Architectuur von neumann origin, model, hoe het werkt

De Von Neumann -architectuur Het is een theoretisch ontwerp voor een computer om een ​​intern opgeslagen programma te hebben, dat dient als basis voor bijna alle computers die momenteel worden uitgevoerd.

Een Von Neumann -machine bestaat uit een centrale verwerkingseenheid, die een logische rekeneenheid en een besturingseenheid heeft opgenomen, bovendien een hoofdgeheugen, secundaire opslag en ingang/uitvoerapparaten.

Bron: David Strigoi - Eigen werk, openbare domein, commons.Wikimedia.borg

Deze architectuur veronderstelt dat elke berekening de gegevens uit het geheugen extraheert, ze verwerkt en vervolgens terug naar het geheugen stuurt.

In een von Neumann -architectuur worden hetzelfde geheugen en dezelfde bus gebruikt om zowel de gegevens als de instructies op te slaan die een programma uitvoeren.

[TOC]

Verbetering van de architectuur

Omdat u geen toegang hebt tot het geheugen van de gegevens en het programma tegelijkertijd, is de von Neumann -architectuur vatbaar voor knelpunten en die computerprestaties zijn verzwakt. Dit is wat bekend staat als het knelpunt van von Neumann, waar de kracht, prestaties en kosten worden beïnvloed.

Een van de aangebrachte wijzigingen omvatte het heroverwegen van de hoeveelheid gegevens die echt naar het geheugen moeten worden verzonden en het bedrag dat lokaal kan worden opgeslagen.

Op deze manier kunnen meerdere caches en proxy -caches in plaats van alles naar het geheugen te sturen, de gegevensstroom van processorchips naar verschillende apparaten verminderen.

Oorsprong

In 1945, na de Tweede Wereldoorlog, hebben twee wetenschappers autonoom opgevoed hoe ze een meer kneedbare computer kunnen bouwen. Een van hen was de wiskundige Alan Turing en de andere was de wetenschapper van gelijk talent John von Neumann.

De Britse Alan Turing was betrokken geweest bij het ontcijferen van de Enigma -code in Bletchley Park, met behulp van de 'Coloso' -computer. Aan de andere kant had de Amerikaanse John von Neumann aan het Manhattan -project gewerkt om de eerste atoombom te bouwen, die veel handmatige berekeningen nodig had.

Tot die tijd werden computers in de oorlogstijd "gepland" min of meer opnieuw verbonden met de hele machine om een ​​andere taak uit te voeren. De eerste computer genaamd ENIAC duurde bijvoorbeeld drie weken om opnieuw verbinding te maken om een ​​andere berekening te maken.

Het nieuwe concept was dat in een geheugen niet alleen de gegevens moesten worden opgeslagen, maar ook het programma dat die gegevens verwerkte, in hetzelfde geheugen moesten worden opgeslagen.

Deze architectuur met het intern opgeslagen programma staat algemeen bekend als architectuur 'von neumann'.

Dit nieuwe idee betekende dat een computer met deze architectuur veel gemakkelijker te herprogrammeren zou zijn. Het programma zelf zou inderdaad hetzelfde zijn als de gegevens.

Kan u van dienst zijn: industriële automatisering

Model

De belangrijkste basis van het Von Neumann -model is de gedachte dat het programma intern wordt opgeslagen in een machine. In de geheugeneenheid staan ​​de gegevens en ook de programmacode. Het architectuurontwerp bestaat uit:

Bron: door UserJaimegallego - Dit bestand is afgeleid van Von Neumann Architecture.SVG, CC BY-SA 3.0, commons.Wikimedia.borg

- Centrale verwerkingseenheid (CPU)

Het is het digitale circuit dat verantwoordelijk is voor het uitvoeren van de instructies van een programma. Het wordt ook processor genoemd. De CPU bevat de ALU, de besturingseenheid en een reeks records.

