- Millora en l'arquitectura
- origen
- model
- - Unitat central de processament (CPU)
- Unitat aritmètica lògica
- Unitat de control
- Registres
- - Memòria
- - Entrada-sortida
- - Bus
- Com funciona l'arquitectura von Neumann?
- Cercar
- descodificar
- executar
- emmagatzemar
- Coll d'ampolla
- avantatges
- Desenvolupament de sistemes operatius
- desavantatges
- referències
La arquitectura von Neumann és un disseny teòric perquè un ordinador pugui tenir un programa emmagatzemat internament, servint com a base per a gairebé tots els ordinadors que actualment es realitzen.
Una màquina von Neumann consisteix d'una unitat central de processament, la qual té incloses una unitat aritmètica lògica i una unitat de control, a més una memòria principal, emmagatzematge secundari i dispositius d'entrada / sortida.
Font: David strigoi - Treball propi, Domini públic, commons.wikimedia.org
Aquesta arquitectura assumeix que tot càlcul extreu les dades de la memòria, els processa i després els envia de tornada a la memòria.
En una arquitectura von Neumann s'utilitza la mateixa memòria i el mateix bus per emmagatzemar tant les dades com les instruccions que executen un programa.
Millora en l'arquitectura
A causa de que no es pot accedir a la memòria de les dades ia la de el programa alhora, l'arquitectura von Neumann és propensa a colls d'ampolla ja que es debiliti el rendiment de l'ordinador. Això és el que es coneix com el coll d'ampolla de von Neumann, on s'afecta la potència, el rendiment i el cost.
Un dels canvis realitzats va implicar reconsiderar la quantitat de dades que es havien d'enviar realment a la memòria i la quantitat que es podria emmagatzemar localment.
D'aquesta manera, en lloc d'haver d'enviar tot a la memòria, els caixets múltiples i els caixets proxy poden reduir el flux de dades des dels xips de el processador als diferents dispositius.
origen
El 1945, després de la Segona Guerra Mundial, dos científics van plantejar de forma autònoma com construir un ordinador més mal·leable. Un d'ells va ser el matemàtic Alan Turing i l'altre va ser el científic de la mateixa talent John Von Neumann.
El britànic Alan Turing havia estat involucrat en desxifrar el codi Enigma en Bletchley Park, usant l'ordinador 'Colós'. D'altra banda, el nord-americà John Von Neumann havia estat treballant en el Projecte Manhattan per construir la primera bomba atòmica, que necessitava una gran quantitat de càlculs manuals.
Fins a aquest moment, els ordinadors en temps de guerra es «programaven» més o menys reconnectant tota la màquina per poder dur a terme una tasca diferent. Per exemple, el primer ordinador anomenada ENIAC trigava tres setmanes a tornar a connectar per fer un càlcul diferent.
El nou concepte consistia en què en una memòria no només havien de emmagatzemar les dades, sinó que també el programa que processava aquestes dades hauria d'estar emmagatzemat en la mateixa memòria.
Aquesta arquitectura amb el programa emmagatzemat internament es coneix comunament com a arquitectura 'Von Neumann'.
Aquesta nova idea significava que un ordinador amb aquesta arquitectura seria molt més fàcil de reprogramar. Efectivament, el programa en si mateix es tractaria igual que les dades.
model
El fonament principal d'el model de Von Neumann és el pensament que el programa estigui guardat internament en una màquina. A la unitat de memòria es troben les dades i també el codi de el programa. El disseny de l'arquitectura consisteix a:
Font: De UserJaimeGallego - Aquest fitxer deriva de Von Neumann Architecture.svg, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.org
- Unitat central de processament (CPU)
És el circuit digital que s'encarrega d'executar les instruccions d'un programa. Se li denomina també processador. La CPU conté l'ALU, la unitat de control i un conjunt de registres.
Unitat aritmètica lògica
Aquesta part de l'arquitectura està involucrada únicament en la realització d'operacions aritmètiques i lògiques sobre les dades.
Estaran disponibles els càlculs habituals de sumar, multiplicar, dividir i restar, però també estaran disponibles les comparacions de dades com 'més gran que', 'menor que', 'igual a'.
Unitat de control
Controla el funcionament de l'ALU, la memòria i els dispositius d'entrada / sortida de l'ordinador, indicant-los com actuar davant les instruccions de el programa que acaba de llegir des de la memòria.
La unitat de control gestionarà el procés de moure les dades i programes des de i cap a la memòria. També s'ocuparà d'executar les instruccions de el programa, una alhora o seqüencialment. Això inclou la idea d'un registre per contenir els valors intermedis.
Registres
Són àrees d'emmagatzematge d'alta velocitat en la CPU. Totes les dades han d'emmagatzemar en un registre abans de poder processar.
El registre d'adreces de memòria conté la ubicació de memòria de les dades als quals s'ha d'accedir. El registre de dades de memòria conté les dades que es transfereixen a la memòria.
- Memòria
L'ordinador tindrà una memòria que pot contenir dades, així com el programa que processa aquestes dades. En les computadores modernes aquesta memòria és la RAM o memòria principal. Aquesta memòria és ràpida i accessible directament per la CPU.
La RAM es divideix en cel·les. Cada cel·la consta d'una direcció i el seu contingut. La direcció identificarà de forma única cada ubicació en la memòria.
- Entrada-sortida
Aquesta arquitectura permet plasmar la idea que una persona necessita interactuar amb la màquina, a través dels dispositius d'entrada-sortida.
