Architecture von Neumann Origin, modèle, comment ça marche

La Architecture von neumann Il s'agit d'une conception théorique pour un ordinateur d'avoir un programme stocké en interne, servant de base à presque tous les ordinateurs qui sont actuellement effectués.

Une machine Von Neumann se compose d'une unité de traitement centrale, qui a inclus une unité arithmétique logique et une unité de contrôle, en plus une mémoire principale, un stockage secondaire et des dispositifs d'entrée / sortie.

Source: David Strigoi - propre travail, domaine public, communes.Wikimedia.org

Cette architecture suppose que chaque calcul extrait les données de la mémoire, les traite puis les renvoie à la mémoire.

Dans une architecture von Neumann, la même mémoire et le même bus sont utilisés pour stocker à la fois les données et les instructions qui exécutent un programme.

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Amélioration de l'architecture

Parce que vous ne pouvez pas accéder à la mémoire des données et au programme en même temps, l'architecture von Neumann est sujette aux goulots d'étranglement et que les performances de l'ordinateur sont affaiblies. C'est ce que l'on appelle le goulot d'étranglement de von Neumann, où la puissance, les performances et le coût sont affectés.

L'une des modifications appliquées concernait la reconsidération de la quantité de données qui devraient vraiment être envoyées à la mémoire et le montant qui pourrait être stocké localement.

De cette façon, au lieu d'avoir à tout envoyer en mémoire, plusieurs caches et caches proxy peuvent réduire le flux de données des puces de processeur à différents appareils.

Origine

En 1945, après la Seconde Guerre mondiale, deux scientifiques ont soulevé de manière autonome comment construire un ordinateur plus malléable. L'un d'eux était le mathématicien Alan Turing et l'autre était le scientifique de l'égalité des talents John von Neumann.

L'Alan Turing britannique avait été impliqué dans le déchiffrement du code Enigma à Bletchley Park, en utilisant l'ordinateur «Coloso». D'un autre côté, l'Américain John von Neumann avait travaillé sur le projet Manhattan pour construire la première bombe atomique, qui nécessitait beaucoup de calculs manuels.

Jusqu'à ce moment, les ordinateurs en temps de guerre étaient "programmés" plus ou moins reconnecter toute la machine pour pouvoir effectuer une tâche différente. Par exemple, le premier ordinateur appelé ENIAC a pris trois semaines à se reconnecter pour effectuer un calcul différent.

Le nouveau concept était que dans une mémoire non seulement les données devaient être stockées, mais aussi le programme qui a traité ces données devrait être stocké dans la même mémoire.

Cette architecture avec le programme stocké en interne est communément appelée architecture «von Neumann».

Cette idée nouvelle signifiait qu'un ordinateur avec cette architecture serait beaucoup plus facile à reprogrammer. En effet, le programme lui-même serait le même que les données.

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Modèle

La base principale du modèle von Neumann est la pensée que le programme est enregistré en interne dans une machine. Dans l'unité de mémoire se trouvent les données et également le code du programme. La conception d'architecture se compose de:

Source: par Userjaimegallego - Ce fichier dérive de l'architecture von Neumann.SVG, CC BY-SA 3.0, Commons.Wikimedia.org

- Unité centrale de traitement (CPU)

C'est le circuit numérique qui est responsable de l'exécution des instructions d'un programme. Il est également appelé processeur. Le CPU contient l'ALU, l'unité de commande et un ensemble d'enregistrements.

Unité arithmétique logique

Cette partie de l'architecture est impliquée uniquement dans la réalisation d'opérations arithmétiques et logiques sur les données.

Les calculs habituels de l'ajout, de la multiplication, de la division et de la soustraction seront disponibles, mais des comparaisons de données telles que «,« moins que »,« égal à »sera également disponible.

Unité de contrôle

Contrôlez le fonctionnement de l'ALU, de la mémoire et des dispositifs d'entrée / sortie de l'ordinateur, indiquant comment agir face aux instructions du programme qui vient de lire à partir de la mémoire.

L'unité de contrôle gérera le processus de déplacement des données et des programmes depuis et à la mémoire. Il traitera également de l'exécution des instructions du programme, une à la fois ou séquentiellement. Cela inclut l'idée d'un enregistrement pour contenir des valeurs intermédiaires.

Enregistrements

Ce sont des zones de stockage à grande vitesse sur le processeur. Toutes les données doivent être stockées dans un registre avant de pouvoir être traité.

Les adresses mémoire contient l'emplacement de la mémoire des données auxquelles il doit être accessible. L'enregistrement des données de mémoire contient des données transférées à la mémoire.

- Mémoire

L'ordinateur aura une mémoire qui peut contenir des données, ainsi que le programme qui traite ces données. Dans les ordinateurs modernes, cette mémoire est la RAM ou la mémoire principale. Cette mémoire est rapide et accessible directement par le processeur.

La RAM est divisée en cellules. Chaque cellule se compose d'une adresse et de son contenu. L'adresse identifiera de manière unique chaque emplacement en mémoire.

- Entrée sortie

Cette architecture vous permet de capturer l'idée qu'une personne doit interagir avec la machine, via les dispositifs d'entrée.

- Bus

Les informations doivent circuler entre les différentes parties de l'ordinateur. Sur un ordinateur avec l'architecture von Neumann, les informations sont transmises d'un appareil à un autre le long d'un bus, reliant toutes les unités du CPU à la mémoire principale.

