The von Neumannova architektura Jedná se o teoretický návrh, takže počítač může mít interně uložený program, který slouží jako základ pro téměř všechny počítače, které jsou aktuálně vyrobeny.
Stroj von Neumann se skládá z centrální procesorové jednotky, která zahrnuje aritmetickou logickou jednotku a řídicí jednotku, plus hlavní paměť, sekundární úložiště a vstupní / výstupní zařízení..
Tato architektura předpokládá, že každý výpočet extrahuje data z paměti, zpracovává je a poté je odesílá zpět do paměti..
V architektuře von Neumann se stejná paměť a stejná sběrnice používají k ukládání dat i pokynů, které provádějí program.
Rejstřík článků
Protože k datům a programové paměti nelze přistupovat současně, je architektura von Neumann náchylná k problémovým místům a oslabení výkonu počítače. Toto je známé jako úzké místo von Neumanna, kde je ovlivněna síla, výkon a náklady..
Jedna z provedených změn zahrnovala přehodnocení množství dat, které bylo skutečně potřeba odeslat do paměti, a množství, které bylo možné lokálně uložit.
Tímto způsobem může více mezipamětí a mezipaměti proxy namísto odesílání všeho do paměti snížit tok dat z procesorových čipů do různých zařízení..
V roce 1945, po druhé světové válce, dva vědci samostatně zvedli, jak postavit tvárnější počítač. Jedním z nich byl matematik Alan Turing a druhým stejně talentovaný vědec John Von Neumann.
Brit Alan Turing se podílel na prolomení kódu Enigma v Bletchley Parku pomocí počítače „Colossus“. Na druhou stranu Američan John Von Neumann pracoval na projektu Manhattan k výrobě první atomové bomby, což vyžadovalo mnoho ručních výpočtů..
Do té doby byly válečné počítače víceméně „naprogramovány“ opětovným připojením celého stroje za účelem provedení jiného úkolu. Například první počítač s názvem ENIAC trvalo tři týdny, než se znovu připojil, aby provedl jiný výpočet..
Nový koncept spočíval v tom, že v paměti musely být uložena nejen data, ale také program, který tato data zpracoval, by měl být uložen ve stejné paměti.
Tato interně uložená programová architektura je běžně známá jako architektura „Von Neumann“..
Tato nová myšlenka znamenala, že počítač s touto architekturou bude mnohem snazší přeprogramovat. Samotný program by byl skutečně zpracován stejně jako data.
Hlavním základem modelu Von Neumann je myšlenka, že program je uložen interně ve stroji. Paměťová jednotka obsahuje data a také programový kód. Návrh architektury se skládá z:
Je to digitální obvod, který je odpovědný za provádění pokynů programu. Také se tomu říká procesor. CPU obsahuje ALU, řídicí jednotku a sadu registrů.
Tato část architektury se podílí pouze na provádění aritmetických a logických operací s daty..
K dispozici budou obvyklé výpočty sčítání, násobení, dělení a odčítání, ale k dispozici bude také porovnání dat jako „větší než“, „menší než“, „rovno“.
Řídí činnost ALU počítače, paměti a vstupních / výstupních zařízení a instruuje je, jak mají jednat podle pokynů programu, který jste právě načetli z paměti.
Řídicí jednotka bude řídit proces přesunu dat a programů do az paměti. Rovněž se postará o provádění pokynů programu, jeden po druhém nebo postupně. To zahrnuje myšlenku registru, který bude uchovávat mezilehlé hodnoty.
Jedná se o vysokorychlostní úložiště na CPU. Všechna data musí být před zpracováním uložena v registru.
Registr adres paměti obsahuje umístění paměti dat, která mají být zpřístupněna. Registr dat paměti obsahuje data, která jsou přenesena do paměti.
Počítač bude mít paměť, která může obsahovat data, a také program, který tato data zpracovává. V moderních počítačích je touto pamětí RAM nebo hlavní paměť. Tato paměť je rychlá a přístupná přímo CPU.
RAM je rozdělena do buněk. Každá buňka se skládá z adresy a jejího obsahu. Adresa jednoznačně identifikuje každé místo v paměti.
Tato architektura umožňuje zachytit myšlenku, kterou člověk potřebuje k interakci se strojem, prostřednictvím vstupně-výstupních zařízení.
