VON NEUMANN-ARCHITEKTUR: URSPRUNG, MODELL, WIE ES FUNKTIONIERT - TECHNOLOGIE - 2025

Die von Neumann-Architektur ist ein theoretischer Entwurf, bei dem auf einem Computer ein intern gespeichertes Programm gespeichert werden kann, das als Grundlage für fast alle derzeit hergestellten Computer dient.

Eine von Neumann-Maschine besteht aus einer Zentraleinheit, die eine arithmetische Logikeinheit und eine Steuereinheit sowie einen Hauptspeicher, einen Sekundärspeicher und Eingabe- / Ausgabegeräte umfasst.

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Diese Architektur setzt voraus, dass jede Berechnung Daten aus dem Speicher extrahiert, verarbeitet und dann an den Speicher zurücksendet.

In einer von Neumann-Architektur werden derselbe Speicher und derselbe Bus verwendet, um sowohl die Daten als auch die Anweisungen zu speichern, die ein Programm ausführen.

Architekturverbesserung

Da nicht gleichzeitig auf Daten und Programmspeicher zugegriffen werden kann, ist die von Neumann-Architektur anfällig für Engpässe und eine Schwächung der Computerleistung. Dies ist der sogenannte von Neumann-Engpass, bei dem Leistung, Leistung und Kosten betroffen sind.

Eine der vorgenommenen Änderungen betraf das Überdenken der Datenmenge, die tatsächlich in den Speicher gesendet werden musste, und der Menge, die lokal gespeichert werden konnte.

Auf diese Weise können mehrere Caches und Proxy-Caches den Datenfluss von den Prozessorchips zu verschiedenen Geräten reduzieren, anstatt alles in den Speicher senden zu müssen.

Ursprung

1945, nach dem Zweiten Weltkrieg, diskutierten zwei Wissenschaftler unabhängig voneinander, wie man einen formbareren Computer baut. Einer von ihnen war der Mathematiker Alan Turing und der andere war der ebenso talentierte Wissenschaftler John Von Neumann.

Der Brite Alan Turing war daran beteiligt gewesen, den Enigma-Code im Bletchley Park mithilfe des Colossus-Computers zu knacken. Andererseits hatte der Amerikaner John Von Neumann am Manhattan-Projekt gearbeitet, um die erste Atombombe zu bauen, für die viele manuelle Berechnungen erforderlich waren.

Bis dahin wurden Computer in Kriegszeiten mehr oder weniger "programmiert", indem die gesamte Maschine wieder angeschlossen wurde, um eine andere Aufgabe auszuführen. Beispielsweise dauerte es drei Wochen, bis der erste Computer namens ENIAC die Verbindung wiederhergestellt hatte, um eine andere Berechnung durchzuführen.

Das neue Konzept bestand darin, dass in einem Speicher nicht nur die Daten gespeichert werden mussten, sondern auch das Programm, das diese Daten verarbeitete, im selben Speicher gespeichert werden sollte.

Diese intern gespeicherte Programmarchitektur ist allgemein als "Von Neumann" -Architektur bekannt.

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

Modell

Die Hauptgrundlage des Von Neumann-Modells ist der Gedanke, dass das Programm intern in einer Maschine gespeichert ist. Die Speichereinheit enthält die Daten sowie den Programmcode. Das Architekturdesign besteht aus:

Quelle: From UserJaimeGallego - Diese Datei stammt von Von Neumann Architecture.svg, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.org

- Central Processing Unit (CPU)

Es ist die digitale Schaltung, die für die Ausführung der Anweisungen eines Programms verantwortlich ist. Es wird auch als Prozessor bezeichnet. Die CPU enthält die ALU, die Steuereinheit und einen Registersatz.

Logische Recheneinheit

Dieser Teil der Architektur ist nur an der Ausführung von arithmetischen und logischen Operationen an den Daten beteiligt.

Die üblichen Berechnungen zum Addieren, Multiplizieren, Dividieren und Subtrahieren sind verfügbar, es sind jedoch auch Datenvergleiche wie "größer als", "kleiner als", "gleich" verfügbar.

Steuergerät

Es steuert den Betrieb der ALU, des Speichers und der Eingabe- / Ausgabegeräte des Computers und weist sie an, wie sie auf die Anweisungen in dem Programm reagieren sollen, das Sie gerade aus dem Speicher gelesen haben.

Die Steuereinheit verwaltet den Prozess des Verschiebens von Daten und Programmen in den und aus dem Speicher. Es wird auch dafür gesorgt, dass die Anweisungen des Programms einzeln oder nacheinander ausgeführt werden. Dies beinhaltet die Idee eines Registers, das die Zwischenwerte enthält.

Aufzeichnungen

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

Das Speicheradressregister enthält den Speicherort der Daten, auf die zugegriffen werden soll. Das Speicherdatenregister enthält die Daten, die in den Speicher übertragen werden.

- Erinnerung

Der Computer verfügt über einen Speicher, in dem Daten gespeichert werden können, sowie über das Programm, das diese Daten verarbeitet. In modernen Computern ist dieser Speicher der RAM oder Hauptspeicher. Dieser Speicher ist schnell und direkt für die CPU zugänglich.

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

- Eingang Ausgang

Diese Architektur ermöglicht es, die Idee zu erfassen, dass eine Person über die Eingabe- / Ausgabegeräte mit der Maschine interagieren muss.

- Bus

Informationen müssen zwischen den verschiedenen Teilen des Computers fließen. In einem Computer mit der von Neumann-Architektur werden Informationen über einen Bus von einem Gerät zum anderen übertragen, wobei alle CPU-Einheiten mit dem Hauptspeicher verbunden werden.

