Senibina Von Neumann Asal, Model, Bagaimana Ia Berfungsi

The Von Neumann Architecture Ini adalah reka bentuk teoritis untuk komputer mempunyai program yang disimpan secara dalaman, berfungsi sebagai asas bagi hampir semua komputer yang sedang dijalankan.

Mesin von Neumann terdiri daripada unit pemprosesan pusat, yang termasuk unit aritmetik logik dan unit kawalan, selain memori utama, penyimpanan sekunder dan peranti input/output.

Sumber: David Strigoi - Kerja Sendiri, Domain Awam, Commons.Wikimedia.org

Senibina ini mengandaikan bahawa setiap pengiraan mengekstrak data dari memori, memprosesnya dan kemudian menghantarnya kembali ke ingatan.

Dalam seni bina von Neumann memori yang sama dan bas yang sama digunakan untuk menyimpan data dan arahan yang menjalankan program.

[TOC]

Peningkatan seni bina

Kerana anda tidak dapat mengakses ingatan data dan program pada masa yang sama, seni bina von Neumann terdedah kepada kemunculan dan prestasi komputer lemah. Inilah yang dikenali sebagai kesesakan von Neumann, di mana kuasa, prestasi dan kos terjejas.

Salah satu perubahan yang dibuat melibatkan menimbang semula jumlah data yang sepatutnya dihantar ke ingatan dan jumlah yang boleh disimpan secara tempatan.

Dengan cara ini, bukannya perlu menghantar segala -galanya ke ingatan, banyak cache dan cache proksi dapat mengurangkan aliran data dari cip pemproses ke peranti yang berbeza.

Asal

Pada tahun 1945, selepas Perang Dunia II, dua saintis secara autonomi menaikkan cara membina komputer yang lebih mudah dibentuk. Salah seorang daripada mereka adalah ahli matematik Alan Turing dan yang lain adalah saintis bakat yang sama John von Neumann.

Alan Turing British telah terlibat dalam menafsirkan kod Enigma di Bletchley Park, menggunakan komputer 'Coloso'. Sebaliknya, Amerika John von Neumann telah mengusahakan projek Manhattan untuk membina bom atom pertama, yang memerlukan banyak pengiraan manual.

Sehingga masa itu, komputer dalam masa perang "dijadualkan" lebih kurang menyambung semula keseluruhan mesin untuk dapat menjalankan tugas yang berbeza. Sebagai contoh, komputer pertama yang dipanggil Eniac mengambil masa tiga minggu untuk menyambung semula untuk membuat pengiraan yang berbeza.

Konsep baru adalah bahawa dalam ingatan bukan sahaja data harus disimpan, tetapi juga program yang memproses data itu harus disimpan dalam ingatan yang sama.

Senibina ini dengan program yang disimpan secara dalaman biasanya dikenali sebagai seni bina 'von neumann'.

Idea novel ini bermaksud bahawa komputer dengan seni bina ini akan lebih mudah untuk memprogram semula. Memang, program itu sendiri akan sama dengan data.

Boleh melayani anda: Automasi perindustrian

Model

Asas utama model von Neumann adalah pemikiran bahawa program ini disimpan secara dalaman dalam mesin. Di unit memori adalah data dan juga kod program. Reka bentuk seni bina terdiri daripada:

Sumber: oleh userjaimegallego - fail ini berasal dari seni bina von neumann.SVG, CC BY-SA 3.0, Commons.Wikimedia.org

- Unit Pemprosesan Pusat (CPU)

Ia adalah litar digital yang bertanggungjawab untuk melaksanakan arahan program. Ia juga dipanggil pemproses. CPU mengandungi ALU, unit kawalan dan satu set rekod.

Unit Aritmetik Logik

Bahagian seni bina ini hanya terlibat dalam menjalankan operasi aritmetik dan logik mengenai data.

Pengiraan biasa menambah, mengalikan, membahagikan dan pengurangan akan tersedia, tetapi perbandingan data seperti ',' kurang daripada ',' sama dengan 'juga akan tersedia.

Unit Kawalan

Kawal operasi ALU, memori dan peranti input/output komputer, yang menunjukkan cara bertindak dalam menghadapi arahan program yang baru saja dibaca dari ingatan.

Unit kawalan akan menguruskan proses memindahkan data dan program dari dan ke ingatan. Ia juga akan berurusan dengan melaksanakan arahan program, satu demi satu atau secara berurutan. Ini termasuk idea rekod untuk mengandungi nilai pertengahan.

Rekod

Mereka adalah kawasan penyimpanan berkelajuan tinggi di CPU. Semua data mesti disimpan dalam pendaftaran sebelum dapat diproses.

Alamat memori mengandungi lokasi memori data yang mesti diakses. Rekod data memori mengandungi data yang dipindahkan ke memori.

- Ingatan

Komputer akan mempunyai ingatan yang boleh mengandungi data, serta program yang memproses data tersebut. Dalam komputer moden memori ini adalah ram atau ingatan utama. Ingatan ini cepat dan mudah diakses oleh CPU.

RAM dibahagikan kepada sel. Setiap sel terdiri daripada alamat dan kandungannya. Alamatnya secara unik akan mengenal pasti setiap lokasi dalam ingatan.

- Pintu masuk keluar

Senibina ini membolehkan anda menangkap idea bahawa seseorang perlu berinteraksi dengan mesin, melalui peranti input.

- Bas

Maklumat mesti mengalir di antara bahagian komputer yang berlainan. Di komputer dengan seni bina von Neumann, maklumat itu dihantar dari satu peranti ke peranti lain di sepanjang bas, menghubungkan semua unit CPU ke ingatan utama.

