VON NEUMANN ARHITEKTŪRA: IZCELSME, MODELIS, KĀ TĀ DARBOJAS - TEHNOLOĢIJAS - 2025

Von Neumann arhitektūra ir teorētisks dizainu tā, ka dators var būt programma glabājas iekšēji, kas kalpo par pamatu gandrīz visiem datoriem, kas pašlaik ir veikti.

Von Neumann mašīna sastāv no centrālā procesora, kas ietver aritmētisko loģisko vienību un vadības bloku, kā arī galveno atmiņu, sekundāro atmiņu un ievades / izvades ierīces.

Avots: David strigoi - Savs darbs, Public Domain, commons.wikimedia.org

Šī arhitektūra pieņem, ka katrs aprēķins iegūst datus no atmiņas, apstrādā tos un pēc tam nosūta atpakaļ atmiņā.

Fon Neimaņa arhitektūrā to pašu atmiņu un to pašu kopni izmanto, lai saglabātu gan datus, gan instrukcijas, kas izpilda programmu.

Arhitektūras uzlabošana

Tā kā datiem un programmas atmiņai nevar piekļūt vienlaikus, von Neumann arhitektūra ir pakļauta sašaurinājumiem un datora veiktspējas vājināšanai. Tas ir tas, ko sauc par fon Neimaņa sašaurinājumu, kur tiek ietekmēta jauda, ​​veiktspēja un izmaksas.

Viena no veiktajām izmaiņām bija saistīta ar to, ka jāpārdomā, cik daudz datu faktiski bija jānosūta atmiņā un cik daudz tos var uzglabāt lokāli.

Tādā veidā, tā vietā, lai viss būtu jānosūta atmiņā, vairākas kešatmiņas un starpniekservera kešatmiņas var samazināt datu plūsmu no procesora mikroshēmām uz dažādām ierīcēm.

Izcelsme

1945. gadā pēc Otrā pasaules kara divi zinātnieki patstāvīgi izvirzīja jautājumu par to, kā izveidot veidojamu datoru. Viens no viņiem bija matemātiķis Alans Turings, bet otrs bija tikpat talantīgs zinātnieks Džons fon Neimans.

Brits Alans Tjūrings bija iesaistījies Enigma koda uzlaušanā Bletchley Park, izmantojot datoru 'Colossus'. No otras puses, amerikānis Džons fon Neimans bija strādājis pie Manhetenas projekta, lai izveidotu pirmo atombumbu, kurai bija nepieciešami daudz manuālu aprēķinu.

Līdz tam kara laika datori bija vairāk vai mazāk "ieprogrammēti", atkārtoti pieslēdzot visu mašīnu, lai veiktu citu uzdevumu. Piemēram, pirmajam datoram ar nosaukumu ENIAC bija vajadzīgas trīs nedēļas, lai no jauna izveidotu savienojumu, lai veiktu citu aprēķinu.

Jaunā koncepcija sastāvēja no tā, ka atmiņā bija jāuzglabā ne tikai dati, bet arī programma, kas apstrādāja šos datus, tajā pašā atmiņā.

Šo iekšēji saglabāto programmas arhitektūru mēdz dēvēt par “Von Neumann” arhitektūru.

Šī jaunā ideja nozīmēja, ka datoru ar šo arhitektūru būs daudz vieglāk pārprogrammēt. Patiešām, pati programma tiks traktēta tāpat kā dati.

Modelis

Von Neumann modeļa galvenais pamats ir doma, ka programma tiek glabāta mašīnā. Atmiņas bloks satur datus un arī programmas kodu. Arhitektūras dizains sastāv no:

Avots: No UserJaimeGallego - Šis fails ir iegūts no Von Neumann Architecture.svg, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.org

- Centrālais procesora bloks (CPU)

Par programmas norādījumu izpildi atbild digitālā shēma. To sauc arī par procesoru. CPU satur ALU, vadības bloku un reģistru kopu.

Loģiskā aritmētiskā vienība

Šī arhitektūras daļa ir iesaistīta tikai datu aritmētisko un loģisko operāciju veikšanā.

