VON NEUMANN АРХИТЕКТУРА: ПРОИЗХОД, МОДЕЛ, КАК РАБОТИ - ТЕХНОЛОГИЯ - 2025

В архитектурата фон Нойман е теоретична конструкция, така че един компютър може да се съхранявана програма вътрешно, която служи за основа за почти всички компютри, които в момента са направени.

Машината на фон Нойман се състои от централен процесор, който включва аритметична логическа единица и управляващ блок, плюс основна памет, вторично устройство за съхранение и вход / изход.

Източник: David strigoi - Собствена работа, Public Domain, commons.wikimedia.org

Тази архитектура предполага, че всяко изчисление извлича данни от паметта, обработва ги и след това ги изпраща обратно в паметта.

В архитектурата на фон Нойман същата памет и същата шина се използват за съхранение както на данните, така и на инструкциите, които изпълняват програма.

Подобряване на архитектурата

Тъй като данните и програмната памет не могат да бъдат достъпни едновременно, архитектурата на фон Нойман е предразположена към затруднения и отслабване на работата на компютъра. Това е това, което е известно като тясна зона на фон Нойман, където влияят мощността, производителността и цената.

Една от направените промени включваше преосмисляне на това колко данни всъщност трябва да бъдат изпратени в паметта и колко могат да се съхраняват локално.

По този начин, вместо да се налага да изпращате всичко в паметта, няколко кеша и прокси кеши могат да намалят потока от данни от процесорните чипове към различни устройства.

произход

През 1945 г., след Втората световна война, двама учени самостоятелно издигнаха как да се изгради по-податлив компютър. Единият от тях беше математикът Алън Тюринг, а другият беше също толкова талантливият учен Джон Фон Нойман.

Британецът Алън Тюринг е участвал в разбиването на кода на Enigma в Bletchley Park, използвайки компютъра „Colossus“. От друга страна, американецът Джон Фон Нойман работи по проекта за Манхатън за изграждането на първата атомна бомба, която изискваше много ръчни изчисления.

Дотогава компютрите от военното време са били повече или по-малко „програмирани“ чрез повторно свързване на цялата машина, за да изпълнят различна задача. Например на първия компютър, наречен ENIAC, бяха необходими три седмици, за да се свърже отново, за да направи различно изчисление.

Новата концепция се състоеше в това, че в паметта трябваше да се съхраняват не само данните, но и програмата, която обработва тези данни, трябва да се съхраняват в същата памет.

Тази вътрешно съхранена програмна архитектура е широко известна като „Von Neumann“ архитектура.

Тази нова идея означаваше, че компютър с тази архитектура ще бъде много по-лесен за препрограмиране. Всъщност самата програма би била третирана по същия начин като данните.

Модел

Основната основа на модела Von Neumann е мисълта, че програмата се съхранява вътре в машина. Единицата с памет съдържа данните, а също и програмния код. Архитектурният дизайн се състои от:

Източник: От UserJaimeGallego - Този файл е извлечен от Von Neumann Architecture.svg, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.org

- Централен процесор (CPU)

Цифровата схема е отговорна за изпълнението на инструкциите на дадена програма. Нарича се още процесор. Процесорът съдържа ALU, контролния блок и набор от регистри.

Логическа аритметична единица

Тази част от архитектурата участва само при извършване на аритметични и логически операции върху данните.

Ще бъдат налични обичайните изчисления за добавяне, умножение, деление и изваждане, но ще бъдат налични и сравнения на данни като „по-голямо от“, „по-малко от“, „равно на“.

Блок за управление

Той контролира работата на компютърните ALU, паметта и устройствата за вход / изход, като ги инструктира как да действат по инструкциите в програмата, която току-що четете от паметта.

Контролният блок ще управлява процеса на преместване на данни и програми към и от паметта. Той също така ще се погрижи за изпълнението на инструкциите на програмата, една по една или последователно. Това включва идеята за регистър, който да държи междинните стойности.

Records

Те са високоскоростни зони за съхранение на процесора. Всички данни трябва да се съхраняват в регистър, преди да могат да бъдат обработени.

Регистърът на адрес в паметта съдържа местоположението на паметта на данните, до които трябва да се получи достъп. Регистърът на данните от паметта съдържа данните, които се прехвърлят в паметта.

- Памет

Компютърът ще има памет, която може да съхранява данни, както и програмата, която обработва тези данни. В съвременните компютри тази памет е оперативната памет или основната памет. Тази памет е бърза и достъпна директно от процесора.

RAM е разделена на клетки. Всяка клетка се състои от адрес и нейното съдържание. Адресът ще идентифицира уникално всяко място в паметта.

- Вход изход

Тази архитектура позволява да се улови идеята, че човек трябва да взаимодейства с машината, чрез устройствата за вход-изход.

- Автобус

Информацията трябва да протича между различните части на компютъра. В компютър с архитектурата на фон Нойман информацията се предава от едно устройство на друго по шина, свързваща всички CPU единици към основната памет.

