Architektúra von Neumann pôvod, model, ako to funguje

Ten Architektúra von Neumann Je to teoretický dizajn, aby počítač mal interne uložený program, ktorý slúži ako základ pre takmer všetky počítače, ktoré sa v súčasnosti vykonávajú.

Stroj von Neumann pozostáva z centrálnej spracovateľskej jednotky, ktorá obsahovala logickú aritmetickú jednotku a riadiacu jednotku, okrem toho hlavnú pamäť, sekundárne ukladanie a vstupné/výstupné zariadenia.

Zdroj: David Strigoi - vlastná práca, verejná doména, Commons.Wikimedia.orgán

Táto architektúra predpokladá, že každý výpočet extrahuje údaje z pamäte, spracúva ich a potom ich pošle späť do pamäte.

Vo von Neumannovej architektúre sa rovnaká pamäť a rovnaká zbernica sa používa na ukladanie údajov a pokynov, ktoré spúšťajú program.

[TOC]

Zlepšenie architektúry

Pretože nemáte prístup k pamäti údajov a programu súčasne, architektúra von Neumann je náchylná na prekážky a že výkon počítača je oslabený. To je známe ako prekážku von Neumanna, kde je ovplyvnený výkon, výkon a náklady.

Jedna zo zapojených zmien, ktoré prehodnocujú množstvo údajov, ktoré by sa mali skutočne odosielať do pamäte, a množstvo, ktoré by sa dalo uložiť lokálne.

Týmto spôsobom, namiesto toho, aby ste museli všetko posielať do pamäte, viac vyrovnávacích pamätí a proxy cache môže znížiť tok údajov z čipov procesorov do rôznych zariadení.

Pôvod

V roku 1945, po druhej svetovej vojne, dvaja vedci autonómne zvýšili, ako vybudovať viac poddajný počítač. Jedným z nich bol matematik Alan Turing a druhým bol vedec rovnakého talentu John von Neumann.

Britský Alan Turing bol zapojený do dešifrovania kódu Enigma v Bletchley Parku pomocou počítača „Coloso“. Na druhej strane americký John von Neumann pracoval na projekte Manhattan na výstavbe prvej atómovej bomby, ktorá potrebovala veľa manuálnych výpočtov.

Až do tej doby boli počítače v čase vojny „naplánované“ viac -menej opätovné pripojenie celého stroja, aby bolo možné vykonať inú úlohu. Napríklad prvý počítač s názvom ENIAC trval tri týždne, kým sa znovu pripojil, aby urobil iný výpočet.

Nový koncept bol taký, že v pamäti sa museli uložiť nielen údaje, ale aj program, ktorý by tieto údaje spracovali, mali by sa ukladať do tej istej pamäte.

Táto architektúra s interne uloženým programom je bežne známa ako architektúra „von Neumann“.

Táto nová myšlienka znamenala, že počítač s touto architektúrou by bolo oveľa ľahšie preprogramovať. Samotný program by bol skutočne rovnaký ako údaje.

Môže vám slúžiť: priemyselná automatizácia

Model

Hlavným základom modelu von Neumann je myšlienka, že program sa interne uloží do stroja. V pamäťovej jednotke sú údaje a tiež programový kód. Dizajn architektúry pozostáva z:

Zdroj: od UserJaimeGallego - tento súbor odvodzuje z architektúry von Neumann.SVG, CC BY-SA 3.0, Commons.Wikimedia.orgán

- Centrálna spracovateľská jednotka (CPU)

Je to digitálny obvod, ktorý je zodpovedný za vykonávanie pokynov programu. Nazýva sa to tiež procesor. CPU obsahuje ALU, riadiacu jednotku a súbor záznamov.

Logická aritmetická jednotka

Táto časť architektúry sa podieľa iba na vykonávaní aritmetických a logických operácií o údajoch.

K dispozícii budú obvyklé výpočty pridávania, vynásobenia, rozdelenia a odčítania, ale k dispozícii budú aj porovnanie údajov, ako napríklad „,„ menej ako “,„ rovné “.

Kontrolná jednotka

Ovládajte prevádzku ALU, pamäť a vstupné/výstupné zariadenia počítača, čo naznačuje, ako konať tvárou v tvár pokynmi programu, ktorý sa práve čítal z pamäte.

Riadiaca jednotka bude spravovať proces pohybovania údajov a programov z a do pamäte. Bude sa zaoberať aj vykonávaním pokynov programu, jedným po druhom alebo postupne. To zahŕňa myšlienku záznamu, ktorý obsahuje stredne pokročilé hodnoty.

Záznam

Sú to vysokorýchlostné úložné priestory na CPU. Všetky údaje musia byť uložené v registri skôr, ako sa môžu spracovať.

Adresy pamäte obsahujú umiestnenie pamäte údajov, ku ktorým sa musí získať prístup. Záznam dát pamäte obsahuje údaje prenesené do pamäte.

- Pamäť

Počítač bude mať pamäť, ktorá môže obsahovať údaje, ako aj program, ktorý tieto údaje spracúva. V moderných počítačoch je táto pamäť RAM alebo hlavná pamäť. Táto pamäť je rýchla a prístupná priamo CPU.

RAM je rozdelený do buniek. Každá bunka pozostáva z adresy a jej obsahu. Adresa jedinečne identifikuje každé miesto v pamäti.

- Vstupný výjazd

Táto architektúra vám umožňuje zachytiť myšlienku, že človek potrebuje interagovať so strojom, prostredníctvom vstupných zariadení.

- Autobus

Informácie musia prúdiť medzi rôznymi časťami počítača. Na počítači s architektúrou von Neumann sa informácie prenášajú z jedného zariadenia do druhého pozdĺž zbernice a spája všetky jednotky CPU k hlavnej pamäti.

