Arquitetura von neumann origem, modelo, como funciona

O Arquitetura von Neumann É um design teórico para um computador ter um programa armazenado internamente, servindo de base para quase todos os computadores que atualmente são realizados.

Uma máquina von Neumann consiste em uma unidade central de processamento, que incluiu uma unidade aritmética lógica e uma unidade de controle, além de uma memória principal, armazenamento secundário e dispositivos de entrada/saída.

Fonte: David Strigoi - Trabalho próprio, domínio público, Commons.Wikimedia.org

Essa arquitetura assume que todo cálculo extrai os dados da memória, os processa e depois os envia de volta à memória.

Em uma arquitetura von Neumann, a mesma memória e o mesmo barramento são usados ​​para armazenar os dados e as instruções que executam um programa.

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Melhoria na arquitetura

Como você não pode acessar a memória dos dados e do programa ao mesmo tempo, a arquitetura von Neumann é propensa a gargalos e esse desempenho do computador está enfraquecido. Isso é conhecido como o gargalo de von Neumann, onde o poder, o desempenho e o custo são afetados.

Uma das mudanças feitas envolvidas envolvidas reconsiderando a quantidade de dados que devem ser realmente enviados para a memória e a quantidade que poderia ser armazenada localmente.

Dessa forma, em vez de ter que enviar tudo para a memória, vários caches e caches proxy podem reduzir o fluxo de dados de chips de processador para diferentes dispositivos.

Origem

Em 1945, após a Segunda Guerra Mundial, dois cientistas levantaram autonomamente como construir um computador mais maleável. Um deles era o matemático Alan Turing e o outro era o cientista do igual talento John von Neumann.

O Alan Turing britânico estava envolvido na decifração do Código Enigma em Bletchley Park, usando o computador 'Coloso'. Por outro lado, o americano John von Neumann estava trabalhando no projeto de Manhattan para construir a primeira bomba atômica, que precisava de muitos cálculos manuais.

Até aquele momento, os computadores em tempo de guerra estavam "programados" mais ou menos reconectando toda a máquina para poder realizar uma tarefa diferente. Por exemplo, o primeiro computador chamado Eniac levou três semanas para se reconectar para fazer um cálculo diferente.

O novo conceito era que, em uma memória, não apenas os dados tinham que ser armazenados, mas também o programa que processou que os dados deveriam ser armazenados na mesma memória.

Esta arquitetura com o programa armazenado internamente é comumente conhecido como arquitetura 'von Neumann'.

Essa nova idéia significava que um computador com esta arquitetura seria muito mais fácil de reprogramar. De fato, o próprio programa seria o mesmo que os dados.

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Modelo

A principal base do modelo von Neumann é o pensamento de que o programa é salvo internamente em uma máquina. Na unidade de memória estão os dados e também o código do programa. O design da arquitetura consiste em:

Fonte: Por Userjaimegallego - Este arquivo deriva da arquitetura von Neumann.SVG, CC BY-SA 3.0, Commons.Wikimedia.org

- Unidade de processamento central (CPU)

É o circuito digital responsável por executar as instruções de um programa. Também é chamado de processador. A CPU contém a ALU, a unidade de controle e um conjunto de registros.

Unidade aritmética lógica

Esta parte da arquitetura está envolvida apenas na realização de operações aritméticas e lógicas sobre os dados.

Os cálculos usuais de adicionar, multiplicar, dividir e subtrair estarão disponíveis, mas comparações de dados como ',' menos que ',' iguais a 'também estarão disponíveis.

Unidade de controle

Controle a operação da ALU, a memória e os dispositivos de entrada/saída do computador, indicando como agir diante das instruções do programa que acabou de ler da memória.

A unidade de controle gerenciará o processo de mover dados e programas de e para a memória. Também lidará com a execução das instruções do programa, uma de cada vez ou sequencialmente. Isso inclui a idéia de um registro para conter valores intermediários.

Registros

São áreas de armazenamento de alta velocidade na CPU. Todos os dados devem ser armazenados em um registro antes de poder ser processado.

Endereços de memória contém a localização da memória dos dados aos quais devem ser acessados. O registro de dados de memória contém dados transferidos para a memória.

- Memória

O computador terá uma memória que pode conter dados, bem como o programa que processa esses dados. Nos computadores modernos, essa memória é a memória RAM ou principal. Esta memória é rápida e acessível diretamente pela CPU.

RAM é dividida em células. Cada célula consiste em um endereço e seu conteúdo. O endereço identificará exclusivamente cada local na memória.

- Entrada saída

Essa arquitetura permite capturar a ideia de que uma pessoa precisa interagir com a máquina, através dos dispositivos de entrada.

- Ônibus

As informações devem fluir entre as diferentes partes do computador. Em um computador com a arquitetura von Neumann, as informações são transmitidas de um dispositivo para outro ao longo de um barramento, conectando todas as unidades da CPU à memória principal.

