Arkkitehtuuri von Neumann alkuperä, malli, miten se toimii

Se Von Neumann -arkkitehtuuri Tietokoneen teoreettinen suunnittelu on sisäisesti tallennettu ohjelma, joka toimii perustana melkein kaikille tällä hetkellä suoritetuille tietokoneille.

Von Neumann -kone koostuu keskuskäsittelyyksiköstä, joka on sisällyttänyt loogisen aritmeettisen yksikön ja ohjausyksikön, lisäksi päämuistin, toissijaisen tallennus- ja syöttö/lähtölaitteet.

Lähde: David Strigoi - Oma työ, julkinen alue, Commons.Wikimedia.org

Tämä arkkitehtuuri olettaa, että jokainen laskelma poimii tiedot muistista, käsittelee ne ja lähettää ne sitten takaisin muistiin.

Von Neumann -arkkitehtuurissa sama muisti ja samaa väylää käytetään sekä tietojen että ohjelman suorittavien ohjeiden tallentamiseen.

[TOC]

Arkkitehtuurin paraneminen

Koska et pääse tietojen muistiin ja ohjelmaan samaan aikaan, von Neumann -arkkitehtuuri on alttiina pullonkauloille ja että tietokoneen suorituskyky on heikentynyt. Tätä kutsutaan Von Neumannin pullonkaulana, jossa vaikutus, suorituskyky ja kustannukset vaikuttavat.

Yksi tehdyistä muutoksista.

Tällä tavalla sen sijaan, että joudut lähettämään kaiken muistiin, useita välimuistit ja välityspalvelimen välimuistit voivat vähentää tiedonkulkua prosessorilastuista eri laitteisiin.

Alkuperä

Vuonna 1945 toisen maailmansodan jälkeen kaksi tutkijaa korosti itsenäisesti kuinka rakentaa muokattavampi tietokone. Yksi heistä oli matemaatikko Alan Turing ja toinen oli tasa -arvoisten kykyjen tutkija John von Neumann.

Britannian Alan Turing oli osallistunut Enigma -koodin purkamiseen Bletchley Parkissa, käyttämällä 'Coloso' -tietokonetta. Toisaalta amerikkalainen John von Neumann oli työskennellyt Manhattan -projektissa rakentaakseen ensimmäisen atomipommin, joka tarvitsi paljon manuaalisia laskelmia.

Siihen saakka sodan ajan tietokoneet "ajoitettiin" enemmän tai vähemmän koko koneen yhdistäminen uudelleen, jotta ne voisivat suorittaa toisen tehtävän. Esimerkiksi ensimmäinen ENIAC -niminen tietokone kesti kolme viikkoa yhteyden muodostamiseen erilaisen laskelman tekemiseksi.

Uusi konsepti oli, että muistiin ei vain tallennettava tieto, vaan myös ohjelma, joka käsitteli, että tiedot tulisi tallentaa samaan muistiin.

Tämä arkkitehtuuri sisäisesti tallennetun ohjelman kanssa tunnetaan yleisesti nimellä arkkitehtuuri 'von Neumann'.

Tämä uusi idea tarkoitti, että tietokone, jolla on tällä arkkitehtuurilla, olisi paljon helpompaa ohjelmoida uudelleen. Itse ohjelma itse olisi sama kuin tiedot.

Voi palvella sinua: Teollisuusautomaatio

Malli

Von Neumann -mallin pääasiallinen perusta on ajatus, että ohjelma tallennetaan sisäisesti koneeseen. Muistiyksikössä ovat tiedot ja myös ohjelmakoodi. Arkkitehtuurisuunnittelu koostuu:

Lähde: kirjoittanut Userjaimegallego - Tämä tiedosto on peräisin von Neumann -arkkitehtuurista.SVG, CC BY-SA 3.0, Commons.Wikimedia.org

- Keskiprosessointiyksikkö (CPU)

Digitaalinen piiri vastaa ohjelman ohjeiden suorittamisesta. Sitä kutsutaan myös prosessoriksi. CPU sisältää ALU: n, ohjausyksikön ja tietueen joukon.

