Architektur von Neumann Origin, Modell, wie es funktioniert

Der Von Neumann Architektur Es ist ein theoretisches Design, an dem ein Computer ein intern gespeichertes Programm hat, das als Grundlage für fast alle Computer dient, die derzeit durchgeführt werden.

Eine von Neumann -Maschine besteht aus einer zentralen Verarbeitungseinheit, die eine logische arithmetische Einheit und eine Steuereinheit enthält, zusätzlich ein Hauptspeicher, Sekundärspeicher und Eingangs-/Ausgangsgeräte.

Quelle: David Strigoi - eigene Arbeit, Public Domain, Commons.Wikimedia.Org

Diese Architektur geht davon aus, dass jede Berechnung die Daten aus dem Speicher extrahiert, sie verarbeitet und dann wieder in den Speicher sendet.

In einer von Neumann -Architektur der gleiche Speicher und der gleiche Bus werden sowohl die Daten als auch die Anweisungen, die ein Programm ausführen.

[TOC]

Verbesserung der Architektur

Da Sie nicht gleichzeitig auf den Speicher der Daten und des Programms zugreifen können. Dies ist der sogenannte Engpass von von Neumann, wo die Leistung, Leistung und Kosten betroffen sind.

Eine der Änderungen umfasste die Überprüfung der Datenmenge, die wirklich in den Speicher gesendet werden sollten, und die Menge, die lokal gespeichert werden könnte.

Auf diese Weise können mehrere Caches und Proxy -Caches, anstatt alles in den Speicher zu senden, den Datenfluss von Prozessorchips auf verschiedene Geräte reduzieren.

Herkunft

Im Jahr 1945, nach dem Zweiten Weltkrieg. Einer von ihnen war der Mathematiker Alan Turing und der andere der Wissenschaftler des gleichen Talents John von Neumann.

Der britische Alan Turing war an der Entschlüsselung des Enigma -Codes im Bletchley Park mit dem "Coloso" -Computer beteiligt gewesen. Andererseits hatte der amerikanische John von Neumann am Manhattan -Projekt gearbeitet, um die erste Atombombe zu bauen, die viele manuelle Berechnungen benötigte.

Bis zu diesem Zeitpunkt wurden Computer in Kriegszeit. Zum Beispiel brauchte der erste Computer namens Eniac drei Wochen, um sich wieder zu verbinden, um eine andere Berechnung durchzuführen.

Das neue Konzept war, dass in einem Speicher nicht nur die Daten gespeichert werden mussten, sondern auch das Programm, das verarbeitet wurde, dass Daten im selben Speicher gespeichert werden sollten.

Diese Architektur mit dem intern gespeicherten Programm ist allgemein als Architektur "von Neumann" bezeichnet.

Diese neuartige Idee bedeutete, dass ein Computer mit dieser Architektur viel einfacher zu neu programmieren würde. In der Tat wäre das Programm selbst das gleiche wie die Daten.

Kann Ihnen dienen: Industrielle Automatisierung

Modell

Die Hauptgrundlage des von Neumann -Modells ist der Gedanke, dass das Programm intern in einer Maschine gespeichert wird. In der Speichereinheit befinden sich die Daten und auch der Programmcode. Das Architekturdesign besteht aus:

Quelle: Von UserJaimegallego - Diese Datei leitet sich von von Neumann Architektur ab.SVG, CC BY-SA 3.0, Commons.Wikimedia.Org

- Central Processing Unit (CPU)

Es ist der digitale Schaltkreis, der für die Ausführung der Anweisungen eines Programms verantwortlich ist. Es wird auch als Prozessor bezeichnet. Die CPU enthält die ALU, die Steuereinheit und eine Reihe von Datensätzen.

Logische arithmetische Einheit

Dieser Teil der Architektur ist nur an der Durchführung von arithmetischen und logischen Operationen über die Daten beteiligt.