Ia boleh melayani anda: 50 blog permainan video yang disyorkan

Bas alamat mengangkut alamat data, tetapi bukan data, antara pemproses dan memori.

Bas data mengangkut data antara pemproses, memori dan peranti input-salaid.

Bagaimana seni bina von neumann berfungsi?

Prinsip yang berkaitan dengan seni bina von Neumann adalah bahawa dalam ingatan kedua -dua data dan arahan disimpan dan mereka dirawat dengan cara yang sama, yang bermaksud arahan dan data adalah alamat.

Ia berfungsi menggunakan empat langkah mudah: cari, decode, laksanakan, menyimpan, dipanggil "kitaran mesin".

Arahan diperolehi oleh CPU dari ingatan. CPU kemudian menguraikan dan melaksanakan arahan ini. Hasilnya disimpan semula dalam ingatan selepas kitaran pelaksanaan arahan selesai.

Cari

Dalam langkah ini, arahan diperoleh dari RAM dan letakkannya dalam memori cache supaya unit kawalan mengaksesnya.

Decode

Unit kawalan menguraikan arahan sedemikian rupa sehingga unit aritmetik logik dapat memahaminya, dan kemudian menghantarnya ke unit aritmetik logik.

Melaksanakan

Unit logik aritmetik melaksanakan arahan dan menghantar hasilnya lagi ke memori cache.

Kedai

Sebaik sahaja akauntan program menunjukkan berhenti, hasil akhir dimuat turun ke ingatan utama.

Kesesakan

Sekiranya mesin von Neumann ingin menjalankan operasi dengan data memori, ini perlu dipindahkan melalui bas ke CPU. Setelah mengira, anda perlu memindahkan hasilnya ke ingatan melalui bas yang sama.

Kesesakan von Neumann berlaku apabila data yang dimasukkan atau dikeluarkan dari ingatan harus mengambil masa sementara operasi memori semasa selesai.

Iaitu, jika pemproses baru saja menyelesaikan pengiraan dan bersedia untuk melaksanakan seterusnya.

Kesesakan ini dari masa ke masa semakin buruk, kerana mikropemproses telah meningkatkan kelajuan mereka dan sebaliknya memori tidak maju begitu cepat.

Kelebihan

- Unit kawalan pulih data dan arahan dengan cara yang sama dari ingatan. Oleh itu, reka bentuk dan pembangunan unit kawalan dipermudahkan, lebih murah dan lebih cepat.

- Data peranti input/output dan memori utama pulih dengan cara yang sama.

Boleh melayani anda: sains komputer

- Organisasi memori dijalankan oleh pengaturcara, yang membolehkan anda menggunakan semua kapasiti memori.

- Mengendalikan satu blok memori adalah lebih mudah dan lebih mudah dicapai.

- Reka bentuk cip mikrokontroler jauh lebih mudah, kerana satu memori akan diakses. Perkara yang paling penting mengenai mikrokontroler adalah akses kepada RAM dan dalam seni bina von neumann ia boleh digunakan untuk menyimpan data dan menyimpan arahan program.

Pembangunan sistem operasi

Kelebihan utama untuk memori yang sama untuk program dan data adalah bahawa program dapat diproses seolah -olah mereka adalah data. Dengan kata lain, anda boleh menulis program yang datanya adalah program lain.

Program yang datanya adalah program lain adalah tidak lebih daripada sistem pengendalian. Malah, jika program dan data tidak dibenarkan dalam ruang ingatan yang sama, seperti yang berlaku dengan seni bina von Neumann, sistem operasi tidak akan dibangunkan.

Kekurangan

Walaupun kelebihannya jauh melebihi kelemahan, masalahnya ialah hanya ada satu bas yang menghubungkan memori dengan pemproses, jadi anda hanya dapat mendapatkan arahan atau elemen data pada masa yang sama.

Ini bermaksud bahawa pemproses mungkin perlu menunggu lebih lama untuk data atau arahan untuk tiba. Ini dikenali sebagai von neumann hambaran. Oleh kerana CPU jauh lebih cepat daripada bas data, ini bermakna ia sering tidak aktif.

- Oleh kerana pemprosesan berurutan arahan, pelaksanaan selari program tidak dibenarkan.

- Apabila berkongsi ingatan terdapat risiko bahawa arahan yang lain ditulis kerana ralat dalam program, menyebabkan sistem disekat.

- Beberapa program dengan kecacatan tidak dapat melepaskan ingatan apabila mereka berakhir dengannya, yang boleh menyebabkan komputer disekat kerana memori tidak mencukupi.

- Data dan arahan berkongsi bas data yang sama, walaupun kelajuan di mana setiap orang mesti pulih biasanya sangat berbeza.

Rujukan

1. Kejuruteraan Semikonduktor (2019). Von Neumann Architecture. Diambil dari: Semiering.com
2. Scott Thornton (2018). Apa Perbezaan Antara Von-Neumann dan Harvard Architectures? Petua mikrokontroler. Diambil dari: Microcontrolertips.com.
3. Ajar ICT (2019). Mesin von neumann. Diambil dari: mengajar-ict.com.
4. Sains Komputer (2019). Von Neumann Architecture. Diambil dari: Komputercience.GCSE.Guru.
5. Belajar dengan Mr C (2019). Mesin von neumann. Diambil dari: learnithmrc.co.UK.
6. Media Negeri Pepejal (2017). Bagaimana komputer berfungsi? Senibina von Neumann. Diambil dari: pepejaltateblog.com.