- Bus
La informació ha de fluir entre les diferents parts de l'ordinador. En un ordinador amb l'arquitectura von Neumann, la informació es transmet d'un dispositiu a un altre al llarg d'un bus, connectant totes les unitats de la CPU a la memòria principal.
El bus d'adreces transporta les adreces de les dades, però no les dades, entre el processador i la memòria.
El bus de dades transporta les dades entre el processador, la memòria i els dispositius d'entrada-sortida.
Com funciona l'arquitectura von Neumann?
El principi rellevant de l'arquitectura von Neumann és que en la memòria s'emmagatzemen tant les dades com les instruccions i es tracten d'igual manera, el que significa que les instruccions i les dades són direccionals.
Funciona usant quatre simples passos: cercar, descodificar, executar, emmagatzemar, anomenat el «Cicle de la màquina».
Les instruccions són obtingudes per la CPU des de la memòria. La CPU després descodifica i executa aquestes instruccions. El resultat és emmagatzemat de nou en la memòria després que es completi el cicle d'execució de les instruccions.
Cercar
En aquest pas s'obtenen les instruccions des de la RAM i se les col·loca a la memòria cau perquè la unitat de control accedeixi.
descodificar
La unitat de control descodifica les instruccions de tal manera que la unitat aritmètica lògica pugui comprendre-les, i després les envia a la unitat aritmètica lògica.
executar
La unitat lògica aritmètica executa les instruccions i envia el resultat de nou a la memòria cau.
emmagatzemar
Una vegada que el comptador de programa indica aturar-se, es descarrega el resultat final a la memòria principal.
Coll d'ampolla
Si una màquina Von Neumann desitja realitzar una operació amb dades a la memòria, aquests s'han de traslladar a través del bus cap a la CPU. Després de realitzar el càlcul, es necessita moure el resultat a la memòria a través de el mateix bus.
El coll d'ampolla de Von Neumann esdevé quan les dades que s'introdueixen o es treuen de la memòria han de fer temps mentre es completa l'operació actual de la memòria.
És a dir, si el processador acaba de completar un càlcul i està preparat per fer el següent ha d'escriure en la memòria el càlcul acabat, que ocupa el bus, abans de poder recuperar noves dades de la memòria, que també fan servir el mateix bus.
Aquest coll d'ampolla amb el temps ha vingut empitjorant, perquè els microprocessadors han augmentat la seva velocitat i d'altra banda la memòria no ha avançat tan ràpidament.
avantatges
- La unitat de control recupera les dades i les instruccions de la mateixa manera des de la memòria. Per tant, el disseny i desenvolupament de la unitat de control està simplificat, sent més barat i més ràpid.
- Les dades dels dispositius d'entrada / sortida i de la memòria principal es recuperen de la mateixa manera.
- L'organització de la memòria és realitzada pels programadors, el que permet utilitzar tota la capacitat de la memòria.
- Fer servir un sol bloc de memòria és més simple i fàcil d'aconseguir.
- El disseny de l'xip de l'microcontrolador és molt més senzill, ja que s'accedirà a una sol memòria. El més important de l'microcontrolador és l'accés a la RAM i en l'arquitectura von Neumann aquesta es podrà fer servir tant per emmagatzemar dades com per emmagatzemar instruccions de el programa.
Desenvolupament de sistemes operatius
La principal avantatge de tenir una mateixa memòria per als programes i les dades és que els programes es poden processar com si fossin dades. En altres paraules, es poden escriure programes les dades siguin altres programes.
Un programa les dades són un altre programa no és més que un sistema operatiu. De fet, si no es permetessin els programes i les dades en el mateix espai de memòria, com sí succeeix amb l'arquitectura von Neumann, mai s'haguessin pogut desenvolupar els sistemes operatius.
desavantatges
Encara que els avantatges superen amb escreix els desavantatges, el problema és que només hi ha un bus que connecta la memòria amb el processador, de manera que només es pot obtenir una instrucció o un element de dades alhora.
Això vol dir que el processador pot haver d'esperar més temps perquè arribin les dades o les instruccions. Això es coneix com coll d'ampolla de von Neumann. Com la CPU és molt més ràpida que el bus de dades, això vol dir que sovint romangui inactiva.
- Pel processament seqüencial de les instruccions no es permet la implementació paral·lela de el programa.
- A l'compartir la memòria hi ha el risc que s'escrigui una instrucció sobre una altra causa d'un error en el programa, fent que es bloquegi el sistema.
- Alguns programes amb defectes no poden alliberar la memòria quan acaben amb ella, el que podria causar que es bloquegi l'ordinador a causa de que la memòria es faci insuficient.
- Les dades i les instruccions comparteixen el mateix bus de dades, encara que la velocitat a la qual cadascú s'ha de recuperar sol ser molt diferent.
referències
- Semiconductor Engineering (2019). Von Neumann Architecture. Pres de: semiengineering.com
- Scott Thornton (2018). What 's the difference between Von-Neumann and Harvard architectures? Microcontroller Tips. Pres de: microcontrollertips.com.
- Teach ICT (2019). The Von Neumann machine. Pres de: teach-ict.com.
- Computer Science (2019). Von Neumann Architecture. Pres de: computerscience.gcse.guru.
- Learn IT with Mr C (2019). The Von Neumann machine. Pres de: learnitwithmrc.co.uk.
- Solid State Mitjana (2017). How do computers work? The Von Neumann Architecture. Pres de: solidstateblog.com.