Logische rekenkundige eenheid

Dit deel van de architectuur is alleen betrokken bij het uitvoeren van rekenkundige en logische bewerkingen over de gegevens.

De gebruikelijke berekeningen van het toevoegen, vermenigvuldigen, delen en aftrekken zijn beschikbaar, maar gegevensvergelijkingen zoals ',' minder dan ',' gelijk aan 'zullen ook beschikbaar zijn.

Besturingseenheid

Controleer de werking van de ALU, het geheugen en de invoer-/uitvoerapparaten van de computer, wat aangeeft hoe te handelen in het licht van de instructies van het programma dat net uit het geheugen heeft gelezen.

De besturingseenheid beheert het proces van het verplaatsen van gegevens en programma's van en naar het geheugen. Het zal ook omgaan met het uitvoeren van de programma -instructies, één voor één of opeenvolgend. Dit omvat het idee van een record dat tussenliggende waarden bevat.

Records

Het zijn hoge snelheidsopslaggebieden op de CPU. Alle gegevens moeten in een register worden opgeslagen voordat ze kunnen worden verwerkt.

Geheugenadressen bevatten de geheugenlocatie van de gegevens waaraan deze moeten worden toegankelijk. Geheugengegevensrecord bevat gegevens overgedragen naar het geheugen.

- Geheugen

De computer heeft een geheugen dat gegevens kan bevatten, evenals het programma dat die gegevens verwerkt. In moderne computers is dit geheugen het RAM- of het belangrijkste geheugen. Dit geheugen is snel en toegankelijk rechtstreeks door de CPU.

RAM is verdeeld in cellen. Elke cel bestaat uit een adres en de inhoud ervan. Het adres zal elke locatie op unieke wijze in het geheugen identificeren.

- Ingang uitgang

Met deze architectuur kunt u het idee vastleggen dat een persoon via de invoerapparaten met de machine moet communiceren,.

- Bus

De informatie moet tussen de verschillende delen van de computer stromen. Op een computer met de von Neumann -architectuur wordt de informatie van het ene apparaat naar het andere over een bus verzonden, waardoor alle CPU -eenheden met het hoofdgeheugen worden verbonden.

Het kan je van dienst zijn: 50 aanbevolen blogs van videogames

De adresbus transporteert gegevensadressen, maar niet de gegevens tussen de processor en het geheugen.

De gegevensbus transporteert de gegevens tussen de processor, het geheugen en de invoer-salaid-apparaten.

Hoe werkt Von Neumann -architectuur?

Het relevante principe van von Neumann -architectuur is dat in het geheugen zowel gegevens als instructies worden opgeslagen en dat ze op dezelfde manier worden behandeld, wat betekent dat instructies en gegevens adres zijn.

Het werkt met behulp van vier eenvoudige stappen: zoeken, decoderen, uitvoeren, opslaan, de "machinecyclus" genoemd.

De instructies worden verkregen door de CPU uit het geheugen. De CPU decodeert vervolgens en voert deze instructies uit. Het resultaat wordt opnieuw opgeslagen in het geheugen nadat de uitvoeringscyclus van de instructies is voltooid.

Zoeken

In deze stap worden de instructies verkregen uit de RAM en plaats ze in het cachegeheugen zodat de controle -eenheid toegang heeft.

Decoderen

De besturingseenheid decodeert de instructies zodanig dat de logische rekenkundige eenheid ze kan begrijpen en ze vervolgens naar de logische rekeneenheid kan sturen.

Uitvoeren

De rekenkundige logica -eenheid voert de instructies uit en verzendt het resultaat opnieuw naar het cachegeheugen.

Winkel

Zodra de programma -accountant aangeeft om te stoppen, wordt het eindresultaat gedownload naar het hoofdgeheugen.

Knelpunt

Als een von Neumann -machine een bewerking met geheugengegevens wil uitvoeren, moeten deze worden overgedragen via de bus naar de CPU. Na het berekenen moet u het resultaat verplaatsen naar het geheugen via dezelfde bus.

