SENIBINA VON NEUMANN: ASAL, MODEL, CARA IA BERFUNGSI - TEKNOLOGI - 2025

The senibina von Neumann adalah reka bentuk teori supaya komputer boleh mempunyai program yang disimpan secara dalaman, berkhidmat sebagai asas untuk hampir semua komputer yang sedang dibuat.

Mesin von Neumann terdiri daripada unit pemprosesan pusat, yang merangkumi unit logik aritmetik dan unit kawalan, serta memori utama, penyimpanan sekunder, dan peranti input / output.

Sumber: David strigoi - Karya sendiri, Domain Awam, commons.wikimedia.org

Senibina ini menganggap bahawa setiap pengiraan mengekstrak data dari memori, memprosesnya, dan kemudian mengirimkannya kembali ke memori.

Dalam seni bina von Neumann, memori yang sama dan bas yang sama digunakan untuk menyimpan kedua-dua data dan arahan yang menjalankan program.

Peningkatan seni bina

Oleh kerana memori data dan program tidak dapat diakses pada masa yang sama, seni bina von Neumann rentan terhadap kemacetan dan melemahkan prestasi komputer. Inilah yang dikenali sebagai kemacetan von Neumann, di mana kuasa, prestasi dan kos terjejas.

Salah satu perubahan yang dilakukan melibatkan memikirkan kembali berapa banyak data yang sebenarnya perlu dikirim ke memori dan berapa banyak yang dapat disimpan di dalam negara.

Dengan cara ini, bukannya perlu menghantar semuanya ke memori, banyak cache dan cache proksi dapat mengurangkan aliran data dari cip pemproses ke peranti yang berbeza.

Asal

Pada tahun 1945, setelah Perang Dunia II, dua saintis secara bebas mengemukakan cara membina komputer yang lebih mudah dibentuk. Salah satunya ialah ahli matematik Alan Turing dan yang lain adalah saintis John Von Neumann yang sama berbakatnya.

British Alan Turing telah terlibat dalam memecahkan kod Enigma di Bletchley Park, menggunakan komputer 'Colossus'. Sebaliknya, John John Von Neumann dari Amerika telah mengerjakan Projek Manhattan untuk membina bom atom pertama, yang memerlukan banyak pengiraan manual.

Sehingga itu, komputer masa perang lebih kurang "diprogramkan" dengan menyambungkan kembali seluruh mesin untuk menjalankan tugas yang berbeza. Sebagai contoh, komputer pertama yang dipanggil ENIAC mengambil masa tiga minggu untuk menyambung semula untuk melakukan pengiraan yang berbeza.

Konsep baru terdiri dari dalam memori tidak hanya data harus disimpan, tetapi juga program yang memproses data tersebut harus disimpan dalam memori yang sama.

Senibina program yang disimpan secara dalaman ini biasanya dikenali sebagai seni bina 'Von Neumann'.

Idea novel ini bermaksud bahawa komputer dengan seni bina ini akan lebih mudah diprogram ulang. Memang, program itu sendiri akan diperlakukan sama seperti data.

Model

Asas utama model Von Neumann adalah pemikiran bahawa program ini disimpan secara dalaman dalam mesin. Unit memori mengandungi data dan juga kod program. Reka bentuk seni bina terdiri daripada:

Sumber: Dari UserJaimeGallego - Fail ini berasal dari Von Neumann Architecture.svg, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.org

- Unit Pemprosesan Pusat (CPU)

Litar digital inilah yang bertanggungjawab melaksanakan arahan program. Ia juga dipanggil pemproses. CPU mengandungi ALU, unit kawalan, dan satu set daftar.

Unit aritmetik logik

Bahagian seni bina ini hanya terlibat dalam melakukan operasi aritmetik dan logik pada data.

Pengiraan biasa untuk menambah, mengalikan, membahagi dan mengurangkan akan tersedia, tetapi perbandingan data seperti 'lebih besar dari', 'kurang dari', 'sama dengan' juga akan tersedia.

Unit Kawalan

Ini mengawal operasi ALU komputer, memori, dan input / output peranti, memerintahkan mereka untuk bertindak berdasarkan arahan dalam program yang baru anda baca dari memori.

Unit kawalan akan menguruskan proses memindahkan data dan program ke dan dari memori. Ini juga akan menjaga pelaksanaan program, satu per satu atau secara berurutan. Ini merangkumi idea daftar untuk menyimpan nilai perantaraan.

Rekod

Mereka adalah kawasan penyimpanan berkelajuan tinggi pada CPU. Semua data mesti disimpan dalam daftar sebelum dapat diproses.

Daftar alamat memori mengandungi lokasi memori data yang akan diakses. Daftar data memori mengandungi data yang dipindahkan ke memori.

- Ingatan

Komputer akan mempunyai memori yang dapat menyimpan data, serta program yang memproses data tersebut. Dalam komputer moden memori ini adalah RAM atau memori utama. Memori ini cepat dan dapat diakses secara langsung oleh CPU.

RAM dibahagikan kepada sel. Setiap sel terdiri daripada alamat dan kandungannya. Alamat akan mengenal pasti setiap lokasi dalam memori secara unik.

- Pintu keluar masuk

Senibina ini memungkinkan untuk menangkap idea bahawa seseorang perlu berinteraksi dengan mesin, melalui peranti input-output.

- Bas

Maklumat mesti mengalir di antara pelbagai bahagian komputer. Dalam komputer dengan seni bina von Neumann, maklumat dihantar dari satu peranti ke peranti lain di sepanjang bas, menghubungkan semua unit CPU ke memori utama.

