Arkitektur von neumann opprinnelse, modell, hvordan det fungerer

De Von Neumann -arkitektur Det er en teoretisk design for en datamaskin å ha et internt lagret program, som fungerer som grunnlag for nesten alle datamaskiner som for øyeblikket er utført.

En Von Neumann -maskin består av en sentral prosesseringsenhet, som har inkludert en logisk aritmetisk enhet og en kontrollenhet, i tillegg et hovedminne, sekundær lagrings- og inngangs-/utgangsenheter.

Kilde: David Strigoi - eget arbeid, offentlig domene, Commons.Wikimedia.org

Denne arkitekturen forutsetter at hver beregning trekker ut dataene fra minnet, behandler dem og sender dem tilbake til minnet.

I en von Neumann -arkitektur brukes det samme minnet og den samme bussen til å lagre både dataene og instruksjonene som kjører et program.

[TOC]

Forbedring i arkitektur

Fordi du ikke kan få tilgang til minnet om dataene og programmet samtidig, er von Neumann -arkitekturen utsatt for flaskehalser og at datamaskinytelsen svekkes. Dette er det som er kjent som flaskehalsen til von Neumann, der kraft, ytelse og kostnad påvirkes.

En av endringene som ble gjort, involverte å vurdere datamengden som virkelig bør sendes til minnet og beløpet som kan lagres lokalt.

I stedet for å måtte sende alt til minne, kan flere hurtigbuffer og proxy -hurtigbuffer redusere dataflyt fra prosessorbrikker til forskjellige enheter.

Opprinnelse

I 1945, etter andre verdenskrig, reiste to forskere autonomt hvordan de skal bygge en mer formbar datamaskin. En av dem var matematikeren Alan Turing og den andre var forskeren av like talent John von Neumann.

Den britiske Alan Turing hadde vært involvert i å dechiffrere Enigma -koden i Bletchley Park, ved å bruke 'Coloso' -datamaskinen. På den annen side hadde den amerikanske John von Neumann jobbet med Manhattan -prosjektet for å bygge den første atombomben, som trengte mange manuelle beregninger.

Inntil den tid ble datamaskiner i krigstid "planlagt" mer eller mindre koble til hele maskinen for å kunne utføre en annen oppgave. For eksempel tok den første datamaskinen som heter ENIAC tre uker å koble seg på nytt for å foreta en annen beregning.

Det nye konseptet var at i et minne ikke bare dataene måtte lagres, men også programmet som behandlet at data skulle lagres i samme minne.

Denne arkitekturen med det internt lagrede programmet er ofte kjent som arkitektur 'von Neumann'.

Denne nye ideen betydde at en datamaskin med denne arkitekturen ville være mye lettere å omprogrammere. Faktisk ville programmet i seg selv være det samme som dataene.

Kan tjene deg: Industriell automatisering

Modell

Hovedfundamentet til Von Neumann -modellen er tanken om at programmet blir lagret internt i en maskin. I minneenheten er dataene og også programkoden. Arkitekturdesignet består av:

Kilde: av UserJaiMegalego - Denne filen stammer fra Von Neumann Architecture.SVG, CC BY-SA 3.0, Commons.Wikimedia.org

- Central Processing Unit (CPU)

Det er den digitale kretsen som er ansvarlig for å utføre instruksjonene til et program. Det kalles også prosessor. CPU inneholder ALU, kontrollenheten og et sett med poster.

Logisk aritmetisk enhet

Denne delen av arkitekturen er bare involvert i å utføre aritmetiske og logiske operasjoner om dataene.

De vanlige beregningene av å legge til, multiplisere, dele og trekke fra vil være tilgjengelige, men datasammenligninger som ',' mindre enn ',' lik 'vil også være tilgjengelig.

Kontrollenhet

Kontroller driften av ALU, minnet og inngangs-/utgangsenhetene til datamaskinen, og indikerer hvordan du skal handle i møte med instruksjonene til programmet som nettopp har lest fra minnet.

Kontrollenheten vil administrere prosessen med å flytte data og programmer fra og til minne. Den vil også håndtere utførelsen av programinstruksjonene, en om gangen eller sekvensielt. Dette inkluderer ideen om en post for å inneholde mellomverdier.

Poster

De er lagringsområder med høy hastighet på CPU. Alle data må lagres i et register før de kan behandles.

Minneadresser inneholder minneplasseringen for dataene de må nås. Minnedata -posten inneholder data overført til minnet.

- Hukommelse

Datamaskinen vil ha et minne som kan inneholde data, så vel som programmet som behandler disse dataene. I moderne datamaskiner er dette minnet RAM eller hovedminnet. Dette minnet er raskt og tilgjengelig direkte av CPU.

RAM er delt inn i celler. Hver celle består av en adresse og dens innhold. Adressen vil identifisere hvert sted i minnet unikt.

- Inngangsutgang

Denne arkitekturen lar deg fange ideen om at en person trenger å samhandle med maskinen, gjennom inngangsenhetene.

- Buss

Informasjonen må flyte mellom de forskjellige delene av datamaskinen. På en datamaskin med Von Neumann -arkitekturen overføres informasjonen fra en enhet til en annen langs en buss, og kobler alle CPU -enhetene til hovedminnet.