Het knelpunt van von neumann treedt op wanneer de gegevens die uit het geheugen worden ingevoerd of verwijderd, tijd moeten kosten terwijl de huidige geheugenbewerking is voltooid.

Dat wil zeggen, als de processor zojuist een berekening heeft voltooid en klaar is om de volgende uit te voeren.

Dit knelpunt is in de loop van de tijd erger geworden, omdat microprocessors hun snelheid hebben verhoogd en aan de andere kant is het geheugen niet zo snel vooruitgegaan.

Voordelen

- De besturingseenheid herstelt de gegevens en instructies op dezelfde manier vanuit het geheugen. Daarom is het ontwerp en de ontwikkeling van de besturingseenheid vereenvoudigd, goedkoper en sneller.

- De gegevens van de invoer-/uitvoerapparaten en het hoofdgeheugen worden op dezelfde manier hersteld.

Kan u van dienst zijn: informatica

- De organisatie van het geheugen wordt uitgevoerd door programmeurs, waarmee u alle geheugencapaciteit kunt gebruiken.

- Omgaan met een enkel geheugenblok is eenvoudiger en gemakkelijker te bereiken.

- Het microcontroller chip -ontwerp is veel eenvoudiger, omdat er één geheugen wordt toegankelijk. Het belangrijkste van de microcontroller is toegang tot RAM en in de von Neumann -architectuur kan het worden gebruikt om gegevens op te slaan als om programma -instructies op te slaan.

Ontwikkeling van besturingssystemen

Het belangrijkste voordeel van hetzelfde geheugen voor programma's en gegevens is dat de programma's kunnen worden verwerkt alsof het gegevens zijn. Met andere woorden, u kunt programma's schrijven waarvan de gegevens andere programma's zijn.

Een programma waarvan de gegevens een ander programma zijn, is niets meer dan een besturingssysteem. Als de programma's en gegevens niet in dezelfde geheugenruimte waren toegestaan, omdat het gebeurt met de von Neumann -architectuur, zouden de besturingssystemen nooit zijn ontwikkeld.

Nadelen

Hoewel de voordelen de nadelen ver overschrijden, is het probleem dat er slechts één bus is die het geheugen verbindt met de processor, zodat u alleen een instructie of een gegevenselement tegelijkertijd kunt krijgen.

Dit betekent dat de processor mogelijk langer moet wachten tot de gegevens of instructies aankomen. Dit staat bekend als von neumann bottleneck. Aangezien de CPU veel sneller is dan de gegevensbus, betekent dit dat deze vaak inactief blijft.

- Vanwege de opeenvolgende verwerking van de instructies is de parallelle implementatie van het programma niet toegestaan.

- Bij het delen van het geheugen is er een risico dat een instructie op een andere wordt geschreven vanwege een fout in het programma, waardoor het systeem wordt geblokkeerd.

- Sommige programma's met defecten kunnen geen geheugen vrijgeven wanneer ze ermee eindigen, waardoor de computer kan worden geblokkeerd omdat het geheugen onvoldoende is.

- De gegevens en instructies delen dezelfde gegevensbus, hoewel de snelheid waarmee elk moet worden hersteld, meestal heel anders is.

Referenties

1. Semiconductor Engineering (2019). Von Neumann -architectuur. Genomen uit: semiering.com
2. Scott Thornton (2018). Wat is het verschil tussen von-Neumann en Harvard Architectures? Microcontroller -tips. Genomen uit: Microcontrolertips.com.
3. Teach ICT (2019). De von Neumann -machine. Genomen van: Teach-ict.com.
4. Computerwetenschappen (2019). Von Neumann -architectuur. Uitgevoerd uit: Computerscience.GCSE.goeroe.
5. Leer het met Mr C (2019). De von Neumann -machine. Genomen uit: learnithmrc.co.Uk.
6. Solid State Media (2017). Hoe werkt de computer? De von Neumann -architectuur. Genomen van: SolidStateblog.com.