Bus alamat membawa alamat data, tetapi bukan data, antara pemproses dan memori.

Bus data membawa data antara pemproses, memori, dan peranti input-output.

Bagaimana seni bina von Neumann berfungsi?

Prinsip yang relevan dari seni bina von Neumann adalah bahawa kedua-dua data dan arahan disimpan dalam memori dan diperlakukan sama, yang bermaksud bahawa arahan dan data adalah arah.

Ia berfungsi menggunakan empat langkah mudah: cari, nyahkod, laksanakan, simpan, yang disebut "Kitaran Mesin."

Arahan diperoleh oleh CPU dari memori. CPU kemudian menyahkod dan melaksanakan arahan ini. Hasilnya disimpan kembali dalam memori setelah kitaran pelaksanaan arahan selesai.

Carian untuk

Dalam langkah ini arahan diperoleh dari RAM dan dicache untuk diakses oleh unit kawalan.

Nyahkodkan

Unit kawalan menyahkod arahan sedemikian rupa sehingga unit aritmetik logik dapat memahaminya, dan kemudian menghantarnya ke unit aritmetik logik.

Lari

Unit logik aritmetik melaksanakan arahan dan menghantar hasilnya kembali ke cache.

Untuk simpanan

Sebaik sahaja kaunter program menunjukkan berhenti, hasil akhir dimuat ke memori utama.

Penutup

Sekiranya mesin Von Neumann ingin melakukan operasi dengan data dalam memori, ia harus dipindahkan melalui bus ke CPU. Setelah melakukan pengiraan, hasilnya perlu dipindahkan ke memori melalui bas yang sama.

Hambatan Von Neumann berlaku apabila data yang dimasukkan atau dikeluarkan dari memori mesti berlarutan semasa operasi memori semasa selesai.

Maksudnya, jika pemproses baru menyelesaikan pengiraan dan siap untuk melakukan yang berikutnya, ia harus menulis pengiraan selesai, yang menempati bas, ke dalam memori sebelum dapat mengambil data baru dari memori, yang juga menggunakan bus yang sama.

Halangan ini semakin teruk dari masa ke masa, kerana mikropemproses telah meningkatkan kelajuan mereka dan sebaliknya memori tidak maju dengan begitu cepat.

Kelebihan

- Unit kawalan mengambil data dan arahan dengan cara yang sama dari memori. Oleh itu, reka bentuk dan pembangunan unit kawalan dipermudahkan, menjadi lebih murah dan lebih pantas.

- Data dari peranti input / output dan memori utama diambil dengan cara yang sama.

- Pengaturan memori dilakukan oleh pengaturcara, yang memungkinkan untuk menggunakan semua kapasiti memori.

- Menguruskan satu blok memori lebih mudah dan senang dicapai.

- Reka bentuk cip mikrokontroler jauh lebih mudah, kerana hanya satu memori yang dapat diakses. Perkara yang paling penting mengenai mikrokontroler adalah akses ke RAM dan dalam seni bina von Neumann ini boleh digunakan untuk menyimpan data dan juga menyimpan arahan program.

Pembangunan sistem operasi

Kelebihan utama mempunyai memori yang sama untuk program dan data adalah bahawa program dapat diproses seolah-olah data. Dengan kata lain, anda boleh menulis program yang datanya adalah program lain.

Program yang datanya adalah program lain tidak lebih dari sistem operasi. Sebenarnya, jika program dan data tidak diizinkan di ruang memori yang sama, seperti halnya dengan seni bina von Neumann, sistem operasi tidak akan pernah dapat dikembangkan.

Kekurangan

Walaupun kelebihannya jauh melebihi kekurangannya, masalahnya ialah hanya ada satu bus yang menghubungkan memori ke pemproses, jadi hanya satu instruksi atau item data yang dapat diambil pada satu masa.

Ini bermaksud bahawa pemproses mungkin perlu menunggu lebih lama untuk data atau arahan tiba. Ini dikenali sebagai hambatan von Neumann. Oleh kerana CPU jauh lebih pantas daripada bas data, ini bermakna ia sering tidak berfungsi.

- Kerana pemprosesan arahan secara berurutan, pelaksanaan program tidak selari tidak dibenarkan.

- Dengan berkongsi memori ada risiko bahawa satu arahan akan ditulis dari yang lain kerana terdapat kesalahan dalam program, menyebabkan sistem hancur.

- Beberapa program yang cacat tidak dapat membebaskan memori ketika selesai menggunakannya, yang boleh menyebabkan komputer membeku kerana memori tidak mencukupi.

- Data dan arahan berkongsi bas data yang sama, walaupun kelajuan di mana masing-masing mesti diambil biasanya sangat berbeza.

Rujukan

1. Kejuruteraan Semikonduktor (2019). Senibina Von Neumann. Diambil dari: semiengineering.com
2. Scott Thornton (2018). Apa perbezaan antara seni bina Von-Neumann dan Harvard? Petua Pengawal Mikro. Diambil dari: microcontrollertips.com.
3. Ajar ICT (2019). Mesin Von Neumann. Diambil dari: mengajar-ict.com.
4. Sains Komputer (2019). Senibina Von Neumann. Diambil dari: computercience.gcse.guru.
5. Belajar IT dengan Mr C (2019). Mesin Von Neumann. Diambil dari: learnitwithmrc.co.uk.
6. Media Keadaan Pepejal (2017). Bagaimana komputer berfungsi? Seni Bina Von Neumann. Diambil dari: solidstateblog.com.