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Le bus d'adresse transporte les adresses de données, mais pas les données, entre le processeur et la mémoire.

Le bus de données transporte les données entre le processeur, la mémoire et les dispositifs d'entrée-Salaid.

Comment fonctionne l'architecture von Neumann?

Le principe pertinent de l'architecture de von Neumann est qu'en mémoire, les données et les instructions sont stockées et qu'elles sont traitées de la même manière, ce qui signifie que les instructions et les données sont l'adresse.

Il fonctionne en utilisant quatre étapes simples: recherche, décoder, exécuter, stocker, appelé "cycle de machine".

Les instructions sont obtenues par le CPU à partir de la mémoire. Le CPU décode et exécute ensuite ces instructions. Le résultat est à nouveau stocké en mémoire une fois le cycle d'exécution des instructions terminée.

Chercher

Dans cette étape, les instructions sont obtenues à partir de la RAM et les placent dans la mémoire du cache afin que l'unité de commande y accède.

Décoder

L'unité de contrôle décode les instructions de telle manière que l'unité arithmétique logique peut les comprendre, puis les envoyer à l'unité arithmétique logique.

Exécuter

L'unité logique arithmétique exécute les instructions et renvoie le résultat à nouveau pour cache de la mémoire.

Magasin

Une fois que le comptable du programme indique de l'arrêt, le résultat final est téléchargé dans la mémoire principale.

Goulot

Si une machine Von Neumann souhaite effectuer une opération avec des données de mémoire, elles doivent être transférées dans le bus vers le CPU. Après avoir calculé, vous devez déplacer le résultat à la mémoire dans le même bus.

Le goulot d'étranglement de von Neumann se produit lorsque les données entrées ou supprimées de la mémoire doivent prendre du temps pendant que l'opération de mémoire actuelle est terminée.

Autrement dit, si le processeur vient de terminer un calcul et est prêt à effectuer le prochain.

Ce goulot d'étranglement au fil du temps s'est aggravé, car les microprocesseurs ont augmenté leur vitesse et d'autre part, la mémoire n'a pas avancé si rapidement.

avantage

- L'unité de contrôle récupère les données et les instructions de la même manière à partir de la mémoire. Par conséquent, la conception et le développement de l'unité de contrôle sont simplifiés, étant moins chers et plus rapides.

- Les données des périphériques d'entrée / sortie et de la mémoire principale sont récupérées de la même manière.

Peut vous servir: informatique

- L'organisation de la mémoire est réalisée par les programmeurs, ce qui vous permet d'utiliser toute la capacité de la mémoire.

- Gérer un seul bloc de mémoire est plus simple et plus facile à réaliser.

- La conception des puces de microcontrôleur est beaucoup plus simple, car une mémoire sera accessible. La chose la plus importante à propos du microcontrôleur est l'accès à la RAM et dans l'architecture von Neumann, il peut être utilisé à la fois pour stocker les données et pour stocker les instructions du programme.

Développement de systèmes d'exploitation

Le principal avantage d'avoir la même mémoire pour les programmes et les données est que les programmes peuvent être traités comme s'il s'agissait de données. En d'autres termes, vous pouvez écrire des programmes dont les données sont d'autres programmes.

Un programme dont les données sont un autre programme n'est rien de plus qu'un système d'exploitation. En fait, si les programmes et les données n'étaient pas autorisés dans le même espace mémoire, comme cela se produit avec l'architecture von Neumann, les systèmes d'exploitation n'auraient jamais été développés.

Désavantages

Bien que les avantages dépassent de loin les inconvénients, le problème est qu'il n'y a qu'un seul bus qui relie la mémoire au processeur, vous ne pouvez donc obtenir qu'une instruction ou un élément de données en même temps.

Cela signifie que le processeur peut devoir attendre plus longtemps que les données ou les instructions arrivent. Ceci est connu sous le nom d'étranglement von Neumann. Comme le CPU est beaucoup plus rapide que le bus de données, cela signifie qu'il reste souvent inactif.

- En raison du traitement séquentiel des instructions, la mise en œuvre parallèle du programme n'est pas autorisée.

- Lors du partage de la mémoire, il y a un risque qu'une instruction sur une autre soit écrite en raison d'une erreur dans le programme, ce qui entraîne un bloquer le système.

- Certains programmes ayant des défauts ne peuvent pas libérer de la mémoire lorsqu'ils se terminent avec lui, ce qui pourrait entraîner le blocage de l'ordinateur car la mémoire est insuffisante.

- Les données et les instructions partagent le même bus de données, bien que la vitesse à laquelle chacune doit être récupérée soit généralement très différente.

Les références

1. Semiconductor Engineering (2019). Architecture von neumann. Pris de: semi-souriant.com
2. Scott Thornton (2018). Quelle est la différence entre les architectures de von-neumann et de Harvard? Conseils de microcontrôleur. Tiré de: Microcontrolertips.com.
3. Teach ICT (2019). La machine von Neumann. Pris de: enseigner-ict.com.
4. Informatique (2019). Architecture von neumann. Tiré de: Computerscience.GCSE.gourou.
5. Apprenez-le avec M. C (2019). La machine von Neumann. Tiré de: LearnIthMrc.co.ROYAUME-UNI.
6. Solid State Media (2017). Comment fonctionnent l'ordinateur? L'architecture von Neumann. Tiré de: Solidstateblog.com.