ВОН НЕУМАНН АРХИТЕКТУРА: ПОРЕКЛО, МОДЕЛ, КАКО ТО ФУНКЦИОНИШЕ - ТЕХНОЛОГИЈА - 2025

Фон Нојман архитектура је теоријски дизајн тако да рачунар може да програм чувају интерно, служи као основа за скоро све рачунаре који су тренутно направили.

Фон Неуманнова машина састоји се од централне процесне јединице која укључује аритметичку логичку јединицу и контролну јединицу, плус главну меморију, секундарно складиште и улазно / излазне уређаје.

Извор: Давид стригои - Властити рад, Публиц Домаин, цоммонс.викимедиа.орг

Ова архитектура претпоставља да свако израчунавање извлачи податке из меморије, обрађује их и затим враћа назад у меморију.

У вон Неуманновој архитектури иста меморија и иста магистрала користе се за чување података и упутстава која извршавају програм.

Унапређење архитектуре

Будући да подацима и програмској меморији није могуће приступити истовремено, вон Неуманнова архитектура склона је уским грлима и слабљењу перформанси рачунара. То је оно што је познато као уско грло вон Неуманна, на које утичу снага, перформансе и трошкови.

Једна од извршених промена укључивала је преиспитивање колико података заправо треба да се пошаљу у меморију и колико се може локално складиштити.

На тај начин, уместо да све шаљете у меморију, више предмеморија и проширивих предмеморија може смањити проток података из процесорских чипова на различите уређаје.

Порекло

1945. године, после Другог светског рата, два научника самостално су подигла како да изграде рачунар који је крвавији. Један од њих био је математичар Алан Туринг, а други једнако талентовани научник Јохн Вон Неуманн.

Британац Алан Туринг био је укључен у пробијање Енигма кода у Блетцхлеи Парку, користећи рачунар 'Цолоссус'. С друге стране, Американац Јохн Вон Неуманн радио је на Манхаттан Пројецт-у на изградњи прве атомске бомбе, за шта је било потребно много ручних прорачуна.

До тада, ратни рачунари су мање или више "програмирани" поновним повезивањем читаве машине како би извршили другачији задатак. На пример, првом рачунару званом ЕНИАЦ требало је три недеље да се поново повеже да би направио другачији прорачун.

Нови концепт се састојао у томе што у меморију нису морали да се похрањују само подаци, већ и програм који је те податке обрађивао треба да буду смештени у истој меморији.

Ова интерно похрањена програмска архитектура обично је позната и као 'Вон Неуманн' архитектура.

Ова нова идеја значила је да би рачунар са овом архитектуром било много лакше репрограмирати. Заиста би се и сам програм третирао на исти начин као и према подацима.

Модел

Главни темељ модела Вон Неуманн је мисао да се програм интерно чува у машини. Меморијска јединица садржи податке, као и програмски код. Дизајн архитектуре састоји се од:

Извор: Фром УсерЈаимеГаллего - Ова датотека је изведена из Вон Неуманн Арцхитецтуре.свг, ЦЦ БИ-СА 3.0, цоммонс.викимедиа.орг

- Централна процесна јединица (ЦПУ)

Дигитално коло је одговорно за извршавање упутстава програма. Назива се и процесор. ЦПУ садржи АЛУ, контролну јединицу и скуп регистара.

Логичка аритметичка јединица

Овај део архитектуре је укључен само у обављање аритметичких и логичких операција на подацима.

Биће доступни уобичајени прорачуни сабирања, множења, дељења и одузимања, али ће бити доступне и поређења података као што су „веће од“, „мање од“, „једнако“.

Контролна јединица

Управља радом АЛУ, меморије рачунара и улазно / излазним уређајима рачунара, упућујући их како да поступају према упутствима у програму који сте управо прочитали из меморије.

Управљачка јединица ће управљати процесом преноса података и програма у меморију и из ње. Такође ће водити рачуна о извршавању упутстава програма, појединачно или узастопно. Ово укључује идеју регистра да се држе интермедијарне вредности.

Рецордс

То су складишни простори велике брзине на ЦПУ-у. Сви подаци морају се чувати у регистру пре него што се могу обрађивати.

Регистар меморијске адресе садржи меморијску локацију података којима се приступа. Регистар података о меморији садржи податке који се преносе у меморију.

- Меморија

Рачунар ће имати меморију која може да држи податке, као и програм који те податке обрађује. У савременим рачунарима ова меморија је РАМ-а или главна меморија. Ова меморија је брза и доступна директно од стране процесора.

РАМ је подељен на ћелије. Свака ћелија састоји се од адресе и њеног садржаја. Адреса ће јединствено идентификовати сваку локацију у меморији.

- Улазни излаз

Ова архитектура омогућава да се ухвати идеја која је човеку потребна за интеракцију са машином, путем уређаја за улаз-излаз.