Looginen aritmeettinen yksikkö

Tämä arkkitehtuurin osa liittyy vain aritmeettisten ja loogisten operaatioiden suorittamiseen tietojen suhteen.

Tavalliset laskelmat lisäämällä, kertomalla, jakamalla ja vähentämällä on saatavana, mutta tietovertailut, kuten ',' vähemmän kuin ',' yhtä suuri kuin 'on saatavana myös.

Ohjausyksikkö

Hallitse tietokoneen ALU: n, muisti- ja syöttö-/lähtölaitteiden toimintaa, mikä osoittaa, kuinka toimimaan juuri lukeman ohjelman ohjeissa.

Ohjausyksikkö hallitsee datan ja ohjelmien siirtämisprosessia muistiin ja muistiin. Se käsittelee myös ohjelman ohjeiden suorittamista, yksi kerrallaan tai peräkkäin. Tähän sisältyy ajatus tietueesta väliarvojen sisältämiseksi.

Levy

Ne ovat nopeiden säilytysalueita prosessorissa. Kaikki tiedot on tallennettava rekisteriin ennen kuin ne voidaan käsitellä.

Muistiosoitteet sisältävät niiden tietojen muistin sijainnin, joihin se on käytettävä. Muistitieto sisältää muistiin siirretyn tiedon.

- Muisti

Tietokoneella on muisti, joka voi sisältää tietoja, samoin kuin kyseistä käsittelevä ohjelma. Nykyaikaisissa tietokoneissa tämä muisti on RAM- tai päämuisti. Tämä muisti on nopea ja pääsee suoraan prosessorilla.

RAM on jaettu soluihin. Jokainen solu koostuu osoitteesta ja sen sisällöstä. Osoite tunnistaa ainutlaatuisesti jokaisen sijainnin muistissa.

- Sisäänkäynti poistuminen

Tämän arkkitehtuurin avulla voit kaapata ajatuksen, että ihmisen on oltava vuorovaikutuksessa koneen kanssa syöttölaitteiden kautta.

- Linja -auto

Tietojen on viritettävä tietokoneen eri osien välillä. Von Neumann -arkkitehtuurin tietokoneella tiedot lähetetään laitteesta toiseen väylää pitkin, yhdistämällä kaikki CPU -yksiköt pääsuistiin.

Se voi palvella sinua: 50 suositeltua videopeliblogia

Osoiteväyläkuljetustietojen osoitteet, mutta ei tietoja prosessorin ja muistin välillä.

Tietoväylä kuljettaa tiedot prosessorin, muistin ja syöttölaitteiden välillä.

Kuinka von Neumann -arkkitehtuuri toimii?

Von Neumann -arkkitehtuurin asiaankuuluva periaate on, että muistiin sekä tiedot että ohjeet tallennetaan ja niitä käsitellään samalla tavalla, mikä tarkoittaa, että ohjeet ja tiedot ovat osoitteita.

Se toimii käyttämällä neljää yksinkertaista vaihetta: haku, dekoodaus, suorita, säilytä, nimeltään "koneykli".

Ohjeet saadaan prosessorilla muistista. Sitten suoritin dekooda ja suorittaa nämä ohjeet. Tulos tallennetaan uudelleen muistiin, kun ohjeiden suoritussykli on valmis.

Etsiä

Tässä vaiheessa ohjeet saadaan RAM -muistia ja asetetaan ne välimuistin muistiin niin, että ohjausyksikkö pääsee heihin.

Purkaa

Ohjausyksikkö dekoodaa ohjeet siten, että looginen aritmeettinen yksikkö ymmärtää ne ja lähettää ne sitten loogiseen aritmeettiseen yksikköön.

Suorittaa

Aritmeettinen logiikkayksikkö suorittaa ohjeet ja lähettää tuloksen uudelleen välimuistin muistiin.

Myymälä

Kun ohjelman kirjanpitäjä osoittaa lopettavan, lopputulos ladataan päämuistiin.

Pullonkaula

Jos von Neumann -kone haluaa suorittaa operaation muistitietojen kanssa, ne on siirrettävä väylän kautta suorittimeen. Laskennan jälkeen sinun on siirrettävä tulos muistiin saman väylän kautta.

