АРХІТЕКТУРА ФОН НОЙМАНА: ПОХОДЖЕННЯ, МОДЕЛЬ, ЯК ЦЕ ПРАЦЮЄ - ТЕХНОЛОГІЯ - 2025

Архітектура фон Неймана - це теоретична конструкція, щоб комп'ютер міг мати програму, що зберігається всередині, слугуючи основою майже для всіх комп'ютерів, які наразі створені.

Машина фон Неймана складається з центрального блоку обробки, який включає в себе арифметичний логічний блок і блок управління, а також основну пам'ять, вторинне сховище та пристрої введення / виведення.

Джерело: David strigoi - Власна робота, Public Domain, commons.wikimedia.org

Ця архітектура передбачає, що кожне обчислення витягує дані з пам'яті, обробляє їх, а потім відправляє їх назад у пам'ять.

В архітектурі фон Неймана однакова пам'ять і однакова шина використовуються для зберігання даних і інструкцій, що виконують програму.

Вдосконалення архітектури

Оскільки одночасно не можна отримати доступ до даних та пам'яті програми, архітектура фон Неймана схильна до вузьких місць та ослаблення продуктивності комп'ютера. Це те, що відомо як вузьке місце фон Неймана, на яке впливають потужність, продуктивність та вартість.

Одна з внесених змін полягала в переосмисленні того, скільки даних насправді потрібно відправити в пам'ять і скільки можна зберігати локально.

Таким чином, замість того, щоб надсилати все в пам'ять, кілька кешів і кеш-серверів проксі можуть зменшити потік даних з процесорних мікросхем на різні пристрої.

Походження

У 1945 році, після Другої світової війни, двоє вчених самостійно підняли, як створити більш податливий комп'ютер. Одним з них був математик Алан Тьюрінг, а другим - не менш талановитий учений Джон Фон Нойман.

Британець Алан Тьюрінг брав участь у розбитті коду Enigma в Bletchley Park, використовуючи комп'ютер "Colossus". З іншого боку, американець Джон Фон Нойман працював над проектом на Манхеттені, щоб створити першу атомну бомбу, яка вимагала великих ручних розрахунків.

До цього комп'ютери воєнного часу були більш-менш "запрограмовані" шляхом підключення всієї машини для виконання іншого завдання. Наприклад, першому комп'ютеру під назвою ENIAC знадобилося три тижні, щоб знову підключитися, щоб зробити інший розрахунок.

Нова концепція полягала в тому, що в пам'яті повинні були зберігатися не тільки дані, але й програма, яка обробляла ці дані, повинна зберігатися в одній пам'яті.

Ця архітектура програм, що зберігається, широко відома як архітектура Von Neumann.

Ця нова ідея означала, що комп’ютер із цією архітектурою буде набагато простіше перепрограмувати. Дійсно, сама програма поводилася б так само, як і дані.

Модель

Основним фундаментом моделі Фон Неймана є думка про те, що програма зберігається всередині машини. Блок пам'яті містить дані, а також код програми. Дизайн архітектури складається з:

Джерело: Від UserJaimeGallego - Цей файл походить від Von Neumann Architecture.svg, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.org

- Центральний процесор (CPU)

Саме цифровий контур відповідає за виконання вказівок програми. Його ще називають процесором. Процесор містить ALU, блок управління та набір регістрів.

Логічна арифметична одиниця

Ця частина архітектури бере участь лише у виконанні арифметичних та логічних операцій над даними.

Звичайні обчислення додавання, множення, ділення та віднімання будуть доступними, але також будуть доступні порівняння даних, наприклад "більше, ніж", "менше", "рівне".

Пристрій управління

Він контролює роботу АЛУ, пам’яті комп'ютера та пристроїв введення / виведення, вказуючи їм, як діяти за інструкціями програми, яку ви тільки що прочитали з пам'яті.

Блок управління керуватиме процесом переміщення даних та програм у пам'ять та з неї. Він також подбає про виконання інструкцій програми, по одному або послідовно. Сюди входить ідея реєстру для зберігання проміжних значень.

Записи

Вони є швидкісними зонами зберігання процесора. Усі дані повинні зберігатися в реєстрі, перш ніж вони можуть бути оброблені.

Реєстр адрес пам'яті містить місце в пам'яті даних, до яких слід отримати доступ. Реєстр даних пам'яті містить дані, які передаються в пам'ять.

- Пам'ять

Комп'ютер матиме пам'ять, яка може зберігати дані, а також програма, яка обробляє ці дані. У сучасних комп’ютерах ця пам'ять є оперативною пам'яттю або основною пам'яттю. Ця пам'ять є швидкою і доступною безпосередньо CPU.

Оперативна пам’ять ділиться на комірки. Кожна комірка складається з адреси та її вмісту. Адреса однозначно ідентифікує кожне місце в пам'яті.

- Вхідний вихід

Ця архітектура дозволяє зафіксувати думку про необхідність взаємодії людини з машиною через пристрої введення-виведення.

