Arsitektur von neumann asal, model, cara kerjanya

Itu Arsitektur von Neumann Ini adalah desain teoretis bagi komputer untuk memiliki program yang disimpan secara internal, berfungsi sebagai dasar untuk hampir semua komputer yang saat ini dilakukan.

Mesin von Neumann terdiri dari unit pemrosesan pusat, yang telah mencakup unit aritmatika logis dan unit kontrol, di samping itu memori utama, penyimpanan sekunder dan perangkat input/output.

Sumber: David Strigoi - Pekerjaan Sendiri, Domain Publik, Commons.Wikimedia.org

Arsitektur ini mengasumsikan bahwa setiap perhitungan mengekstraksi data dari memori, memprosesnya dan kemudian mengirimkannya kembali ke memori.

Dalam arsitektur von Neumann memori yang sama dan bus yang sama digunakan untuk menyimpan data dan instruksi yang menjalankan program.

[TOC]

Peningkatan arsitektur

Karena Anda tidak dapat mengakses memori data dan program pada saat yang sama, arsitektur von Neumann rentan terhadap kemacetan dan bahwa kinerja komputer melemah. Inilah yang dikenal sebagai hambatan Von Neumann, di mana daya, kinerja dan biaya terpengaruh.

Salah satu perubahan yang dibuat melibatkan mempertimbangkan kembali jumlah data yang harus benar -benar dikirim ke memori dan jumlah yang dapat disimpan secara lokal.

Dengan cara ini, alih -alih harus mengirim semuanya ke memori, beberapa cache dan cache proxy dapat mengurangi aliran data dari chip prosesor ke perangkat yang berbeda.

Asal

Pada tahun 1945, setelah Perang Dunia II, dua ilmuwan secara mandiri mengangkat cara membangun komputer yang lebih lunak. Salah satunya adalah ahli matematika Alan Turing dan yang lainnya adalah ilmuwan dari talenta yang setara John von Neumann.

Alan Turing Inggris telah terlibat dalam menguraikan kode Enigma di Bletchley Park, menggunakan komputer 'Coloso'. Di sisi lain, John von Neumann Amerika telah mengerjakan proyek Manhattan untuk membangun bom atom pertama, yang membutuhkan banyak perhitungan manual.

Sampai saat itu, komputer di saat perang "dijadwalkan" lebih atau kurang menghubungkan seluruh mesin untuk dapat melakukan tugas yang berbeda. Misalnya, komputer pertama yang disebut ENIAC membutuhkan waktu tiga minggu untuk menghubungkan kembali untuk membuat perhitungan yang berbeda.

Konsep baru adalah bahwa dalam memori tidak hanya data harus disimpan, tetapi juga program yang memproses bahwa data harus disimpan dalam memori yang sama.

Arsitektur ini dengan program yang disimpan secara internal umumnya dikenal sebagai arsitektur 'von neumann'.

Ide baru ini berarti bahwa komputer dengan arsitektur ini akan lebih mudah untuk diprogram ulang. Memang, program itu sendiri akan sama dengan data.

Dapat melayani Anda: otomatisasi industri

Model

Landasan utama dari model von neumann adalah pemikiran bahwa program ini disimpan secara internal dalam mesin. Di unit memori adalah data dan juga kode program. Desain arsitektur terdiri dari:

Sumber: Oleh userjaimegallego - File ini berasal dari arsitektur von neumann.SVG, CC BY-SA 3.0, Commons.Wikimedia.org

- Unit Pemrosesan Pusat (CPU)

Itu adalah sirkuit digital yang bertanggung jawab untuk melaksanakan instruksi suatu program. Itu juga disebut prosesor. CPU berisi ALU, unit kontrol dan satu set catatan.

Unit aritmatika logis

Bagian arsitektur ini hanya terlibat dalam melakukan operasi aritmatika dan logis tentang data.

Perhitungan yang biasa untuk menambah, mengalikan, membagi dan mengurangi akan tersedia, tetapi perbandingan data seperti ',' kurang dari ',' sama dengan 'juga akan tersedia.

Unit kontrol

Kontrol pengoperasian ALU, memori dan perangkat input/output komputer, menunjukkan bagaimana bertindak dalam menghadapi instruksi program yang baru saja membaca dari memori.

Unit kontrol akan mengelola proses memindahkan data dan program dari dan ke memori. Ini juga akan berurusan dengan melaksanakan instruksi program, satu per satu atau secara berurutan. Ini termasuk gagasan catatan untuk berisi nilai -nilai menengah.

Catatan

Mereka adalah area penyimpanan kecepatan tinggi di CPU. Semua data harus disimpan dalam registri sebelum dapat diproses.

Alamat memori berisi lokasi memori data yang harus diakses. Catatan data memori berisi data yang ditransfer ke memori.

- Penyimpanan

Komputer akan memiliki memori yang dapat berisi data, serta program yang memproses data itu. Di komputer modern, memori ini adalah RAM atau memori utama. Memori ini cepat dan dapat diakses secara langsung oleh CPU.

RAM dibagi menjadi sel. Setiap sel terdiri dari alamat dan isinya. Alamat akan secara unik mengidentifikasi setiap lokasi dalam memori.

- Pintu masuk keluar

Arsitektur ini memungkinkan Anda untuk menangkap gagasan bahwa seseorang perlu berinteraksi dengan mesin, melalui perangkat input.

- Bis

Informasi harus mengalir di antara berbagai bagian komputer. Di komputer dengan arsitektur von neumann, informasi tersebut dikirim dari satu perangkat ke perangkat lain di sepanjang bus, menghubungkan semua unit CPU ke memori utama.

