ARCHITETTURA DI VON NEUMANN: ORIGINE, MODELLO, COME FUNZIONA - TECNOLOGIA - 2024

L' architettura di von Neumann è un progetto teorico in modo che un computer possa avere un programma memorizzato internamente, che funge da base per quasi tutti i computer attualmente realizzati.

Una macchina von Neumann è costituita da un'unità di elaborazione centrale, che include un'unità logica aritmetica e un'unità di controllo, oltre a una memoria principale, una memoria secondaria e dispositivi di input / output.

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Questa architettura presuppone che ogni calcolo estrae i dati dalla memoria, li elabora e quindi li rimanda alla memoria.

In un'architettura von Neumann, la stessa memoria e lo stesso bus vengono utilizzati per memorizzare sia i dati che le istruzioni che eseguono un programma.

Miglioramento dell'architettura

Poiché non è possibile accedere contemporaneamente alla memoria dei dati e dei programmi, l'architettura von Neumann è soggetta a colli di bottiglia e all'indebolimento delle prestazioni del computer. Questo è ciò che è noto come il collo di bottiglia di von Neumann, in cui vengono influenzati potenza, prestazioni e costi.

Una delle modifiche apportate ha comportato il ripensamento della quantità di dati effettivamente necessaria da inviare in memoria e di quanto potrebbe essere archiviata localmente.

In questo modo, invece di dover inviare tutto alla memoria, più cache e cache proxy possono ridurre il flusso di dati dai chip del processore ai diversi dispositivi.

Origine

Nel 1945, dopo la seconda guerra mondiale, due scienziati hanno sollevato indipendentemente come costruire un computer più malleabile. Uno di loro era il matematico Alan Turing e l'altro era lo scienziato altrettanto talentuoso John Von Neumann.

Il britannico Alan Turing era stato coinvolto nel decifrare il codice Enigma a Bletchley Park, usando il computer "Colossus". D'altra parte, l'americano John Von Neumann aveva lavorato al Progetto Manhattan per costruire la prima bomba atomica, che richiedeva una grande quantità di calcoli manuali.

Fino ad allora, i computer in tempo di guerra erano più o meno "programmati" ricollegando l'intera macchina per svolgere un compito diverso. Ad esempio, il primo computer chiamato ENIAC ha impiegato tre settimane per riconnettersi per eseguire un calcolo diverso.

Il nuovo concetto consisteva nel fatto che in una memoria non solo i dati dovevano essere immagazzinati, ma anche il programma che li elaborava doveva essere immagazzinato nella stessa memoria.

Questa architettura di programma memorizzata internamente è comunemente nota come architettura "Von Neumann".

Questa nuova idea significava che un computer con questa architettura sarebbe stato molto più facile da riprogrammare. In effetti, il programma stesso verrebbe trattato allo stesso modo dei dati.

Modello

Il fondamento principale del modello Von Neumann è il pensiero che il programma sia memorizzato internamente in una macchina. L'unità di memoria contiene i dati e anche il codice del programma. Il progetto dell'architettura è composto da:

Fonte: da UserJaimeGallego - Questo file è derivato da Von Neumann Architecture.svg, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.org

- Unità centrale di elaborazione (CPU)

È il circuito digitale che è responsabile dell'esecuzione delle istruzioni di un programma. È anche chiamato processore. La CPU contiene l'ALU, l'unità di controllo e un set di registri.

Unità aritmetica logica

Questa parte dell'architettura è coinvolta solo nell'esecuzione di operazioni aritmetiche e logiche sui dati.

Saranno disponibili i normali calcoli di addizione, moltiplicazione, divisione e sottrazione, ma saranno disponibili anche confronti di dati come "maggiore di", "minore di", "uguale a".

Centralina

Controlla il funzionamento dell'ALU, della memoria e dei dispositivi di input / output del computer, istruendoli su come agire in base alle istruzioni nel programma che hai appena letto dalla memoria.

L'unità di controllo gestirà il processo di spostamento di dati e programmi da e verso la memoria. Si occuperà anche di eseguire le istruzioni del programma, una alla volta o in sequenza. Ciò include l'idea di un registro per contenere i valori intermedi.

Records

Sono aree di archiviazione ad alta velocità sulla CPU. Tutti i dati devono essere memorizzati in un registro prima di poter essere elaborati.

Il registro degli indirizzi di memoria contiene la posizione di memoria dei dati a cui accedere. Il registro dei dati di memoria contiene i dati che vengono trasferiti in memoria.

- Memoria

Il computer avrà una memoria che può contenere dati, così come il programma che elabora tali dati. Nei computer moderni questa memoria è la RAM o la memoria principale. Questa memoria è veloce e accessibile direttamente dalla CPU.

La RAM è divisa in celle. Ogni cella è composta da un indirizzo e dal suo contenuto. L'indirizzo identificherà in modo univoco ogni posizione in memoria.

- Entrata uscita

Questa architettura permette di cogliere l'idea che una persona ha bisogno di interagire con la macchina, attraverso i dispositivi di input-output.

- Autobus

Le informazioni devono fluire tra le diverse parti del computer. In un computer con architettura von Neumann, le informazioni vengono trasmesse da un dispositivo all'altro lungo un bus, collegando tutte le unità CPU alla memoria principale.

