VON NEUMANN -ARKKITEHTUURI: ALKUPERÄ, MALLI, MITEN SE TOIMII - TEKNIIKKA - 2026

Von Neumann arkkitehtuuri on teoreettinen muotoilu niin, että tietokone voi olla tallennetun ohjelman sisäisesti, joka toimii perustana lähes kaikissa tietokoneissa, jotka tehdään nykyään.

Von Neumann -laite koostuu keskusprosessoriyksiköstä, joka sisältää aritmeettisen logiikkayksikön ja ohjausyksikön, sekä päämuistin, toissijaisen tallennusvälineen ja syöttö / tulostuslaitteet.

Lähde: David strigoi - Oma työ, Public Domain, commons.wikimedia.org

Tämä arkkitehtuuri edellyttää, että jokainen laskenta purkaa tietoja muistista, käsittelee ne ja lähettää sitten takaisin muistiin.

Von Neumann -arkkitehtuurissa samaa muistia ja samaa väylää käytetään sekä datan että ohjelman suorittavien ohjeiden tallentamiseen.

Arkkitehtuurin parantaminen

Koska dataa ja ohjelmamuistia ei voida käyttää samanaikaisesti, von Neumann -arkkitehtuuri on taipuvainen pullonkauloihin ja tietokoneen suorituskyvyn heikkenemiseen. Tätä kutsutaan von Neumannin pullonkaulaksi, jossa vaikutus vaikuttaa tehoon, suorituskykyyn ja kustannuksiin.

Yksi tehdyistä muutoksista aiheutti sen, että mietittiin, kuinka paljon tietoa tosiasiallisesti tarvitaan muistiin lähettämistä ja kuinka paljon se voidaan tallentaa paikallisesti.

Tällä tavoin sen sijaan, että tarvitsisit lähettää kaikkea muistiin, useat välimuistit ja välityspalvelimen välimuistit voivat vähentää tiedonkulkua prosessorisiruista eri laitteisiin.

alkuperä

Vuonna 1945, toisen maailmansodan jälkeen, kaksi tutkijaa esitti itsenäisesti, kuinka rakentaa muokattavampi tietokone. Yksi heistä oli matemaatikko Alan Turing ja toinen oli yhtä lahjakas tutkija John Von Neumann.

Brittiläinen Alan Turing oli ollut mukana etsimään Enigma-koodia Bletchley Parkissa 'Colossus'-tietokoneen avulla. Toisaalta amerikkalainen John Von Neumann oli työskennellyt Manhattan-hankkeessa ensimmäisen atomipommin rakentamiseksi, mikä vaati paljon manuaalisia laskelmia.

Siihen asti sota-aikaiset tietokoneet oli enemmän tai vähemmän "ohjelmoitu" yhdistämällä koko kone uudelleen toisen tehtävän suorittamiseksi. Esimerkiksi ensimmäisen tietokoneen nimeltä ENIAC kesti kolme viikkoa yhteyden muodostamiseen erilaisen laskelman tekemiseksi.

Uusi käsite sisälsi sen, että muistiin ei vain tietojen tallennetta, vaan myös sitä tietoa käsittelevän ohjelman on tallennettava samaan muistiin.

Tämä sisäisesti tallennettu ohjelma-arkkitehtuuri tunnetaan yleisesti nimellä 'Von Neumann' -arkkitehtuuri.

Tämä uusi idea tarkoitti, että tällä arkkitehtuurilla varustetun tietokoneen ohjelmointi on paljon helpompaa. Itse ohjelmaa itse kohdellaan samalla tavalla kuin tietoja.

Malli

Von Neumann -mallin pääalusta on ajatus, että ohjelma tallennetaan koneen sisäisesti. Muistiyksikkö sisältää tiedot ja myös ohjelmakoodin. Arkkitehtuurisuunnittelu koostuu:

Lähde: UserJaimeGallego - Tämä tiedosto on johdettu Von Neumann Architecture.svg, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.org

- Keskusyksikkö (CPU)

Ohjelman ohjeiden suorittamisesta vastaa digitaalinen piiri. Sitä kutsutaan myös prosessoriksi. CPU sisältää ALU: n, ohjausyksikön ja rekisterisarjan.