Būs pieejami parastie saskaitīšanas, reizināšanas, dalīšanas un atņemšanas aprēķini, taču būs pieejami arī tādi datu salīdzinājumi kā “lielāks par”, “mazāks par”, “vienāds ar”.

Kontroles vienība

Tas kontrolē datora ALU, atmiņas un ievades / izvades ierīču darbību, norādot, kā rīkoties saskaņā ar norādījumiem programmā, kuru tikko lasāt no atmiņas.

Vadības bloks pārvaldīs datu un programmu pārvietošanas procesu uz atmiņu un no tās. Tas rūpēsies arī par programmas norādījumu izpildīšanu pa vienam vai secīgi. Tas ietver ideju par reģistru, lai turētu starpposma vērtības.

Ieraksti

Tās ir centrālā procesora ātrdarbīgas uzglabāšanas vietas. Visi dati ir jāglabā reģistrā, pirms tos var apstrādāt.

Atmiņas adrešu reģistrā ir pieejama piekļūstošo datu vieta atmiņā. Atmiņas datu reģistrā ir dati, kas tiek pārsūtīti uz atmiņu.

- Atmiņa

Datoram būs atmiņa, kurā var glabāt datus, kā arī programma, kas šos datus apstrādā. Mūsdienu datoros šī atmiņa ir operatīvā atmiņa vai galvenā atmiņa. Šī atmiņa ir ātra un CPU pieejama tieši.

RAM tiek sadalīta šūnās. Katra šūna sastāv no adreses un tās satura. Adrese unikāli identificēs katru atmiņā esošo vietu.

- ieejas izeja

Šī arhitektūra ļauj uztvert ideju, ka personai, izmantojot ievades-izvades ierīces, ir jāsadarbojas ar mašīnu.

- Autobuss

Informācijai jāplūst starp dažādām datora daļām. Datorā ar fon Neimana arhitektūru informācija tiek pārsūtīta no vienas ierīces uz otru gar kopni, visas CPU vienības savienojot ar galveno atmiņu.

Adrešu kopne starp procesoru un atmiņu nes datu adreses, bet ne datus.

Datu kopne pārvadā datus starp procesoru, atmiņu un ievades-izvades ierīcēm.

Kā darbojas fon Neimana arhitektūra?

Atbilstošais fon Neimana arhitektūras princips ir tāds, ka gan dati, gan instrukcijas tiek glabāti atmiņā un apstrādāti vienādi, kas nozīmē, ka instrukcijas un dati ir virziena virzienā.

Tas darbojas, izmantojot četras vienkāršas darbības: atrodiet, atšifrējiet, izpildiet, saglabājiet, sauktu par “Machine Cycle”.

Instrukcijas CPU iegūst no atmiņas. Tad centrālais procesors dekodē un izpilda šīs instrukcijas. Pēc instrukcijas izpildes cikla beigām rezultāts tiek saglabāts atmiņā.

Meklēt

Šajā solī instrukcijas tiek iegūtas no operatīvās atmiņas un tiek saglabātas kešatmiņā piekļuvei vadības blokam.

Atšifrēt

Vadības bloks dekodē instrukcijas tādā veidā, lai loģiskā aritmētiskā vienība varētu tās saprast, un pēc tam nosūta tās loģiskajai aritmētiskajai vienībai.

Skrien

Aritmētiskā loģiskā vienība izpilda instrukcijas un nosūta rezultātu atpakaļ kešatmiņā.

Uz krājumu

Kad programmu skaitītājs norāda pārtraukšanu, galīgais rezultāts tiek lejupielādēts galvenajā atmiņā.

Sašaurinājums

Ja Von Neumann mašīna vēlas veikt operāciju ar datiem atmiņā, tā ar autobusu jāpārnes uz CPU. Pēc aprēķina veikšanas rezultāts jāpārvieto atmiņā, izmantojot to pašu kopni.

Von Neumann sašaurinājums rodas tad, kad datiem, kas tiek ievadīti vai izņemti no atmiņas, jāpaliek, kamēr pašreizējā atmiņas darbība ir pabeigta.