Il bus indirizzi trasporta gli indirizzi dei dati, ma non i dati, tra il processore e la memoria.

Il bus dati trasporta i dati tra il processore, la memoria e i dispositivi di input-output.

Come funziona l'architettura di von Neumann?

Il principio rilevante dell'architettura von Neumann è che sia i dati che le istruzioni sono archiviati in memoria e trattati allo stesso modo, il che significa che istruzioni e dati sono direzionali.

Funziona utilizzando quattro semplici passaggi: trova, decodifica, esegui, memorizza, chiamato "Ciclo macchina".

Le istruzioni sono ottenute dalla CPU dalla memoria. La CPU quindi decodifica ed esegue queste istruzioni. Il risultato viene archiviato nuovamente in memoria al termine del ciclo di esecuzione dell'istruzione.

Cercare

In questo passaggio le istruzioni vengono ottenute dalla RAM e memorizzate nella cache per l'accesso da parte della centrale.

Decodificare

L'unità di controllo decodifica le istruzioni in modo tale che l'unità logica aritmetica possa comprenderle e quindi le invia all'unità logica aritmetica.

Correre

L'unità logica aritmetica esegue le istruzioni e invia il risultato alla cache.

Immagazzinare

Quando il contatore del programma indica l'arresto, il risultato finale viene scaricato nella memoria principale.

Collo di bottiglia

Se una macchina Von Neumann desidera eseguire un'operazione con i dati in memoria, deve essere trasferita tramite il bus alla CPU. Dopo aver eseguito il calcolo, il risultato deve essere spostato in memoria tramite lo stesso bus.

Il collo di bottiglia di Von Neumann si verifica quando i dati immessi o rimossi dalla memoria devono persistere mentre l'operazione di memoria corrente viene completata.

Cioè, se il processore ha appena completato un calcolo ed è pronto per eseguire quello successivo, deve scrivere in memoria il calcolo finito, che occupa il bus, prima di poter recuperare nuovi dati dalla memoria, che utilizza anche lo stesso bus.

Questo collo di bottiglia è andato peggiorando nel tempo, perché i microprocessori hanno aumentato la loro velocità e d'altra parte la memoria non è avanzata così rapidamente.

Vantaggio

- La centralina recupera dati e istruzioni allo stesso modo dalla memoria. Pertanto, la progettazione e lo sviluppo della centralina sono semplificati, essendo più economici e veloci.

- I dati dai dispositivi di input / output e dalla memoria principale vengono recuperati allo stesso modo.

- L'organizzazione della memoria è curata dai programmatori, che permette di utilizzare tutta la capacità della memoria.

- Gestire un singolo blocco di memoria è più semplice e facile da ottenere.

- Il design del chip del microcontrollore è molto più semplice, poiché si accederà a una sola memoria. La cosa più importante del microcontrollore è l'accesso alla RAM e nell'architettura von Neumann questo può essere utilizzato sia per memorizzare i dati che per memorizzare le istruzioni del programma.

Sviluppo di sistemi operativi

Il vantaggio principale di avere la stessa memoria per programmi e dati è che i programmi possono essere elaborati come se fossero dati. In altre parole, puoi scrivere programmi i cui dati sono altri programmi.

Un programma i cui dati sono un altro programma non è altro che un sistema operativo. Infatti, se programmi e dati non fossero ammessi nello stesso spazio di memoria, come nel caso dell'architettura di von Neumann, i sistemi operativi non avrebbero mai potuto essere sviluppati.

svantaggi

Sebbene i vantaggi superino di gran lunga gli svantaggi, il problema è che esiste un solo bus che collega la memoria al processore, quindi è possibile recuperare solo un'istruzione o un elemento di dati alla volta.

Ciò significa che il processore potrebbe dover attendere più a lungo prima che i dati o le istruzioni arrivino. Questo è noto come il collo di bottiglia di von Neumann. Poiché la CPU è molto più veloce del bus dati, ciò significa che è spesso inattiva.

- A causa dell'elaborazione sequenziale delle istruzioni, l'implementazione parallela del programma non è consentita.

- Condividendo la memoria, c'è il rischio che un'istruzione venga sovrascritta su un'altra a causa di un errore nel programma, causando il crash del sistema.

- Alcuni programmi difettosi non sono in grado di liberare memoria una volta terminato, il che potrebbe causare il blocco del computer a causa della memoria insufficiente.

- I dati e le istruzioni condividono lo stesso bus di dati, sebbene la velocità con cui ciascuno deve essere recuperato sia generalmente molto diversa.

Riferimenti

1. Ingegneria dei semiconduttori (2019). Von Neumann Architecture. Tratto da: semiengineering.com
2. Scott Thornton (2018). Qual è la differenza tra le architetture Von-Neumann e Harvard? Suggerimenti per microcontrollore. Tratto da: microcontrollertips.com.
3. Insegna ICT (2019). La macchina di Von Neumann. Tratto da: teach-ict.com.
4. Informatica (2019). Von Neumann Architecture. Tratto da: computerscience.gcse.guru.
5. Impara l'IT con Mr C (2019). La macchina di Von Neumann. Tratto da: learnitwithmrc.co.uk.
6. Solid State Media (2017). Come funzionano i computer? L'architettura di Von Neumann. Tratto da: solidstateblog.com.