Looginen aritmeettinen yksikkö

Tämä arkkitehtuurin osa liittyy vain datan aritmeettisten ja loogisten toimintojen suorittamiseen.

Tavanomaiset laskennat lisäämistä, kertoamista, jakamista ja vähentämistä varten ovat saatavilla, mutta käytettävissä on myös datavertailuja, kuten 'suurempi kuin', 'vähemmän kuin', 'yhtä suuri'.

Ohjausyksikkö

Se ohjaa tietokoneen ALU: n, muistin ja syöttö / tulostuslaitteiden toimintaa ja opastaa niitä toimimaan ohjeiden mukaan, jotka olet juuri lukenut muistista.

Ohjausyksikkö hallitsee tietojen ja ohjelmien siirtämistä muistista ja muistista. Se huolehtii myös ohjelman ohjeiden suorittamisesta yksi kerrallaan tai peräkkäin. Tämä sisältää ajatuksen rekisteristä väliarvojen pitämiseksi.

asiakirjat

Ne ovat nopeaa tallennusaluetta CPU: lla. Kaikki tiedot on tallennettava rekisteriin ennen niiden käsittelyä.

Muistiosoiterekisteri sisältää käytettävien tietojen muistipaikan. Muistitietorekisteri sisältää tiedot, jotka siirretään muistiin.

- Muisti

Tietokoneessa on muistia, joka voi pitää tietoja, samoin kuin ohjelmassa, joka käsittelee tietoja. Nykyaikaisissa tietokoneissa tämä muisti on RAM tai päämuisti. Tämä muisti on nopea ja pääsee suoraan CPU: lle.

RAM on jaettu soluihin. Jokainen solu koostuu osoitteesta ja sen sisällöstä. Osoite yksilöi yksilöllisesti jokaisen muistin sijainnin.

- Sisäänkäynti

Tämä arkkitehtuuri antaa mahdollisuuden kaapata ajatuksen, että henkilön on oltava vuorovaikutuksessa koneen kanssa tulo- ja lähtölaitteiden kautta.

- Linja-auto

Tietojen on virtauttava tietokoneen eri osien välillä. Von Neumann-arkkitehtuurilla varustetussa tietokoneessa tiedot siirretään yhdestä laitteesta toiseen väylää pitkin yhdistäen kaikki CPU-yksiköt päämuistiin.

Osoiteväylä kuljettaa tiedon osoitteita prosessorin ja muistin välillä, mutta ei dataa.

Dataväylä kuljettaa dataa prosessorin, muistin ja tulo- ja lähtölaitteiden välillä.

Kuinka von Neumann -arkkitehtuuri toimii?

Von Neumann -arkkitehtuurin asiaankuuluva periaate on, että sekä data että ohjeet tallennetaan muistiin ja käsitellään samalla tavalla, mikä tarkoittaa, että ohjeet ja tiedot ovat suuntaa-antavia.

Se toimii neljästä yksinkertaisesta vaiheesta: etsi, purkaa, suorita, tallenna, jota kutsutaan konekierrokseksi.

Ohjeet saa CPU muistista. Tämän jälkeen CPU dekoodaa ja suorittaa nämä ohjeet. Tulos tallennetaan takaisin muistiin, kun käskyjen suorittamisjakso on valmis.

Etsiä

Tässä vaiheessa ohjeet saadaan RAM: lta ja välimuistiin pääsemiseksi ohjausyksiköltä.

tulkita

Ohjausyksikkö dekoodaa ohjeet siten, että looginen aritmeettinen yksikkö ymmärtää ne ja lähettää sitten loogiselle aritmeettiselle yksikölle.

Juosta

Looginen aritmeettinen yksikkö suorittaa ohjeet ja lähettää tuloksen takaisin välimuistiin.

Varastoon

Kun ohjelmalaskuri osoittaa lopetuksen, lopullinen tulos ladataan päämuistiin.

Pullonkaula

Jos Von Neumann -laite haluaa suorittaa operaation muistin datalla, se on siirrettävä väylän kautta CPU: lle. Laskennan suorittamisen jälkeen tulos on siirrettävä muistiin saman väylän kautta.