Die üblichen Berechnungen zum Hinzufügen, Multiplizieren, Teilen und Subtrahieren werden verfügbar sein, aber Datenvergleiche wie "," weniger als "," gleich "werden ebenfalls verfügbar sein.

Steuergerät

Steuern Sie den Betrieb der ALU, des Speichers und der Eingangs-/Ausgabegeräte des Computers und geben an, wie man angesichts der Anweisungen des Programms, das gerade aus dem Speicher gelesen wird.

Die Steuereinheit verwaltet den Prozess des Verschiebens von Daten und Programmen vom und zum Speicher. Es wird auch mit der Ausführung der Programmanweisungen nacheinander oder nacheinander ausführen. Dies schließt die Idee eines Datensatzes ein, das Zwischenwerte enthält.

Aufzeichnungen

Sie sind Hochgeschwindigkeitsspeicherbereiche auf der CPU. Alle Daten müssen in einer Registrierung gespeichert werden, bevor sie verarbeitet werden können.

Speicheradressen enthält den Speicherort der Daten, auf die zugegriffen werden muss. Speicherdatensatz enthält Daten, die in den Speicher übertragen wurden.

- Speicher

Der Computer verfügt über einen Speicher, der Daten enthalten kann, sowie das Programm, das diese Daten verarbeitet. In modernen Computern ist dieser Speicher der RAM oder der Hauptspeicher. Dieser Speicher ist schnell und direkt von der CPU zugänglich und zugänglich.

RAM ist in Zellen unterteilt. Jede Zelle besteht aus einer Adresse und ihrem Inhalt. Die Adresse identifiziert jeden Ort im Speicher eindeutig.

- Eingang Ausgang

Mit dieser Architektur können Sie die Idee erfassen, dass eine Person über die Eingabegeräte mit der Maschine interagieren muss.

- Bus

Die Informationen müssen zwischen den verschiedenen Teilen des Computers fließen. Auf einem Computer mit der von Neumann -Architektur werden die Informationen entlang eines Busses von einem Gerät auf einen anderen übertragen, wodurch alle CPU -Einheiten an den Hauptspeicher angeschlossen werden.

Es kann Ihnen dienen: 50 empfohlene Videospielblogs

Der Adressbus transportiert Datenadressen, jedoch nicht die Daten zwischen dem Prozessor und dem Speicher.

Der Datenbus transportiert die Daten zwischen dem Prozessor, dem Speicher und den Eingabesalaid-Geräten.

Wie funktioniert von Neumann Architecture?

Das relevante Prinzip der von Neumann -Architektur besteht darin, dass im Gedächtnis sowohl Daten als auch Anweisungen gespeichert und sie auf die gleiche Weise behandelt werden, was bedeutet, dass Anweisungen und Daten Adressierung sind.

Es funktioniert mit vier einfachen Schritten: Suchen, Dekodieren, Ausführen, Speichern, als "Maschinenzyklus" bezeichnet.

Die Anweisungen werden von der CPU aus dem Speicher erhalten. Die CPU decodiert und führt diese Anweisungen dann ab und führt aus. Das Ergebnis wird nach Abschluss des Anweisungsausführungszyklus erneut im Speicher gespeichert.

Suche

In diesem Schritt werden die Anweisungen aus dem RAM erhalten und in den Cache -Speicher platzieren, damit die Steuereinheit zugänglich ist.

Dekodieren

Die Steuereinheit dekodiert die Anweisungen so, dass die logische arithmetische Einheit sie verstehen und dann an die logische arithmetische Einheit sendet.

Ausführen

Die arithmetische Logikeinheit führt die Anweisungen aus und sendet das Ergebnis erneut an den Cache -Speicher.

Speichern

Sobald der Programmbuchhalter angibt, um zu stoppen, wird das Endergebnis in den Hauptspeicher heruntergeladen.

Engpass

Wenn eine von Neumann -Maschine einen Betrieb mit Speicherdaten ausführen möchte, müssen diese über den Bus zur CPU übertragen werden. Nach der Berechnung müssen Sie das Ergebnis in den Speicher durch denselben Bus verschieben.