Ini dapat melayani Anda: 50 blog video game yang disarankan

Alamat bus mengangkut alamat data, tetapi bukan data, antara prosesor dan memori.

Bus data mengangkut data antara prosesor, memori dan perangkat input-salaid.

Bagaimana cara kerja arsitektur von neumann?

Prinsip yang relevan dari arsitektur von neumann adalah bahwa dalam memori baik data dan instruksi disimpan dan diperlakukan dengan cara yang sama, yang berarti bahwa instruksi dan data alamat.

Ini berfungsi menggunakan empat langkah sederhana: Cari, Decode, Eksekusi, Menyimpan, Disebut "Siklus Mesin".

Instruksi diperoleh oleh CPU dari memori. CPU kemudian mendekode dan menjalankan instruksi ini. Hasilnya disimpan lagi dalam memori setelah siklus eksekusi instruksi selesai.

Mencari

Pada langkah ini instruksi diperoleh dari RAM dan letakkan di dalam memori cache sehingga unit kontrol mengaksesnya.

Membaca sandi

Unit kontrol mendekode instruksi sedemikian rupa sehingga unit aritmatika logis dapat memahaminya, dan kemudian mengirimkannya ke unit aritmatika logis.

Menjalankan

Unit logika aritmatika menjalankan instruksi dan mengirimkan hasilnya lagi ke memori cache.

Toko

Setelah akuntan program menunjukkan untuk berhenti, hasil akhir diunduh ke memori utama.

Kemacetan

Jika mesin von neumann ingin melakukan operasi dengan data memori, ini harus ditransfer melalui bus ke CPU. Setelah menghitung, Anda perlu memindahkan hasilnya ke memori melalui bus yang sama.

Hambatan von neumann terjadi ketika data yang dimasukkan atau dihapus dari memori harus memakan waktu saat operasi memori saat ini selesai.

Yaitu, jika prosesor baru saja menyelesaikan perhitungan dan siap untuk melakukan berikutnya.

Hambatan ini dari waktu ke waktu semakin buruk, karena mikroprosesor telah meningkatkan kecepatan mereka dan di sisi lain memori belum maju begitu cepat.

Keuntungan

- Unit kontrol memulihkan data dan instruksi dengan cara yang sama dari memori. Oleh karena itu, desain dan pengembangan unit kontrol disederhanakan, lebih murah dan lebih cepat.

- Data perangkat input/output dan memori utama dipulihkan dengan cara yang sama.

Dapat melayani Anda: ilmu komputer

- Organisasi memori dilakukan oleh pemrogram, yang memungkinkan Anda menggunakan semua kapasitas memori.

- Menangani blok memori tunggal lebih sederhana dan lebih mudah dicapai.

- Desain chip mikrokontroler jauh lebih sederhana, karena satu memori akan diakses. Hal terpenting tentang mikrokontroler adalah akses ke RAM dan dalam arsitektur von Neumann dapat digunakan baik untuk menyimpan data dan untuk menyimpan instruksi program.

Pengembangan Sistem Operasi

Keuntungan utama memiliki memori yang sama untuk program dan data adalah bahwa program dapat diproses seolah -olah mereka adalah data. Dengan kata lain, Anda dapat menulis program yang datanya adalah program lain.

Program yang datanya adalah program lain tidak lebih dari sistem operasi. Faktanya, jika program dan data tidak diizinkan dalam ruang memori yang sama, seperti yang terjadi dengan arsitektur von Neumann, sistem operasi tidak akan pernah dikembangkan.

Kerugian

Meskipun keuntungannya jauh melebihi kerugian, masalahnya adalah hanya ada satu bus yang menghubungkan memori dengan prosesor, sehingga Anda hanya bisa mendapatkan instruksi atau elemen data pada saat yang sama.

Ini berarti bahwa prosesor mungkin harus menunggu lebih lama untuk data atau instruksi untuk tiba. Ini dikenal sebagai von neumann bottleneck. Karena CPU jauh lebih cepat daripada bus data, ini berarti bahwa ia sering tetap tidak aktif.

- Karena pemrosesan berurutan dari instruksi, implementasi paralel dari program tidak diperbolehkan.

- Saat berbagi memori ada risiko bahwa instruksi pada yang lain ditulis karena kesalahan dalam program, menyebabkan sistem diblokir.

- Beberapa program dengan cacat tidak dapat melepaskan memori saat berakhir dengannya, yang dapat menyebabkan komputer diblokir karena memori tidak cukup.

- Data dan instruksi berbagi bus data yang sama, meskipun kecepatan di mana masing -masing harus dipulihkan biasanya sangat berbeda.

Referensi

1. Teknik Semiconductor (2019). Arsitektur von Neumann. Diambil dari: Semiering.com
2. Scott Thornton (2018). Apa perbedaan antara arsitektur von-neumann dan Harvard? Tips Mikrokontroler. Diambil dari: microcontrolertips.com.
3. Teach TIK (2019). Mesin von neumann. Diambil dari: Teach-ICT.com.
4. Ilmu Komputer (2019). Arsitektur von Neumann. Diambil dari: Computerscience.GCSE.guru.
5. Pelajari dengan Mr C (2019). Mesin von neumann. Diambil dari: learnithmrc.bersama.Inggris.
6. Solid State Media (2017). Bagaimana cara kerja komputer? Arsitektur von neumann. Diambil dari: solidstateblog.com.