Môže vám slúžiť: 50 odporúčaných blogov videohier

Adresa Bus Transport Data adresy, ale nie údaje, medzi procesorom a pamäťou.

Dátová zbernica Transportuje údaje medzi procesorom, pamäťou a zariadeniami na vstupné salaid.

Ako funguje architektúra von Neumann?

Relevantný princíp architektúry von Neumann je taký, že v pamäti sa ukladajú údaje aj pokyny a zaobchádza sa s nimi rovnakým spôsobom, čo znamená, že pokyny a údaje sú adresa.

Funguje to pomocou štyroch jednoduchých krokov: vyhľadávanie, dekódovať, vykonávať, uložiť, nazývané „strojový cyklus“.

Pokyny sú získané CPU z pamäte. CPU potom dekóduje a vykonáva tieto pokyny. Výsledok je opäť uložený v pamäti po dokončení cyklu vykonávania pokynov.

Hľadať

V tomto kroku sa pokyny získajú od pamäte RAM a umiestnia ich do pamäte vyrovnávacej pamäte tak, aby k nim pristupovala k riadničnej jednotke.

Dekódovať

Riadiaca jednotka dekóduje pokyny takým spôsobom, aby im logická aritmetická jednotka mohla porozumieť, a potom ich pošle do logickej aritmetickej jednotky.

Vykonávať

Aritmetická logická jednotka vykonáva pokyny a znova odošle výsledok do vyrovnávacej pamäte pamäť.

Ukladať

Keď účtovník programu naznačuje zastavenie, konečný výsledok sa stiahne do hlavnej pamäte.

Prekážku

Ak si stroj Von Neumann chce vykonať operáciu s pamäťovými údajmi, musia sa preniesť cez zbernicu do procesora. Po výpočte musíte presunúť výsledok do pamäte cez rovnakú zbernicu.

Prekážku Von Neumanna sa vyskytuje, keď sú údaje, ktoré sú zadané alebo odstránené z pamäte.

To znamená, že ak procesor práve dokončil výpočet a je pripravený vykonať ďalší.

Toto prekážku sa v priebehu času zhoršuje, pretože mikroprocesory zvýšili svoju rýchlosť a na druhej strane pamäť tak rýchlo nepostupovala.

Výhody

- Riadiaca jednotka obnovuje údaje a pokyny rovnakým spôsobom z pamäte. Preto je návrh a vývoj riadiacej jednotky zjednodušený, je lacnejší a rýchlejší.

- Údaje vstupných/výstupných zariadení a hlavnej pamäte sa obnovia rovnakým spôsobom.

Môže vám slúžiť: informatika

- Organizácia pamäte vykonáva programátori, čo vám umožňuje používať všetku kapacitu pamäte.

- Zvládajte jeden pamäťový blok je jednoduchší a ľahšie sa dosiahnuť.

- Dizajn čipov mikrokontrolérov je oveľa jednoduchší, pretože k jednej pamäti sa dostane do pamäti. Najdôležitejšia vec na mikrokontroléri je prístup k RAM a vo von Neumannovej architektúre, ktorá sa dá použiť na ukladanie údajov a na ukladanie pokynov pre program.

Vývoj operačných systémov

Hlavnou výhodou toho, že majú rovnakú pamäť pre programy a údaje, je to, že programy sa dajú spracovať, akoby to boli údaje. Inými slovami, môžete písať programy, ktorých údaje sú iné programy.

Program, ktorého údaje sú ďalším programom, nie je nič iné ako operačný systém. V skutočnosti, ak by programy a údaje neboli povolené v rovnakom pamäťovom priestore, ako sa to deje v architektúre von Neumann, operačné systémy by nikdy neboli vyvinuté.

Nevýhody

Aj keď výhody ďaleko presahujú nevýhody, problém je v tom, že existuje iba jedna zbernica, ktorá spája pamäť s procesorom, takže môžete získať iba inštrukciu alebo dátový prvok súčasne.

To znamená, že procesor možno bude musieť čakať dlhšie na príchod údajov alebo pokynov. Toto je známe ako von Neumann prekážku. Pretože CPU je oveľa rýchlejší ako dátová zbernica, znamená to, že často zostáva neaktívny.

- Z dôvodu postupného spracovania pokynov nie je povolená paralelná implementácia programu.

- Pri zdieľaní pamäte existuje riziko, že inštrukcia na inom je napísaná z dôvodu chyby v programe, čo spôsobuje blokovanie systému.

- Niektoré programy s defektmi nemôžu uvoľniť pamäť, keď skončia s ňou, čo by mohlo spôsobiť blokovanie počítača, pretože pamäť je nedostatočná.

- Údaje a pokyny zdieľajú rovnakú dátovú zbernicu, hoci rýchlosť, pri ktorej sa musí každý z nich obnoviť, je zvyčajne veľmi odlišná.

Odkazy

1. Semiconductor Engineering (2019). Architektúra von Neumann. Prevzaté: Semiering.com
2. Scott Thornton (2018). Aký je rozdiel medzi architektúrami von-neumann a Harvard? Tipy na mikrokontroléry. Zobraté z: mikrokontrolyrips.com.
3. Teach IKT (2019). Stroj von Neumann. Zobraté: Vyučovanie INT.com.
4. Počítačová veda (2019). Architektúra von Neumann. Zobraté z: ComputerScience.GCSE.guru.
5. Naučte sa to s pánom C (2019). Stroj von Neumann. Zobraté z: LearnithMrc.co.Uk.
6. Solid State Media (2017). Ako funguje počítač? Architektúra von Neumann. Zobraté z: SolidStateBlog.com.