Der Engpass von von Neumann tritt auf, wenn die Daten, die eingegeben oder aus dem Speicher entfernt werden.

Das heißt, wenn der Prozessor gerade eine Berechnung abgeschlossen hat und bereit ist, die nächsten auszuführen.

Dieser Engpass hat sich im Laufe der Zeit verschlechtert, da Mikroprozessoren ihre Geschwindigkeit erhöht haben und der Speicher andererseits nicht so schnell weitergegangen ist.

Vorteile

- Die Steuereinheit erholt die Daten und Anweisungen auf die gleiche Weise aus dem Speicher. Daher ist das Design und die Entwicklung der Steuereinheit vereinfacht, billiger und schneller ist.

- Die Daten der Eingabe-/Ausgabegeräte und des Hauptspeichers werden auf die gleiche Weise wiederhergestellt.

Kann Ihnen dienen: Informatik

- Die Organisation des Speichers wird von Programmierern durchgeführt, mit der Sie die gesamte Speicherkapazität verwenden können.

- Ein einzelner Speicherblock ist einfacher und leichter zu erreichen.

- Auf das Design des Mikrocontroller -Chips ist viel einfacher, da auf einen Speicher zugegriffen wird. Das Wichtigste am Mikrocontroller ist der Zugriff auf RAM und in der von Neumann -Architektur kann es verwendet werden, um Daten zu speichern und Programmanweisungen zu speichern.

Entwicklung von Betriebssystemen

Der Hauptvorteil des gleichen Speichers für Programme und Daten besteht darin, dass die Programme verarbeitet werden können, als ob sie Daten wären. Mit anderen Worten, Sie können Programme schreiben, deren Daten andere Programme sind.

Ein Programm, dessen Daten ein anderes Programm sind, ist nichts anderes als ein Betriebssystem. Wenn die Programme und Daten nicht im gleichen Speicherplatz zulässig wären, wie dies bei der von Neumann -Architektur geschieht, wären die Betriebssysteme niemals entwickelt worden.

Nachteile

Obwohl die Vorteile die Nachteile weit überschreiten, ist das Problem, dass es nur einen Bus gibt, der den Speicher mit dem Prozessor verbindet.

Dies bedeutet, dass der Prozessor möglicherweise länger warten muss, bis die Daten oder Anweisungen eintreten. Dies ist als von Neumann Engpass bekannt. Da die CPU viel schneller ist als der Datenbus, bedeutet dies, dass sie oft inaktiv bleibt.

- Aufgrund der sequentiellen Verarbeitung der Anweisungen ist die parallele Implementierung des Programms nicht zulässig.

- Wenn Sie den Speicher teilen.

- Einige Programme mit Defekten können den Speicher nicht freigeben, wenn sie damit enden, was dazu führen kann, dass der Computer blockiert wird, da der Speicher nicht ausreicht.

- Die Daten und Anweisungen teilen denselben Datenbus, obwohl die Geschwindigkeit, mit der jeder wiederhergestellt werden muss.

Verweise

1. Halbleitertechnik (2019). Von Neumann Architektur. Entnommen aus: Semiering.com
2. Scott Thornton (2018). Was ist der Unterschied zwischen Von-Neumann- und Harvard-Architekturen? Mikrocontroller -Spitzen. Ausgenommen aus: Mikrocontrolertips.com.
3. ICT ICT (2019). Die von Neumann -Maschine. Entnommen aus: Teach-ict.com.
4. Informatik (2019). Von Neumann Architektur. Entnommen aus: ComputernScience.GCSE.Guru.
5. Lernen Sie es mit Herrn C (2019). Die von Neumann -Maschine. Entnommen aus: LearnithMrc.CO.Vereinigtes Königreich.
6. Solid State Media (2017). Wie funktioniert Computer? Die von Neumann Architektur. Entnommen aus: SolidStateBlog.com.