Der Adressbus überträgt die Adressen von Daten, jedoch nicht von Daten, zwischen Prozessor und Speicher.

Der Datenbus überträgt Daten zwischen dem Prozessor, dem Speicher und den Eingabe- / Ausgabegeräten.

Wie funktioniert die von Neumann-Architektur?

Das relevante Prinzip der von Neumann-Architektur besteht darin, dass sowohl Daten als auch Anweisungen im Speicher gespeichert und gleich behandelt werden, was bedeutet, dass Anweisungen und Daten gerichtet sind.

Es funktioniert in vier einfachen Schritten: Suchen, Dekodieren, Ausführen, Speichern, genannt "Maschinenzyklus".

Die Anweisungen werden von der CPU aus dem Speicher abgerufen. Die CPU decodiert diese Anweisungen und führt sie aus. Das Ergebnis wird nach Abschluss des Befehlsausführungszyklus wieder im Speicher gespeichert.

Suchen nach

In diesem Schritt werden die Anweisungen aus dem RAM abgerufen und für den Zugriff durch die Steuereinheit zwischengespeichert.

Dekodieren

Die Steuereinheit decodiert die Anweisungen so, dass die logische Recheneinheit sie verstehen kann, und sendet sie dann an die logische Recheneinheit.

Lauf

Die arithmetische logische Einheit führt die Anweisungen aus und sendet das Ergebnis zurück an den Cache.

Auf Lager

Sobald der Programmzähler Stopp anzeigt, wird das Endergebnis in den Hauptspeicher heruntergeladen.

Engpass

Wenn eine Von Neumann-Maschine eine Operation mit Daten im Speicher ausführen möchte, muss diese über den Bus an die CPU übertragen werden. Nach Durchführung der Berechnung muss das Ergebnis über denselben Bus in den Speicher verschoben werden.

Der Von Neumann-Engpass tritt auf, wenn Daten, die eingegeben oder aus dem Speicher entfernt werden, verweilen müssen, während der aktuelle Speichervorgang abgeschlossen ist.

Das heißt, wenn der Prozessor gerade eine Berechnung abgeschlossen hat und bereit ist, die nächste durchzuführen, muss er die fertige Berechnung, die den Bus belegt, in den Speicher schreiben, bevor er neue Daten aus dem Speicher abrufen kann, die ebenfalls denselben Bus verwenden.

Dieser Engpass hat sich mit der Zeit verschlimmert, weil die Mikroprozessoren ihre Geschwindigkeit erhöht haben und andererseits der Speicher nicht so schnell fortgeschritten ist.

Vorteil

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

- Daten von Eingabe- / Ausgabegeräten und Hauptspeicher werden auf die gleiche Weise abgerufen.

- Die Organisation des Speichers wird von den Programmierern durchgeführt, wodurch die gesamte Speicherkapazität genutzt werden kann.

- Die Verwaltung eines einzelnen Speicherblocks ist einfacher und einfacher zu erreichen.

- Das Design des Mikrocontroller-Chips ist viel einfacher, da nur auf einen Speicher zugegriffen werden kann. Das Wichtigste am Mikrocontroller ist der Zugriff auf den Arbeitsspeicher. In der von Neumann-Architektur kann dieser sowohl zum Speichern von Daten als auch zum Speichern von Programmanweisungen verwendet werden.

Entwicklung von Betriebssystemen

Der Hauptvorteil des gleichen Speichers für Programme und Daten besteht darin, dass Programme so verarbeitet werden können, als wären sie Daten. 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. Wären Programme und Daten nicht im selben Speicherbereich zulässig, wie dies bei der von Neumann-Architektur der Fall ist, hätten Betriebssysteme niemals entwickelt werden können.

Nachteile

Obwohl die Vorteile die Nachteile bei weitem überwiegen, besteht das Problem darin, dass nur ein Bus den Speicher mit dem Prozessor verbindet, sodass jeweils nur ein Befehl oder ein Datenelement abgerufen werden kann.

Dies bedeutet, dass der Prozessor möglicherweise länger auf das Eintreffen von Daten oder Anweisungen warten muss. Dies ist als von Neumann-Engpass bekannt. Da die CPU viel schneller als der Datenbus ist, bedeutet dies, dass sie häufig im Leerlauf ist.

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

- Durch die gemeinsame Nutzung des Speichers besteht die Gefahr, dass eine Anweisung aufgrund eines Programmfehlers über eine andere geschrieben wird und das System abstürzt.

- Einige fehlerhafte Programme können keinen Speicher freigeben, wenn sie damit fertig sind. Dies kann dazu führen, dass der Computer aufgrund unzureichenden Speichers einfriert.

- Daten und Anweisungen teilen sich den gleichen Datenbus, obwohl die Geschwindigkeit, mit der jeder abgerufen werden muss, normalerweise sehr unterschiedlich ist.

Verweise

1. Halbleitertechnik (2019). Von Neumann Architektur. Entnommen aus: semiengineering.com
2. Scott Thornton (2018). Was ist der Unterschied zwischen Von-Neumann- und Harvard-Architekturen? Tipps für Mikrocontroller. Entnommen aus: microcontrollertips.com.
3. Unterrichten Sie IKT (2019). Die Von Neumann-Maschine. Entnommen aus: learn-ict.com.
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5. Lernen Sie IT mit Herrn C (2019). Die Von Neumann-Maschine. Entnommen aus: learnitwithmrc.co.uk.
6. Solid State Media (2017). Wie funktionieren Computer? Die Von Neumann-Architektur. Entnommen aus: solidstateblog.com.