- Автобус

Інформація повинна протікати між різними частинами комп'ютера. У комп'ютері з архітектурою фон Неймана інформація передається з одного пристрою на інший по шині, з'єднуючи всі процесорні блоки до основної пам'яті.

Адресна шина несе адреси даних, але не даних, між процесором і пам'яттю.

Шина даних несе дані між процесором, пам'яттю та пристроями вводу-виводу.

Як працює архітектура фон Неймана?

Відповідний принцип архітектури фон Неймана полягає в тому, що і дані, і вказівки зберігаються в пам'яті і обробляються однаковими, а це означає, що інструкції та дані спрямовані.

Він працює за допомогою чотирьох простих кроків: знайти, декодувати, виконати, зберегти, званий "машинним циклом".

Інструкції отримує ЦП з пам'яті. Потім процесор декодує та виконує ці вказівки. Результат зберігається в пам'яті після завершення циклу виконання інструкцій.

Шукати

На цьому етапі отримуються інструкції з оперативної пам'яті та кешовані для доступу керуючим блоком.

Розшифруйте

Блок управління декодує інструкції таким чином, що логічна арифметична одиниця може їх зрозуміти, а потім надсилає їх до логічної арифметичної одиниці.

Біжи

Арифметична логічна одиниця виконує вказівки і повертає результат назад в кеш.

На склад

Як тільки лічильник програм вказує на зупинку, остаточний результат завантажується в основну пам'ять.

Плямочка

Якщо машина Von Neumann бажає виконати операцію з даними в пам'яті, вона повинна бути передана через шину до процесора. Після виконання обчислення результат потрібно перемістити в пам'ять за допомогою тієї ж шини.

Вузьке місце Фон Ноймана виникає, коли дані, що вводяться або вилучаються з пам'яті, повинні затримуватися, поки завершується поточна операція пам'яті.

Тобто, якщо процесор щойно завершив обчислення і готовий виконати наступний, він повинен записати готовий обчислення, який займає шину, в пам'ять, перш ніж він зможе отримати нові дані з пам'яті, які також використовують ту саму шину.

Це вузьке місце з часом погіршувалося, оскільки мікропроцесори збільшили свою швидкість, а з іншого боку, пам'ять не просунулася так швидко.

Перевага

- Блок управління аналогічно отримує дані та інструкції з пам'яті. Тому конструкція та розробка блоку управління спрощуються, дешевше і швидше.

- Дані з пристроїв вводу / виводу та основної пам'яті отримують однаково.

- Організацію пам'яті здійснюють програмісти, що дозволяє використовувати всю ємність пам'яті.

- Управління одним блоком пам'яті простіше і легше досягти.

- Конструкція мікроконтролерного чіпа набагато простіша, оскільки доступ до нього буде доступний лише один. Найважливіше в мікроконтролері - це доступ до оперативної пам’яті, і в архітектурі фон Неймана це можна використовувати як для зберігання даних, так і для зберігання програмних інструкцій.

Розробка операційних систем

Основна перевага наявності однакової пам’яті для програм і даних полягає в тому, що програми можуть оброблятися так, ніби вони були даними. Іншими словами, ви можете писати програми, дані яких є іншими програмами.

Програма, дані якої є іншою програмою, є не що інше, як операційна система. Насправді, якби програми та дані не були дозволені в одному просторі пам’яті, як це було в архітектурі фон Неймана, операційні системи ніколи не могли б бути розроблені.

Недоліки

Хоча переваги значно переважають недоліки, проблема полягає в тому, що є лише одна шина, що з'єднує пам'ять з процесором, тому одночасно можна отримати лише одну інструкцію або один елемент даних.

Це означає, що процесору, можливо, доведеться довше чекати, коли дані чи інструкції надійдуть. Це відомо як вузьке місце фон Неймана. Оскільки процесор набагато швидший, ніж шина даних, це означає, що він часто не працює.

- Через послідовну обробку інструкцій паралельна реалізація програми не допускається.

- Обмінюючись пам’яттю, існує ризик того, що одна інструкція буде написана над іншою через помилку в програмі, внаслідок чого система вийде з ладу.

- Деякі несправні програми не можуть звільнити пам’ять, коли вони зроблені з нею, що може призвести до замерзання комп'ютера через недостатню кількість пам'яті.

- Дані та вказівки мають однакову шину даних, хоча швидкість, з якою потрібно отримати кожну, зазвичай дуже різна.

Список літератури

1. Напівпровідникова техніка (2019). Фон Нойман Архітектура. Взято з: semiengineering.com
2. Скотт Торнтон (2018). Яка різниця між архітектурами Фон-Ноймана та Гарварду? Поради щодо мікроконтролерів. Взято з: microcontrollertips.com.
3. Навчити ІКТ (2019). Машина Фон Ноймана. Взято з: learn-ict.com.
4. Інформатика (2019). Фон Нойман Архітектура. Взято з: computerscience.gcse.guru.
5. Вивчіть ІТ з містером C (2019). Машина Фон Ноймана. Взято з: learnitwithmrc.co.uk.
6. Тверді засоби масової інформації (2017). Як працюють комп’ютери? Архітектура Фон Ноймана. Взято з: solidstateblog.com.