč, zmogljivost in stroški.

Ena od sprememb je vključevala ponovno preučitev količine podatkov, ki jih je treba resnično poslati v pomnilnik in znesek, ki bi ga bilo mogoče shraniti lokalno.

Na ta način lahko namesto, da bi vse pošiljali v pomnilnik, več predpomnilnikov in proxy predpomnilnikov zmanjšajo pretok podatkov iz procesorskih čipov na različne naprave.

Izvor

Leta 1945 sta po drugi svetovni vojni dva znanstvenika samostojno vzgojila, kako zgraditi bolj poprašen računalnik. Eden od njih je bil matematik Alan Turing, drugi pa znanstvenik enakega talenta Johna Von Neumanna.

Britanski Alan Turing je bil vključen v dešifriranje kode Enigma v parku Bletchley z uporabo računalnika "Coloso". Po drugi strani je ameriški John von Neumann delal na projektu Manhattan za izgradnjo prve atomske bombe, ki je potrebovala veliko ročnih izračunov.

Do takrat so bili računalniki v času vojne "načrtovani" bolj ali manj ponovni priključitve celotnega stroja, da bi lahko opravili drugačno nalogo. Na primer, prvi računalnik, imenovan Eniac.

Novi koncept je bil, da je treba v pomnilniku shraniti ne le podatkov, ampak tudi program, ki je obdelal, da je treba podatke shranjevati v istem pomnilniku.

Ta arhitektura z interno shranjenim programom je splošno znana kot arhitektura 'von Neumann'.

Ta nova ideja je pomenila, da bo računalnik s to arhitekturo veliko lažje reprogramirati. Dejansko bi bil sam program enak kot podatki.

Vam lahko služi: industrijska avtomatizacija

Model

Glavni temelj modela Von Neumann je misel, da je program interno shranjen v stroju. V pomnilniški enoti so podatki in tudi programska koda. Arhitekturno zasnovo je sestavljeno iz:

Vir: avtor UserJaimegallego - Ta datoteka izhaja iz von Neumann Architecture.Svg, cc by-sa 3.0, commons.Wikimedia.org

- Centralna procesna enota (CPU)

Za izvajanje navodil programa je odgovorno digitalno vezje. Imenuje se tudi procesor. CPU vsebuje ALU, krmilno enoto in niz zapisov.

Logična aritmetična enota

Ta del arhitekture je vključen le pri izvajanju aritmetičnih in logičnih operacij o podatkih.

Na voljo bodo običajni izračuni dodajanja, množenja, delitve in odštevanja, vendar bodo na voljo tudi primerjave podatkov, kot so ',' manj kot ',' enako '.

Kontrolna enota

Nadzirajte delovanje ALU, pomnilnika in vhodne/izhodne naprave računalnika, kar označuje, kako ravnati pred navodili programa, ki je pravkar prebral iz pomnilnika.

Krmilna enota bo upravljala postopek premikanja podatkov in programov iz in v pomnilnik. Prav tako se bo ukvarjal z izvajanjem navodil programa, eno naenkrat ali zaporedno. To vključuje idejo o zapisu, ki vsebuje vmesne vrednosti.

Zapisi

So območja shranjevanja visoke hitrosti na procesorju. Vsi podatki morajo biti shranjeni v registru, preden jih je mogoče obdelati.

Pomnilniški naslovi vsebujejo pomnilniško lokacijo podatkov, do katerih je treba dostopati. Zapis podatkov pomnilnika vsebuje podatke, prenesene v pomnilnik.

- Spomin

Računalnik bo imel pomnilnik, ki lahko vsebuje podatke, kot tudi program, ki obdeluje te podatke. V sodobnih računalnikih je ta pomnilnik RAM ali glavni pomnilnik. Ta pomnilnik je hiter in dostopen neposredno s CPU.

RAM je razdeljen na celice. Vsaka celica je sestavljena iz naslova in njegove vsebine. Naslov bo edinstveno identificiral vsako lokacijo v pomnilniku.

- Vstopni izhod

Ta arhitektura vam omogoča, da zajamete idejo, da mora človek prek vhodnih naprav komunicirati s strojem.

- Avtobus

Informacije morajo tekati med različnimi deli računalnika. V računalniku z arhitekturo Von Neumann se informacije prenašajo iz ene naprave v drugo vzdolž vodila in povezujejo vse enote CPU -ja z glavnim pomnilnikom.

Lahko vam služi: 50 priporočenih blogov za video igre

Naslov avtobus prenaša podatke podatkov, ne pa tudi podatkov, med procesorjem in pomnilnikom.

Podatkovni vodilo prenaša podatke med procesorjem, pomnilnikom in vhodnimi napravami.

Kako deluje von Neumann arhitektura?

Ustrezno načelo arhitekture Von Neumann je, da se v pomnilniku shranjeni tako podatki kot navodila in se obravnavajo na enak način, kar pomeni, da so navodila in podatki naslovljeni.