Tas ir, ja procesors ir tikko pabeidzis aprēķinu un ir gatavs veikt nākamo, tam ir jāraksta atmiņā pabeigtais aprēķins, kas aizņem kopni, pirms tas var iegūt jaunus datus no atmiņas, kas arī izmanto to pašu kopni.

Šis sašaurinājums laika gaitā ir pasliktinājies, jo mikroprocesori ir palielinājuši ātrumu un, no otras puses, atmiņa nav tik ātri progresējusi.

Priekšrocība

- Vadības bloks datus un instrukcijas tādā pašā veidā izgūst no atmiņas. Tāpēc vadības ierīces dizains un izstrāde ir vienkāršota, tā ir lētāka un ātrāka.

- dati no ievades / izvades ierīcēm un galvenās atmiņas tiek iegūti tādā pašā veidā.

- Atmiņas organizēšanu veic programmētāji, kas ļauj izmantot visu atmiņas ietilpību.

- Pārvaldīt atsevišķu atmiņas bloku ir vienkāršāk un vieglāk sasniedzams.

- Mikrokontrollera mikroshēmas dizains ir daudz vienkāršāks, jo tiks izmantota tikai viena atmiņa. Mikrokontrollerī vissvarīgākā ir piekļuve RAM, un von Neumann arhitektūrā to var izmantot gan datu glabāšanai, gan programmas instrukciju glabāšanai.

Operētājsistēmu izstrāde

Galvenā priekšrocība, ka programmām un datiem ir tāda pati atmiņa, ir tā, ka programmas var apstrādāt tā, it kā tās būtu dati. Citiem vārdiem sakot, jūs varat rakstīt programmas, kuru dati ir citas programmas.

Programma, kuras dati ir cita programma, nav nekas vairāk kā operētājsistēma. Faktiski, ja programmas un dati netiktu atļauti vienā atmiņas telpā, kā tas ir fon Neimana arhitektūras gadījumā, operētājsistēmas nekad nevarētu būt izstrādātas.

Trūkumi

Lai gan priekšrocības tālu pārsniedz trūkumus, problēma ir tā, ka ir tikai viena kopne, kas savieno atmiņu ar procesoru, tāpēc vienlaikus var ielādēt tikai vienu instrukciju vai datu vienību.

Tas nozīmē, ka procesoram, iespējams, būs jāgaida ilgāk, kamēr pienāks dati vai instrukcijas. Tas ir pazīstams kā von Neumann sašaurinājums. Tā kā centrālais procesors ir daudz ātrāks nekā datu kopne, tas nozīmē, ka tas bieži ir dīkstāvē.

- Sakarā ar secīgu instrukciju apstrādi nav atļauta programmas paralēla ieviešana.

- Koplietojot atmiņu, pastāv risks, ka viena kļūda programmā tiks pārrakstīta uz otru, izraisot sistēmas avāriju.

- Dažas kļūdainas programmas nevar atbrīvot atmiņu, kad tās tiek veiktas, kas var izraisīt datora iesaldēšanu nepietiekamas atmiņas dēļ.

- Datiem un instrukcijām ir viena un tā pati datu kopne, kaut arī ātrums, ar kādu katrs jāielādē, parasti ir ļoti atšķirīgs.

Atsauces

1. Pusvadītāju inženierija (2019). Von Neumann arhitektūra. Paņemts no: semiengineering.com
2. Skots Torntons (2018). Kāda ir atšķirība starp Von-Neumann un Hārvarda arhitektūru? Mikrokontrolleru padomi. Paņemts no: microcontrollertips.com.
3. Mācīt IKT (2019). Von Neumann mašīna. Paņemts no: teac-ict.com.
4. Datorzinātne (2019). Von Neumann arhitektūra. Paņemts no: datorzinātne.gcse.guru.
5. Uzziniet IT kopā ar C kungu (2019). Von Neumann mašīna. Taktēts no: mācītiesmrc.co.uk.
6. Solid State Media (2017). Kā darbojas datori? Von Neumann arhitektūra. Iegūts no: solidstateblog.com.