- Аутобус

Информације морају да лете између различитих делова рачунара. У рачунару са вон Неуманн архитектуром информације се преносе са једног уређаја на други дуж сабирнице, повезујући све ЦПУ јединице са главном меморијом.

Сабирница адреса носи адресе података, али не и податке, између процесора и меморије.

Сабирница података преноси податке између процесора, меморије и уређаја за улаз и излаз.

Како функционише архитектура вон Неуманна?

Релевантан принцип вон Неуманнове архитектуре је да су и подаци и упутства похрањени у меморији и третирани на исти начин, што значи да су упутства и подаци усмерени.

Дјелује помоћу четири једноставна корака: пронађите, декодирате, извршите, спремите под називом "Машински циклус".

Упуте добија ЦПУ из меморије. ЦПУ затим декодира и извршава ова упутства. Резултат се чува у меморији након што се заврши циклус извођења инструкције.

Тражити

У овом кораку се добијају упуте из РАМ-а и спремају се за приступ контролној јединици.

Дешифрирајте

Управљачка јединица декодира упутства на начин да их логичка аритметичка јединица може разумети, а затим их шаље у јединицу логичке аритметике.

Трцати

Аритметичка логичка јединица извршава упутства и шаље резултат назад у кеш меморију.

На лагеру

Након што бројач програма означи заустављање, коначни резултат преузима се у главну меморију.

Уско грло

Ако Вон Неуманн машина жели извршити операцију са подацима у меморији, мора се пренијети преко сабирнице на ЦПУ. Након извршења израчуна, резултат треба преместити у меморију преко исте сабирнице.

Уско грло Вон Неуманна настаје када подаци који се уносе или уклањају из меморије морају задржати се док се тренутна операција меморије заврши.

Односно, ако је процесор управо завршио израчунавање и спреман је да изврши следећи, он мора уписати готов израчун, који заузима магистралу, у меморију пре него што може да преузме нове податке из меморије, која такође користи исту магистралу.

Ово уско грло постаје с временом све горе јер су микропроцесори повећали брзину, а са друге стране меморија није тако брзо напредовала.

Предност

- Управљачка јединица на исти начин преузима податке и упутства из меморије. Стога је дизајн и развој управљачке јединице поједностављен, јефтинији и бржи.

- Подаци из улазно / излазних уређаја и главне меморије се преузимају на исти начин.

- Организацију меморије обављају програмери, што омогућава коришћење свих меморијских капацитета.

- Управљање једним меморијским блоком је једноставније и лакше постићи.

- Дизајн чипа микроконтролера је много једноставнији, јер ће се приступати само једној меморији. Најважнија ствар микроконтролера је приступ РАМ-у, а у архитектури вон Неуманна то се може користити и за чување података и за складиштење програмских упутстава.

Развој оперативних система

Главна предност постојања исте меморије за програме и податке је та што се програми могу обрадити као да су подаци. Другим речима, можете писати програме чији су подаци други програми.

Програм чији су подаци други програм није ништа друго доли оперативни систем. У ствари, да програми и подаци нису дозвољени у истом меморијском простору, као што је то случај са вон Неуманн архитектуром, оперативни системи се никад не би могли развити.

Недостаци

Иако предности далеко превазилазе недостатке, проблем је што постоји само једна магистрала која повезује меморију са процесором, тако да се истовремено може преузети само једна инструкција или податак са подацима.

То значи да ће процесор можда морати дуже да чека да стигну подаци или упутства. То је познато као уско грло вон Неуманна. Како је ЦПУ много бржи од сабирнице података, то значи да често ради у празном ходу.

- Услед секвенцијалне обраде упутстава, паралелна примена програма није дозвољена.

- Дељењем меморије постоји ризик да ће једна наредба бити написана преко друге због грешке у програму, због чега ће се систем рушити.

- Неки неисправни програми не могу да ослободе меморију када се заврше с њом, што може да проузрокује замрзавање рачунара због недовољне меморије.

- Подаци и упутства дијеле исту сабирницу података, мада је брзина којом се мора дохватити обично врло различита.

Референце

1. Семицондуцтор Енгинееринг (2019). Вон Неуманн Арцхитецтуре. Преузето са: семиенгинееринг.цом
2. Сцотт Тхорнтон (2018). Каква је разлика између архитектуре Вон-Неуманн и Харвард? Савети за микроконтролере. Преузето са: мицроцонтроллертипс.цом.
3. Теацх ИЦТ (2019). Машина Вон Неуманн. Преузето са: леарн-ицт.цом.
4. Информатика (2019). Вон Неуманн Арцхитецтуре. Преузето са: цомпутерсциенце.гцсе.гуру.
5. Научите ИТ са г. Ц (2019). Машина Вон Неуманн. Преузето из: леарнитвитхмрц.цо.ук.
6. Солид Стате Медиа (2017). Како раде рачунари? Вон Неуманн архитектура. Преузето са: солидстатеблог.цом.