Адресната шина носи адресите на данни, но не и данни, между процесора и паметта.

Шината за данни пренася данни между процесора, паметта и устройствата за вход-изход.

Как работи архитектурата на фон Нойман?

Релевантният принцип на архитектурата на фон Нойман е, че и данните, и инструкциите се съхраняват в паметта и се третират еднакво, което означава, че инструкциите и данните са насочени.

Тя работи с помощта на четири прости стъпки: намиране, декодиране, изпълнение, съхраняване, наречено „Машинен цикъл“.

Инструкциите се получават от процесора от паметта. След това CPU декодира и изпълнява тези инструкции. Резултатът се съхранява обратно в паметта след завършване на цикъла на изпълнение на инструкциите.

Търся

В този етап инструкциите се получават от RAM и се кешират за достъп от контролния блок.

дешифрирам

Управляващият блок декодира инструкциите по такъв начин, че логическата аритметична единица да ги разбере и след това ги изпраща към логическата аритметична единица.

тичам

Аритметичната логическа единица изпълнява инструкциите и изпраща резултата обратно в кеша.

За да се запасите

След като броячът на програмата посочи спиране, крайният резултат се изтегля в основната памет.

гърло на бутилка

Ако машина на Von Neumann желае да извърши операция с данни в паметта, тя трябва да бъде прехвърлена през шината към процесора. След извършване на изчислението резултатът трябва да бъде преместен в паметта по същата шина.

Тесното място на Von Neumann възниква, когато данните, въведени или извадени от паметта, трябва да останат, докато текущата операция с памет приключи.

Тоест, ако процесорът току-що е завършил изчисление и е готов да извърши следващото, той трябва да запише готовото изчисление, което заема шината, в паметта, преди да може да извлече нови данни от паметта, която също използва същата шина.

Това тясно място се влошава с времето, защото микропроцесорите са увеличили скоростта си, а от друга страна паметта не е напреднала толкова бързо.

предимство

- Контролният блок извлича данни и инструкции по същия начин от паметта. Следователно, дизайнът и разработката на устройството за управление се опростяват, като са по-евтини и по-бързи.

- Данните от устройствата за вход / изход и основната памет се извличат по същия начин.

- Организацията на паметта се осъществява от програмистите, което позволява да се използва целият капацитет на паметта.

- Управлението на един блок памет е по-лесно и по-лесно постижимо.

- Дизайнът на микроконтролерния чип е много по-опростен, тъй като ще бъде достъпна само една памет. Най-важното за микроконтролера е достъпът до RAM паметта и в архитектурата на фон Нойман това може да се използва както за съхранение на данни, така и за съхранение на програмни инструкции.

Разработване на операционни системи

Основното предимство на една и съща памет за програми и данни е, че програмите могат да бъдат обработвани, сякаш са данни. С други думи, можете да пишете програми, чиито данни са други програми.

Програма, чиито данни са друга програма, не е нищо повече от операционна система. Всъщност, ако програмите и данните не бяха разрешени в едно и също пространство на паметта, какъвто е случаят с архитектурата на фон Нойман, операционните системи никога не биха могли да бъдат разработени.

Недостатъци

Въпреки че предимствата далеч надхвърлят недостатъците, проблемът е, че има само една шина, свързваща паметта към процесора, така че едновременно може да се получи само една инструкция или един елемент от данни.

Това означава, че процесорът може да се наложи да изчака по-дълго, за да пристигнат данни или инструкции. Това е известно като тясна зона на фон Нойман. Тъй като процесорът е много по-бърз от шината за данни, това означава, че той често работи в режим на празен ход.

- Поради последователната обработка на инструкциите, паралелното изпълнение на програмата не е позволено.

- Споделяйки памет, съществува риск една инструкция да бъде написана над друга поради грешка в програмата, което да доведе до срив на системата.

- Някои дефектни програми не могат да освободят памет, когато свършат с нея, което може да доведе до замръзване на компютъра поради недостатъчна памет.

- Данните и инструкциите споделят една и съща шина за данни, въпреки че скоростта, с която всяка трябва да бъде изтеглена, обикновено е много различна.

Препратки

1. Полупроводникова техника (2019). Фон Нойман Архитектура. Взета от: semiengineering.com
2. Скот Торнтън (2018). Каква е разликата между архитектурите Фон-Нойман и Харвард? Съвети за микроконтролера. Взета от: microcontrollertips.com.
3. Преподавайте ИКТ (2019). Машината на фон Нойман. Взета от: learn-ict.com.
4. Компютърни науки (2019). Фон Нойман Архитектура. Взета от: computerscience.gcse.guru.
5. Научете ИТ с г-н C (2019). Машината на фон Нойман. Взето от: learnitwithmrc.co.uk.
6. Твърди медии (2017). Как работят компютрите? Архитектурата на фон Нойман. Взета от: solidstateblog.com.