Architettura von Neumann Origin, modello, come funziona

IL Architettura von Neumann È un design teorico per un computer avere un programma memorizzato internamente, fungendo da base per quasi tutti i computer che sono attualmente eseguiti.

Una macchina von Neumann è costituita da un'unità di elaborazione centrale, che ha incluso un'unità aritmetica logica e un'unità di controllo, inoltre una memoria principale, dispositivi di archiviazione e di input/output secondari.

Fonte: David Strigoi - proprio lavoro, dominio pubblico, Comuni.Wikimedia.org

Questa architettura presuppone che ogni calcolo estragga i dati dalla memoria, li elabora e quindi li invia alla memoria.

In un'architettura von Neumann la stessa memoria e lo stesso bus vengono utilizzati per archiviare sia i dati che le istruzioni che eseguono un programma.

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Miglioramento dell'architettura

Poiché non è possibile accedere alla memoria dei dati e del programma contemporaneamente, l'architettura von Neumann è soggetta a colli di bottiglia e che le prestazioni del computer sono indebolite. Questo è ciò che è noto come il collo di bottiglia di von Neumann, dove sono interessati il ​​potere, le prestazioni e il costo.

Una delle modifiche apportate prevedeva di riconsiderare la quantità di dati che dovrebbero realmente essere inviati alla memoria e l'importo che potrebbe essere archiviato localmente.

In questo modo, invece di dover inviare tutto alla memoria, più cache e cache per proxy possono ridurre il flusso di dati dai chip del processore a dispositivi diversi.

Origine

Nel 1945, dopo la seconda guerra mondiale, due scienziati hanno sollevato autonomamente come costruire un computer più malleabile. Uno di questi era il matematico Alan Turing e l'altro era lo scienziato di uguale talento John von Neumann.

L'Alan Turing britannico era stato coinvolto nella decifrazione del codice Enigma a Bletchley Park, usando il computer "Coloso". D'altra parte, l'americano John von Neumann aveva lavorato al progetto Manhattan per costruire la prima bomba atomica, che aveva bisogno di molti calcoli manuali.

Fino a quel momento, i computer in tempo di guerra erano "programmati" più o meno ricollegando l'intera macchina per essere in grado di svolgere un compito diverso. Ad esempio, il primo computer chiamato ENIAC ha impiegato tre settimane per riconnettersi per effettuare un calcolo diverso.

Il nuovo concetto era che in una memoria non solo i dati dovevano essere archiviati, ma anche il programma che elaborava che i dati dovevano essere archiviati nella stessa memoria.

Questa architettura con il programma memorizzato internamente è comunemente nota come architettura "von Neumann".

Questa nuova idea significava che un computer con questa architettura sarebbe molto più facile da riprogrammare. In effetti, il programma stesso sarebbe lo stesso dei dati.

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Modello

La principale base del modello Von Neumann è il pensiero che il programma sia salvato internamente in una macchina. Nell'unità di memoria sono i dati e anche il codice del programma. Il design dell'architettura è composto da:

Fonte: di UserJaimeGalleGo - Questo file deriva dall'architettura von Neumann.SVG, CC BY-SA 3.0, Comuni.Wikimedia.org

- Unità di elaborazione centrale (CPU)

È il circuito digitale che è responsabile dell'esecuzione delle istruzioni di un programma. Si chiama anche processore. La CPU contiene l'ALU, l'unità di controllo e una serie di record.

Unità aritmetica logica

Questa parte dell'architettura è coinvolta solo nello svolgimento di operazioni aritmetiche e logiche sui dati.

Saranno disponibili anche i soliti calcoli di aggiunta, moltiplicazione, divisione e sottrazione.

Centralina

Controlla il funzionamento di Alu, la memoria e i dispositivi di input/output del computer, indicando come agire di fronte alle istruzioni del programma che ha appena letto dalla memoria.

L'unità di controllo gestirà il processo di spostamento di dati e programmi da e alla memoria. Si occuperà anche dell'esecuzione delle istruzioni del programma, una alla volta o in sequenza. Ciò include l'idea di un record per contenere valori intermedi.

Record

Sono aree di stoccaggio ad alta velocità sulla CPU. Tutti i dati devono essere archiviati in un registro prima di essere elaborati.

Gli indirizzi di memoria contiene la posizione di memoria dei dati a cui è necessario accedere. Il record dei dati di memoria contiene i dati trasferiti in memoria.

- Memoria

Il computer avrà una memoria che può contenere dati, nonché il programma che elabora tali dati. Nei computer moderni questa memoria è la RAM o la memoria principale. Questa memoria è rapida e accessibile direttamente dalla CPU.

Il RAM è diviso in cellule. Ogni cella è costituita da un indirizzo e dal suo contenuto. L'indirizzo identificherà in modo univoco ogni posizione in memoria.

- Entrata uscita

Questa architettura ti consente di catturare l'idea che una persona deve interagire con la macchina, attraverso i dispositivi di input.

- Autobus

Le informazioni devono fluire tra le diverse parti del computer. Su un computer con l'architettura von Neumann, le informazioni vengono trasmesse da un dispositivo all'altro lungo un bus, collegando tutte le unità della CPU alla memoria principale.