Von Neumannin pullonkaula esiintyy, kun tietojen syöttämisen tai muistista poistamisen on viipyvä, kun nykyinen muistitoiminto on valmis.

Eli jos prosessori on juuri suorittanut laskelman ja on valmis suorittamaan seuraavan, sen on kirjoitettava valmiin laskennan, joka vie väylän, muistiin ennen kuin se voi hakea uutta tietoa muistista, joka käyttää myös samaa väylää.

Tämä pullonkaula on pahentunut ajan myötä, koska mikroprosessorit ovat lisänneet nopeuttaan ja toisaalta muisti ei ole edennyt niin nopeasti.

Etu

- Ohjausyksikkö hakee tietoja ja ohjeita samalla tavalla muistista. Siksi ohjausyksikön suunnittelu ja kehittäminen on yksinkertaistettu, halvempaa ja nopeampaa.

- Tiedot tulo- / lähtölaitteista ja päämuistista haetaan samalla tavalla.

- Muistin järjestävät ohjelmoijat, mikä sallii kaiken muistikapasiteetin käyttämisen.

- Yhden muistitilan hallinta on yksinkertaisempaa ja helpompaa saavuttaa.

- Mikrokontrollerisirun suunnittelu on paljon yksinkertaisempaa, koska vain yhtä muistia käytetään. Tärkein asia mikrokontrollerissa on pääsy RAM-muistiin ja von Neumann -arkkitehtuurissa sitä voidaan käyttää sekä tietojen tallentamiseen että ohjelma-ohjeiden tallentamiseen.

Käyttöjärjestelmien kehittäminen

Tärkein etu siitä, että ohjelmille ja datalle on sama muisti, on, että ohjelmat voidaan käsitellä kuin ne olisivat tietoja. Toisin sanoen voit kirjoittaa ohjelmia, joiden tiedot ovat muita ohjelmia.

Ohjelma, jonka tiedot ovat toinen ohjelma, ei ole muuta kuin käyttöjärjestelmä. Itse asiassa, jos ohjelmia ja tietoja ei sallita samassa muistitilassa, kuten von Neumann -arkkitehtuurin tapauksessa, käyttöjärjestelmiä ei olisi koskaan voinut kehittää.

haitat

Vaikka edut ylittävät haitat, ongelmana on, että muistia prosessoriin yhdistää vain yksi väylä, joten vain yksi käsky tai yksi tietoyksikkö voidaan noutaa kerrallaan.

Tämä tarkoittaa, että suorittimen on ehkä odotettava pidempään tietojen tai ohjeiden saapumista. Tätä kutsutaan von Neumannin pullonkaulaksi. Koska CPU on paljon nopeampi kuin dataväylä, tämä tarkoittaa, että se on usein tyhjäkäynnillä.

- Ohjeiden peräkkäisen käsittelyn vuoksi ohjelman samanaikainen toteutus ei ole sallittua.

- Muistin jakamisella on vaara, että yksi käsky kirjoitetaan toiselle ohjelman virheen vuoksi, joka aiheuttaa järjestelmän kaatumisen.

- Jotkut vialliset ohjelmat eivät voi vapauttaa muistia, kun ne tehdään sen kanssa, mikä saattaa aiheuttaa tietokoneen jäätymisen riittämättömän muistin takia.

- Tiedot ja ohjeet jakavat saman tietoväylän, vaikka nopeus, jolla ne on noudettava, on yleensä hyvin erilainen.

Viitteet

1. Puolijohdetekniikka (2019). Von Neumann -arkkitehtuuri. Otettu: semiengineering.com
2. Scott Thornton (2018). Mitä eroa Von-Neumann- ja Harvard-arkkitehtuureilla on? Mikrokontrollerivinkit. Otettu: microcontrollertips.com.
3. Opetta ICT (2019). Von Neumannin kone. Kuvannut: teac-ict.com.
4. Tietojenkäsittelytiede (2019). Von Neumann -arkkitehtuuri. Otettu: computercience.gcse.guru.
5. Opi IT herra C: n kanssa (2019). Von Neumannin kone. Otettu: Learnitwithmrc.co.uk.
6. Solid State Media (2017). Kuinka tietokoneet toimivat? Von Neumann -arkkitehtuuri. Otettu: solidstateblog.com.