АРХИТЕКТУРА ФОН НЕЙМАНА: ПРОИСХОЖДЕНИЕ, МОДЕЛЬ, КАК РАБОТАЕТ - ТЕХНОЛОГИЯ - 2024

Архитектура фон Неймана - это теоретический проект, позволяющий хранить программу внутри компьютера, которая служит основой почти для всех компьютеров, которые производятся в настоящее время.

Машина фон Неймана состоит из центрального процессора, который включает в себя арифметико-логический блок и блок управления, а также основную память, вторичную память и устройства ввода / вывода.

Источник: Дэвид Стригой - собственная работа, общественное достояние, commons.wikimedia.org

Эта архитектура предполагает, что каждое вычисление извлекает данные из памяти, обрабатывает их, а затем отправляет обратно в память.

В архитектуре фон Неймана одна и та же память и одна и та же шина используются для хранения как данных, так и инструкций, выполняющих программу.

Улучшение архитектуры

Поскольку доступ к данным и программной памяти невозможен одновременно, архитектура фон Неймана склонна к возникновению узких мест и снижению производительности компьютера. Это то, что известно как «узкое место» фон Неймана, от которого зависят мощность, производительность и стоимость.

Одно из внесенных изменений касалось переосмысления того, сколько данных действительно нужно отправить в память, а сколько можно сохранить локально.

Таким образом, вместо того, чтобы отправлять все в память, несколько кешей и прокси-кешей могут уменьшить поток данных от микросхем процессора к различным устройствам.

происхождения

В 1945 году, после Второй мировой войны, двое ученых независимо друг от друга подняли вопрос о том, как создать более гибкий компьютер. Одним из них был математик Алан Тьюринг, а другим - не менее талантливый ученый Джон фон Нейман.

Британец Алан Тьюринг принимал участие во взломе кода Enigma в Блетчли-парке с помощью компьютера «Колосс». С другой стороны, американец Джон фон Нейман работал над Манхэттенским проектом по созданию первой атомной бомбы, который требовал большого количества ручных расчетов.

До этого компьютеры военного времени были более или менее «запрограммированы» путем переподключения всей машины для выполнения другой задачи. Например, первому компьютеру под названием ENIAC потребовалось три недели на повторное подключение для выполнения другого расчета.

Новая концепция заключалась в том, что в памяти должны храниться не только данные, но и программа, обрабатывающая эти данные, должна храниться в той же памяти.

Эта внутренне хранимая программная архитектура широко известна как архитектура фон Неймана.

Эта новая идея означала, что компьютер с такой архитектурой будет намного проще перепрограммировать. Действительно, сама программа будет обрабатываться так же, как и данные.

Модель

В основе модели фон Неймана лежит мысль о том, что программа хранится внутри машины. Блок памяти содержит данные, а также программный код. Архитектурный дизайн состоит из:

Источник: от UserJaimeGallego - этот файл является производным от Von Neumann Architecture.svg, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.org

- Центральный процессор (ЦП)

Это цифровая схема, которая отвечает за выполнение инструкций программы. Его еще называют процессором. ЦП содержит АЛУ, блок управления и набор регистров.

Логическая арифметическая единица

Эта часть архитектуры участвует только в выполнении арифметических и логических операций с данными.

Будут доступны обычные вычисления сложения, умножения, деления и вычитания, но также будут доступны сравнения данных, такие как «больше чем», «меньше чем», «равно».

Устройство управления

Он контролирует работу ALU компьютера, памяти и устройств ввода / вывода, инструктируя их, как действовать в соответствии с инструкциями в программе, которую вы только что прочитали из памяти.

Блок управления будет управлять процессом перемещения данных и программ в память и из памяти. Он также позаботится об исполнении программных инструкций, по одной или последовательно. Сюда входит идея регистра для хранения промежуточных значений.

документация

Это области высокоскоростной памяти на ЦП. Все данные должны храниться в регистре, прежде чем их можно будет обработать.

Регистр адреса памяти содержит местоположение данных, к которым необходимо получить доступ. Регистр данных памяти содержит данные, которые передаются в память.

- Объем памяти

У компьютера будет память, в которой могут храниться данные, а также программа, обрабатывающая эти данные. В современных компьютерах это оперативная или основная память. Эта память быстрая и доступна напрямую ЦП.

Оперативная память разделена на ячейки. Каждая ячейка состоит из адреса и его содержимого. Адрес будет однозначно идентифицировать каждое место в памяти.

- Вход-выход

Эта архитектура позволяет уловить идею о том, что человеку необходимо взаимодействовать с машиной через устройства ввода-вывода.

- Автобус

Информация должна перемещаться между различными частями компьютера. В компьютере с архитектурой фон Неймана информация передается от одного устройства к другому по шине, соединяя все блоки ЦП с основной памятью.