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O endereço de endereço transporta endereços de dados, mas não os dados, entre o processador e a memória.

O barramento de dados transporta os dados entre o processador, a memória e os dispositivos de salão de entrada.

Como funcionam a arquitetura von Neumann?

O princípio relevante da arquitetura von Neumann é que, na memória, dados e instruções são armazenados e são tratados da mesma maneira, o que significa que as instruções e dados são endereço.

Funciona usando quatro etapas simples: pesquise, decodifique, execute, armazenem, chamado de "ciclo da máquina".

As instruções são obtidas pela CPU da memória. A CPU então decodifica e executa estas instruções. O resultado é armazenado novamente na memória após a conclusão do ciclo de execução das instruções.

Procurar

Nesta etapa, as instruções são obtidas da RAM e coloque -as na memória do cache, para que a unidade de controle tenha acesso a eles.

Decodificar

A unidade de controle decodifica as instruções de tal maneira que a unidade aritmética lógica pode entendê -las e depois enviá -las para a unidade aritmética lógica.

Executar

A unidade lógica aritmética executa as instruções e envia o resultado novamente para cache a memória.

Loja

Depois que o contador do programa indica para parar, o resultado final é baixado para a memória principal.

Gargalo da garrafa

Se uma máquina von Neumann desejar executar uma operação com dados de memória, eles precisam ser transferidos através do barramento para a CPU. Após o cálculo, você precisa mover o resultado para a memória através do mesmo barramento.

O gargalo de von Neumann ocorre quando os dados inseridos ou removidos da memória devem levar tempo enquanto a operação de memória atual é concluída.

Isto é, se o processador acabou de concluir um cálculo e estiver pronto para realizar o próximo.

Esse gargalo ao longo do tempo está piorando, porque os microprocessadores aumentaram sua velocidade e, por outro lado, a memória não avançou tão rapidamente.

Vantagens

- A unidade de controle recupera os dados e instruções da mesma maneira da memória. Portanto, o design e o desenvolvimento da unidade de controle são simplificados, sendo mais barato e mais rápido.

- Os dados dos dispositivos de entrada/saída e a memória principal são recuperados da mesma maneira.

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- A organização da memória é realizada por programadores, o que permite que você use toda a capacidade da memória.

- Manuseie um único bloco de memória é mais simples e fácil de alcançar.

- O design do chip do microcontrolador é muito mais simples, pois uma memória será acessada. A coisa mais importante sobre o microcontrolador é o acesso à RAM e na arquitetura von Neumann, ele pode ser usado para armazenar dados e armazenar instruções do programa.

Desenvolvimento de sistemas operacionais

A principal vantagem de ter a mesma memória para programas e dados é que os programas podem ser processados ​​como se fossem dados. Em outras palavras, você pode escrever programas cujos dados são outros programas.

Um programa cujos dados são outro programa não passa de um sistema operacional. De fato, se os programas e dados não fossem permitidos no mesmo espaço de memória, como acontece com a arquitetura von Neumann, os sistemas operacionais nunca teriam sido desenvolvidos.

Desvantagens

Embora as vantagens excedam em muito as desvantagens, o problema é que existe apenas um barramento que conecta a memória ao processador, para que você só possa obter uma instrução ou um elemento de dados ao mesmo tempo.

Isso significa que o processador pode ter que esperar mais para que os dados ou instruções cheguem. Isso é conhecido como Von Neumann Gargneck. Como a CPU é muito mais rápida que o barramento de dados, isso significa que geralmente permanece inativo.

- Devido ao processamento seqüencial das instruções, a implementação paralela do programa não é permitida.

- Ao compartilhar a memória, existe o risco de que uma instrução em outra seja escrita devido a um erro no programa, fazendo com que o sistema seja bloqueado.

- Alguns programas com defeitos não podem liberar memória quando terminam com ela, o que pode fazer com que o computador seja bloqueado porque a memória é insuficiente.

- Os dados e instruções compartilham o mesmo barramento de dados, embora a velocidade com que cada um deve ser recuperada é geralmente muito diferente.

Referências

1. Engenharia de Semicondutores (2019). Arquitetura von Neumann. Retirado de: semiering.com
2. Scott Thornton (2018). Qual é a diferença entre as arquiteturas Von-Neumann e Harvard? Dicas de microcontrolador. Retirado de: Microcontrolertips.com.
3. Teach TIC (2019). A máquina von Neumann. Retirado de: Teach-ict.com.
4. Ciência da Computação (2019). Arquitetura von Neumann. Retirado de: Computerscience.Gcse.guru.
5. Aprenda com o Sr. C (2019). A máquina von Neumann. Retirado de: LearnithMrc.co.Reino Unido.
6. Mídia de estado sólido (2017). Como funciona o computador? A arquitetura von Neumann. Retirado de: SolidStateBlog.com.