Det kan tjene deg: 50 anbefalte videospillblogger

Adressebussen transporterer dataadresser, men ikke dataene, mellom prosessoren og minnet.

Databussen transporterer dataene mellom prosessoren, minnet og inngangssalaid-enhetene.

Hvordan fungerer von neumann arkitektur?

Det relevante prinsippet om von Neumann -arkitektur er at både data og instruksjoner blir lagret i minnet, og de blir behandlet på samme måte, noe som betyr at instruksjoner og data er adresse.

Det fungerer ved å bruke fire enkle trinn: søk, avkode, utføre, lagre, kalt "maskinsyklus".

Instruksjonene oppnås av CPU fra minnet. CPU avkoder og utfører deretter disse instruksjonene. Resultatet lagres igjen i minnet etter at instruksjonene er fullført.

Se etter

I dette trinnet oppnås instruksjonene fra RAM og plasser dem i hurtigbufferminnet slik at kontrollenheten får tilgang til dem.

Dekode

Kontrollenheten avkoder instruksjonene på en slik måte at den logiske aritmetiske enheten kan forstå dem, og deretter sende dem til den logiske aritmetiske enheten.

Henrette

Den aritmetiske logiske enheten utfører instruksjonene og sender resultatet igjen til cache -minnet.

butikk

Når programmet regnskapsfører indikerer å stoppe, blir det endelige resultatet lastet ned til hovedminnet.

Flaskehals

Hvis en von Neumann -maskin ønsker å utføre en operasjon med minnedata, må disse overføres gjennom bussen til CPU. Etter beregning må du flytte resultatet til minnet gjennom samme buss.

Flaskehalsen til von Neumann oppstår når dataene som legges inn eller fjernet fra minnet, bør ta tid mens den nåværende minnedriften er fullført.

Det vil si hvis prosessoren nettopp har fullført en beregning og er klar til å utføre den neste.

Denne flaskehalsen over tid har blitt verre, fordi mikroprosessorer har økt hastigheten og på den annen side har minnet ikke avansert så raskt.

Fordeler

- Kontrollenheten gjenoppretter dataene og instruksjonene på samme måte fra minnet. Derfor er design og utvikling av kontrollenheten forenklet, og er billigere og raskere.

- Dataene til inngangs-/utgangsenhetene og hovedminnet blir gjenopprettet på samme måte.

Kan tjene deg: informatikk

- Organiseringen av minne utføres av programmerere, som lar deg bruke all minnekapasitet.

- Håndtere en enkelt minneblokk er enklere og enklere å oppnå.

- Mikrokontrollerbrikkeutformingen er mye enklere, siden ett minne vil være tilgjengelig. Det viktigste med mikrokontrolleren er tilgang til RAM og i Von Neumann -arkitekturen kan den brukes både til å lagre data og lagre programinstruksjoner.

Utvikling av operativsystemer

Den største fordelen med å ha samme minne for programmer og data er at programmene kan behandles som om de var data. Med andre ord, du kan skrive programmer hvis data er andre programmer.

Et program hvis data er et annet program er ikke annet enn et operativsystem. Faktisk, hvis programmene og dataene ikke var tillatt på samme minneplass, som det skjer med von Neumann -arkitekturen, ville operativsystemene aldri blitt utviklet.

Ulemper

Selv om fordelene langt overstiger ulempene, er problemet at det bare er en buss som kobler minnet med prosessoren, slik at du bare kan få en instruksjon eller et dataelement samtidig.

Dette betyr at prosessoren kanskje må vente lenger på at dataene eller instruksjonene kommer. Dette er kjent som von Neumann flaskehals. Ettersom CPU er mye raskere enn databussen, betyr dette at den ofte forblir inaktiv.

- På grunn av sekvensiell behandling av instruksjonene er ikke den parallelle implementeringen av programmet tillatt.

- Når du deler minnet er det en risiko for at en instruksjon på en annen er skrevet på grunn av en feil i programmet, noe som fører til at systemet blir blokkert.

- Noen programmer med feil kan ikke frigjøre minne når de ender med det, noe som kan føre til at datamaskinen blir blokkert fordi minnet er utilstrekkelig.

- Dataene og instruksjonene har samme databus.

Referanser

1. Semiconductor Engineering (2019). Von Neumann -arkitektur. Hentet fra: semiering.com
2. Scott Thornton (2018). Hva er forskjellen mellom Von-Neumann og Harvard-arkitekturer? Mikrokontroller -tips. Tatt fra: Mikrokontrollerte.com.
3. Teach IKT (2019). Von Neumann -maskinen. Hentet fra: lære-ict.com.
4. Computer Science (2019). Von Neumann -arkitektur. Hentet fra: Computerscience.GCSE.Guru.
5. Lær det med Mr C (2019). Von Neumann -maskinen. Hentet fra: learnithmrc.co.Storbritannia.
6. Solid State Media (2017). Hvordan fungerer datamaskinen? Von Neumann -arkitekturen. Tatt fra: Solidstateblog.com.