Informace musí proudit mezi různými částmi počítače. V počítači s architekturou von Neumann se informace přenášejí z jednoho zařízení na druhé po sběrnici a spojují všechny jednotky CPU s hlavní pamětí..
Sběrnice adres nese adresy dat, ale ne dat, mezi procesorem a pamětí.
Datová sběrnice přenáší data mezi procesorem, pamětí a vstupně-výstupními zařízeními.
Relevantní princip von Neumannovy architektury spočívá v tom, že data i instrukce jsou uloženy v paměti a je s nimi zacházeno stejně, což znamená, že instrukce a data jsou směrové..
Funguje pomocí čtyř jednoduchých kroků: vyhledávání, dekódování, spouštění, ukládání, tzv. „Strojový cyklus“.
Pokyny získává CPU z paměti. CPU poté tyto pokyny dekóduje a provede. Výsledek se po dokončení cyklu provádění pokynů uloží zpět do paměti..
V tomto kroku jsou pokyny získány z paměti RAM a umístěny do mezipaměti pro přístup k nim řídicí jednotce..
Řídicí jednotka dekóduje instrukce tak, aby jim logická aritmetická jednotka mohla rozumět, a poté je odešle do logické aritmetické jednotky.
Aritmetická logická jednotka provede pokyny a odešle výsledek zpět do mezipaměti.
Jakmile počítadlo programu indikuje zastavení, konečný výsledek se stáhne do hlavní paměti.
Pokud chce stroj von Neumann provést operaci s daty v paměti, musí být přenesen po sběrnici do CPU. Po provedení výpočtu musíte přesunout výsledek do paměti stejnou sběrnicí.
Úzké místo Von Neumann nastane, když musí docházet k zadávání nebo odebírání dat z paměti, zatímco je aktuální operace paměti dokončena..
To znamená, že pokud procesor právě dokončil výpočet a je připraven provést další, musí zapsat dokončený výpočet, který zabírá sběrnici, do paměti, než bude schopen načíst nová data z paměti, která také používají stejné autobus..
Toto úzké místo se postupem času zhoršovalo, protože mikroprocesory zvýšily svou rychlost a na druhé straně paměť nepokročila tak rychle.
- Řídicí jednotka načítá data a pokyny stejným způsobem z paměti. Proto je návrh a vývoj řídicí jednotky zjednodušený, levnější a rychlejší..
- Data ze vstupních / výstupních zařízení a hlavní paměti se načítají stejným způsobem.
- Organizaci paměti provádějí programátoři, což umožňuje využití plné kapacity paměti.
- Správa jednoho bloku paměti je jednodušší a snáze dosažitelná.
- Návrh čipu mikrokontroléru je mnohem jednodušší, protože bude přístupná pouze jedna paměť. Nejdůležitější věcí na mikrokontroléru je přístup k RAM a v architektuře von Neumann to lze použít jak k ukládání dat, tak k ukládání programových instrukcí..
Hlavní výhodou stejné paměti pro programy a data je, že programy lze zpracovávat, jako by to byla data. Jinými slovy, můžete psát programy, jejichž daty jsou jiné programy.
Program, jehož data jsou jiným programem, není nic jiného než operační systém. Ve skutečnosti, kdyby nebyly povoleny programy a data ve stejném paměťovém prostoru, jako je tomu u architektury von Neumann, operační systémy by nikdy nemohly být vyvinuty.
Ačkoli výhody daleko převažují nad nevýhodami, problém spočívá v tom, že existuje pouze jedna sběrnice spojující paměť s procesorem, takže lze načíst pouze jednu instrukci nebo jednu datovou položku najednou.
To znamená, že procesor bude možná muset čekat déle, než dorazí data nebo pokyny. Toto je známé jako úzké místo von Neumann. Protože CPU je mnohem rychlejší než datová sběrnice, znamená to, že často zůstává nečinný.
- Z důvodu postupného zpracování pokynů není paralelní implementace programu povolena.
- Sdílením paměti existuje riziko, že jedna instrukce bude zapsána přes jinou kvůli chybě v programu, která způsobí selhání systému..
- Některé vadné programy nejsou schopny uvolnit paměť, když jsou s ní hotové, což by mohlo způsobit zablokování počítače kvůli nedostatku paměti.
- Data a pokyny sdílejí stejnou datovou sběrnici, i když rychlost, kterou je třeba každý načíst, je často velmi odlišná..
Zatím žádné komentáře