Deluje s štirimi preprostimi koraki: iskanje, dekodiranje, izvajanje, shranjevanje, imenovano "strojni cikel".

Navodila pridobi CPU iz pomnilnika. CPU nato dekodira in izvaja ta navodila. Rezultat je ponovno shranjen v pomnilniku po zaključku cikla izvajanja navodil.

Iskati

V tem koraku se navodila dobijo iz RAM -a in jih postavijo v pomnilnik predpomnilnika, tako da je dostopna enota dostop do njih.

Dekodiranje

Krmilna enota dekodira navodila tako, da jih lahko razume logična aritmetična enota, nato pa jih pošlje v logično aritmetično enoto.

Izvedite

Aritmetična logična enota izvede navodila in rezultat znova pošlje v predpomnilnik pomnilnika.

Shramba

Ko programski računovodja nakaže, da se ustavi, se končni rezultat prenese v glavni pomnilnik.

Ozko grlo

Če stroj von Neumann želi izvesti operacijo s podatki o pomnilniku, jih je treba prenesti prek vodila v CPU. Po izračunu morate rezultat premakniti v pomnilnik prek istega vodila.

Ozko grlo Von Neumann se pojavi, ko morajo podatki, ki se vnesejo ali odstranijo iz pomnilnika.

Se pravi, če je procesor pravkar dokončal izračun in je pripravljen za izvedbo naslednjega.

To ozko grlo se je sčasoma poslabšalo, saj so mikroprocesorji povečali svojo hitrost, po drugi strani pa pomnilnik ni tako hitro napredoval.

Prednosti

- Krmilna enota povrne podatke in navodila na enak način iz pomnilnika. Zato je zasnova in razvoj kontrolne enote poenostavljena, cenejša in hitrejša.

- Podatki vhodnih/izhodnih naprav in glavnega pomnilnika se povrnejo na enak način.

Vam lahko služi: računalništvo

- Organizacijo pomnilnika izvajajo programerji, ki omogočajo uporabo vso sposobnost pomnilnika.

- Ročaj z enim pomnilniškim blokom je preprostejši in lažji za dosego.

- Zasnova mikrokontrolerjev je veliko enostavnejša, saj bo dostopen en pomnilnik. Najpomembnejša stvar mikrokontrolerja je dostop do RAM -a in v arhitekturi Von Neumann ga je mogoče uporabiti tako za shranjevanje podatkov kot za shranjevanje navodil programa.

Razvoj operacijskih sistemov

Glavna prednost tega, da imate enak pomnilnik za programe in podatke, je, da se programe lahko obdelajo, kot da bi bili podatki. Z drugimi besedami, lahko pišete programe, katerih podatki so drugi programi.

Program, katerega podatki so drug program, ni nič drugega kot operacijski sistem. Pravzaprav, če programi in podatki ne bi bili dovoljeni v istem spominskem prostoru, kot se dogaja z arhitekturo Von Neumann, operacijski sistemi nikoli ne bi bili razviti.

Slabosti

Čeprav prednosti daleč presegajo pomanjkljivosti, je težava v tem, da obstaja samo en avtobus, ki pomnilnik povezuje s procesorjem, tako da lahko hkrati dobite samo navodilo ali podatkovni element.

To pomeni, da bo morda moral procesor čakati dlje, da bodo prišli podatki ali navodila. To je znano kot von Neumann. Ker je CPU veliko hitrejši od podatkovnega vodila, to pomeni, da pogosto ostaja neaktiven.

- Zaradi zaporedne obdelave navodil vzporedno izvajanje programa ni dovoljeno.

- Pri skupni rabi pomnilnika obstaja tveganje, da je navodilo na drugem zapisano zaradi napake v programu, zaradi česar je bil sistem blokiran.

- Nekateri programi z napakami ne morejo sprostiti pomnilnika, ko se končajo z njim, kar bi lahko povzročilo, da je računalnik blokiran, ker pomnilnik ni dovolj.

- Podatki in navodila imajo isti podatkovni vodilo, čeprav je hitrost, s katero je treba vsakega obnoviti, običajno zelo različna.

Reference

1. Polprevodniški inženiring (2019). Von Neumann arhitektura. Vzeto od: Semiering.com
2. Scott Thornton (2018). Kakšna je razlika med arhitekturami Von-Neumann in Harvard? Nasveti mikrokontrolerja. Vzet iz: mikrokontrolertips.com.
3. Teach ICT (2019). Stroj von Neumann. Vzet iz: Teach-ict.com.
4. Računalništvo (2019). Von Neumann arhitektura. Vzeto iz: ComputersCience.Gcse.Guru.
5. Naučite se z gospodom C (2019). Stroj von Neumann. Vzeto od: LearnithMrc.co.Združeno kraljestvo.
6. Solid State Media (2017). Kako deluje računalnik? Von Neumann arhitektura. Vzeto iz: SolidStateblog.com.