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Il bus degli indirizzi trasporta indirizzi di dati, ma non i dati, tra il processore e la memoria.

Il bus dati trasporta i dati tra il processore, la memoria e i dispositivi di input-salaid.

Come funziona l'architettura von Neumann?

Il principio pertinente dell'architettura von Neumann è che in memoria vengono archiviati sia i dati che le istruzioni e sono trattate allo stesso modo, il che significa che le istruzioni e i dati sono indirizzi.

Funziona usando quattro semplici passaggi: cerca, decodifica, esecuzione, archivia, chiamato "Ciclo della macchina".

Le istruzioni sono ottenute dalla CPU dalla memoria. La CPU quindi decodifica ed esegue queste istruzioni. Il risultato viene nuovamente memorizzato in memoria dopo il completamento del ciclo di esecuzione delle istruzioni.

Cercare

In questo passaggio le istruzioni sono ottenute dalla RAM e posizionarle nella memoria della cache in modo che l'unità di controllo li accessi.

Decodificare

L'unità di controllo decodifica le istruzioni in modo tale che l'unità aritmetica logica possa capirle e quindi inviarle all'unità aritmetica logica.

Eseguire

L'unità logica aritmetica esegue le istruzioni e invia nuovamente il risultato alla memoria della cache.

Negozio

Una volta che il contabile del programma indica di arresto, il risultato finale viene scaricato nella memoria principale.

Collo di bottiglia

Se una macchina Von Neumann desidera eseguire un'operazione con dati di memoria, questi devono essere trasferiti tramite il bus per la CPU. Dopo aver calcolato, è necessario spostare il risultato in memoria attraverso lo stesso bus.

Il collo di bottiglia di von Neumann si verifica quando i dati inseriti o rimossi dalla memoria dovrebbero richiedere tempo mentre l'operazione di memoria corrente è completata.

Cioè, se il processore ha appena completato un calcolo ed è pronto per eseguire il prossimo.

Questo collo di bottiglia nel tempo sta peggiorando, perché i microprocessori hanno aumentato la loro velocità e d'altra parte la memoria non è avanzata così rapidamente.

Vantaggi

- L'unità di controllo recupera i dati e le istruzioni allo stesso modo dalla memoria. Pertanto, la progettazione e lo sviluppo dell'unità di controllo sono semplificati, essendo più economici e più veloci.

- I dati dei dispositivi di input/output e la memoria principale vengono recuperati allo stesso modo.

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- L'organizzazione della memoria viene eseguita dai programmatori, che consente di utilizzare tutta la capacità di memoria.

- Gestire un singolo blocco di memoria è più semplice e più facile da raggiungere.

- Il design del chip microcontrollore è molto più semplice, poiché si accede a una memoria. La cosa più importante del microcontrollore è l'accesso alla RAM e nell'architettura von Neumann può essere utilizzata sia per archiviare i dati che per archiviare le istruzioni del programma.

Sviluppo di sistemi operativi

Il principale vantaggio di avere la stessa memoria per programmi e dati è che i programmi possono essere elaborati come se fossero dati. In altre parole, puoi scrivere programmi i cui dati sono altri programmi.

Un programma il cui dati è un altro programma non è altro che un sistema operativo. In effetti, se i programmi e i dati non fossero consentiti nello stesso spazio di memoria, come accade con l'architettura von Neumann, i sistemi operativi non sarebbero mai stati sviluppati.

Svantaggi

Sebbene i vantaggi superassero di gran lunga gli svantaggi, il problema è che esiste un solo bus che collega la memoria al processore, quindi è possibile ottenere solo un'istruzione o un elemento di dati contemporaneamente.

Ciò significa che il processore potrebbe dover attendere più a lungo per arrivare i dati o le istruzioni. Questo è noto come collo di bottiglia von Neumann. Poiché la CPU è molto più veloce del bus dati, ciò significa che spesso rimane inattivo.

- A causa dell'elaborazione sequenziale delle istruzioni, l'implementazione parallela del programma non è consentita.

- Quando si condividono la memoria, c'è il rischio che un'istruzione su un'altra sia scritta a causa di un errore nel programma, causando il bloccare il sistema.

- Alcuni programmi con difetti non possono rilasciare la memoria quando finiscono con esso, il che potrebbe far bloccare il computer perché la memoria è insufficiente.

- I dati e le istruzioni condividono lo stesso bus dati, sebbene la velocità con cui ciascuno deve essere recuperato è generalmente molto diversa.

Riferimenti

1. Semiconduttore ingegneria (2019). Architettura von Neumann. Preso da: semiering.com
2. Scott Thornton (2018). Qual è la differenza tra von-neumann e Harvard Architectures? Suggerimenti per microcontroller. Tratto da: microcontrollertips.com.
3. Teach ICT (2019). La macchina von neumann. Preso da: insegnamento-ICT.com.
4. Informatica (2019). Architettura von Neumann. Tratto da: ComputerCience.GCSE.guru.
5. Imparalo con Mr C (2019). La macchina von neumann. Tratto da: apprendimento.co.UK.
6. Solid State Media (2017). Come funzionano il computer? L'architettura von Neumann. Tratto da: Solidstateblog.com.