Адресная шина передает адреса данных, но не данных, между процессором и памятью.

Шина данных передает данные между процессором, памятью и устройствами ввода-вывода.

Как работает архитектура фон Неймана?

Соответствующий принцип архитектуры фон Неймана заключается в том, что и данные, и инструкции хранятся в памяти и обрабатываются одинаково, что означает, что инструкции и данные являются направленными.

Он работает, используя четыре простых шага: найти, декодировать, выполнить, сохранить, что называется «машинным циклом».

Инструкции берутся процессором из памяти. Затем ЦП декодирует и выполняет эти инструкции. Результат сохраняется в памяти после завершения цикла выполнения инструкции.

Ищи

На этом этапе инструкции берутся из ОЗУ и кэшируются для доступа блоку управления.

раскодировать

Блок управления декодирует инструкции таким образом, чтобы логический арифметический блок мог их понять, а затем отправляет их в логический арифметический блок.

Бегать

Арифметический логический блок выполняет инструкции и отправляет результат обратно в кэш.

На складе

Как только счетчик программы показывает остановку, окончательный результат загружается в основную память.

Узкое место

Если машина фон Неймана желает выполнить операцию с данными в памяти, они должны быть переданы по шине в ЦП. После выполнения расчета результат нужно перенести в память по той же шине.

Узкое место по фон Нейману возникает, когда данные, вводимые или удаляемые из памяти, должны задерживаться до завершения текущей операции с памятью.

То есть, если процессор только что завершил вычисление и готов выполнить следующее, он должен записать законченное вычисление, занимающее шину, в память, прежде чем он сможет извлечь новые данные из памяти, которые также используют ту же шину.

Это узкое место со временем усугублялось, потому что микропроцессоры увеличили свою скорость, а с другой стороны, память не развивалась так быстро.

преимущество

- Блок управления таким же образом извлекает данные и инструкции из памяти. Таким образом, конструкция и разработка блока управления упрощаются, становятся дешевле и быстрее.

- Данные с устройств ввода / вывода и из основной памяти извлекаются таким же образом.

- Организацией памяти занимаются программисты, что позволяет использовать весь объем памяти.

- Управлять одним блоком памяти проще и легче.

- Конструкция микросхемы микроконтроллера намного проще, так как будет доступна только одна память. Самое важное в микроконтроллере - это доступ к оперативной памяти, и в архитектуре фон Неймана он может использоваться как для хранения данных, так и для хранения программных инструкций.

Разработка операционных систем

Главное преимущество наличия одинаковой памяти для программ и данных состоит в том, что программы можно обрабатывать так, как если бы они были данными. Другими словами, вы можете писать программы, данными которых являются другие программы.

Программа, данные которой представляют собой другую программу, не более чем операционная система. Фактически, если бы программы и данные не были разрешены в одном и том же пространстве памяти, как в случае с архитектурой фон Неймана, операционные системы никогда не могли бы быть разработаны.

Недостатки

Хотя преимущества намного перевешивают недостатки, проблема заключается в том, что имеется только одна шина, соединяющая память с процессором, поэтому одновременно может быть выбрана только одна инструкция или элемент данных.

Это означает, что процессору, возможно, придется дольше ждать прибытия данных или инструкций. Это известно как узкое место фон Неймана. Поскольку ЦП намного быстрее шины данных, это означает, что он часто простаивает.

- Из-за последовательной обработки инструкций параллельное выполнение программы не допускается.

- При совместном использовании памяти существует риск того, что одна инструкция будет записана поверх другой из-за ошибки в программе, что приведет к сбою системы.

- Некоторые дефектные программы не могут освободить память после завершения работы, что может привести к зависанию компьютера из-за нехватки памяти.

- Данные и инструкции используют одну и ту же шину данных, хотя скорость, с которой каждая из них должна быть извлечена, обычно сильно различается.

Ссылки

1. Полупроводниковая техника (2019). Архитектура фон Неймана. Взято с: semiengineering.com
2. Скотт Торнтон (2018). В чем разница между архитектурой фон-Неймана и Гарварда? Советы по микроконтроллеру. Взято с: microcontrollertips.com.
3. Обучай ИКТ (2019). Машина фон Неймана. Взято с сайта: learn-ict.com.
4. Компьютерные науки (2019). Архитектура фон Неймана. Взято с сайта: computerscience.gcse.guru.
5. Изучите ИТ с г-ном С. (2019). Машина фон Неймана. Взято с сайта learnitwithmrc.co.uk.
6. Твердотельные носители (2017). Как работают компьютеры? Архитектура фон Неймана. Взято с: solidstateblog.com.