Von Neumannin pullonkaula tapahtuu, kun muistista syötetyt tai poistetut tiedot vievät aikaa, kun nykyinen muistin toiminto on valmis.

Toisin sanoen, jos prosessori on juuri suorittanut laskelman ja on valmis suorittamaan seuraavan.

Tämä pullonkaula ajan myötä on pahentunut, koska mikroprosessorit ovat lisänneet nopeuttaan ja toisaalta muisti ei ole edennyt niin nopeasti.

Edut

- Ohjausyksikkö palauttaa tiedot ja ohjeet samalla tavalla muistista. Siksi ohjausyksikön suunnittelu ja kehittäminen yksinkertaistetaan, että se on halvempi ja nopeampi.

- Tulo-/lähtölaitteiden tiedot ja päämuisti palautetaan samalla tavalla.

Voi palvella sinua: Tietotekniikka

- Ohjelmoijat suorittavat muistin organisaation, jonka avulla voit käyttää kaikkia muistin kapasiteettia.

- Yhden muistilohkon käsittely on yksinkertaisempaa ja helpompaa saavuttaa.

- Mikrokontrollerisirun suunnittelu on paljon yksinkertaisempaa, koska yhteen muistiin pääsee. Tärkein asia mikrokontrollerissa on pääsy RAM -muistiin ja Von Neumann -arkkitehtuuriin sitä voidaan käyttää sekä tietojen tallentamiseen että ohjelmaohjeiden tallentamiseen.

Käyttöjärjestelmien kehittäminen

Tärkein etu, että sinulla on sama muisti ohjelmille ja datalle, on, että ohjelmat voidaan käsitellä ikään kuin ne olisivat tietoja. Toisin sanoen voit kirjoittaa ohjelmia, joiden tiedot ovat muita ohjelmia.

Ohjelma, jonka tiedot ovat toinen ohjelma, ei ole muuta kuin käyttöjärjestelmä. Itse asiassa, jos ohjelmia ja tietoja ei sallita samassa muistitilassa, kuten Von Neumann -arkkitehtuurin kanssa tapahtuu, käyttöjärjestelmiä ei olisi koskaan kehitetty.

Haitat

Vaikka edut ylittävät huomattavasti haitat, ongelmana on, että vain yksi väylä yhdistää muistin prosessoriin, joten voit saada vain ohjeen tai dataelementin samanaikaisesti.

Tämä tarkoittaa, että prosessorin on ehkä odotettava kauemmin tietojen tai ohjeiden saapumista. Tätä tunnetaan nimellä von Neumann Bottleneck. Koska prosessori on paljon nopeampi kuin dataväylä, tämä tarkoittaa, että se pysyy usein passiivisena.

- Ohjeiden peräkkäisen käsittelyn vuoksi ohjelman rinnakkaista toteutusta ei ole sallittua.

- Kun jaat muistia on riski, että toisen ohje on kirjoitettu ohjelman virheen vuoksi, aiheuttaen järjestelmän esteen.

- Jotkut vikojen ohjelmat eivät voi vapauttaa muistia, kun ne päättyvät siihen, mikä voi aiheuttaa tietokoneen esteen, koska muisti ei ole riittävä.

- Tiedot ja ohjeet jakavat saman dataväylän, vaikka nopeus, jolla jokaisen on palautettava, on yleensä hyvin erilainen.

Viitteet

1. Puolijohdetekniikka (2019). Von Neumann -arkkitehtuuri. Otettu: puolijalo.com
2. Scott Thornton (2018). Mitä eroa Von-Neumannin ja Harvardin arkkitehtuurien välillä? Mikrokontrollerin kärjet. Otettu: Mikrokontrollit.com.
3. Opeta ICT (2019). Von Neumann -kone. Otettu: Teach-Ict.com.
4. Tietotekniikka (2019). Von Neumann -arkkitehtuuri. Otettu: ComputerScience.Gcse.guru.
5. Opi se herra C: n kanssa (2019). Von Neumann -kone. Otettu: Learnithmrc.yhteistyö.Yhdistynyt kuningaskunta.
6. Solid State Media (2017). Kuinka tietokone toimii? Von Neumann -arkkitehtuuri. Otettu: SolkillSateblog.com.