אדריכלות פון נוימן: מקור, דגם, איך זה עובד - טֶכנוֹלוֹגִיָה - 2025

ארכיטקטורת פון נוימן היא עיצוב תיאורטי כך שמחשב יכול להיות תוכנית יישמר באופן פנימי, שממשמש כבסיס כמעט לכול מחשבים שנעשים כיום.

מכונה פון נוימן מורכבת מיחידת עיבוד מרכזית, הכוללת יחידת לוגיקה אריתמטית ויחידת בקרה, כמו גם זיכרון ראשי, אחסון משני והתקני כניסה / יציאה.

מקור: David strigoi - יצירה משלו, רשות הרבים, commons.wikimedia.org

ארכיטקטורה זו מניחה שכל חישוב מחלץ נתונים מהזיכרון, מעבד אותם ואז מחזיר אותם לזיכרון.

בארכיטקטורת פון נוימן, אותו זיכרון ואותו אוטובוס משמשים לאחסון הן הנתונים והן ההוראות המבצעות תוכנית.

שיפור אדריכלות

מכיוון שלא ניתן לגשת לזיכרון נתונים וזיכרון בתוכנית בו זמנית, ארכיטקטורת פון נוימן מועדת לצוואר בקבוק ולהיחלשות ביצועי המחשב. זה מה שמכונה צוואר הבקבוק של נוימן, בה מושפעים כוח, ביצועים ועלות.

אחד השינויים שנעשו כרוך בחשיבה מחודשת כמה נתונים באמת צריכים להישלח לזיכרון וכמה ניתן לאחסן באופן מקומי.

בדרך זו, במקום להצטרך לשלוח הכל לזיכרון, מטמון מרובים ומטמילי פרוקסי יכולים להפחית את זרימת הנתונים משבבי מעבד למכשירים שונים.

מָקוֹר

בשנת 1945, לאחר מלחמת העולם השנייה, שני מדענים העלו באופן עצמאי כיצד לבנות מחשב נישא יותר. אחד מהם היה המתמטיקאי אלן טיורינג והשני היה המדען המוכשר לא פחות, ג'ון פון נוימן.

אלן טיורינג הבריטי היה מעורב בפיצוח קוד האניגמה בפארק בלצ'לי באמצעות מחשב 'קולוסוס'. מצד שני, ג'ון פון נוימן האמריקאי עבד על פרויקט מנהטן לבניית פצצת האטום הראשונה, שהצריכה חישובים ידניים רבים.

עד אז מחשבי מלחמה "פחות או יותר" תוכנתו על ידי חיבור מחדש של כל המכונה על מנת לבצע משימה אחרת. לדוגמא, לקח למחשב הראשון שנקרא ENIAC שלושה שבועות להתחבר מחדש כדי לבצע חישוב אחר.

התפיסה החדשה כללה בכך שבזיכרון לא רק היה צריך לאחסן את הנתונים, אלא גם את התוכנית שעיבדה את הנתונים האלה צריך להיות מאוחסן באותו זיכרון.

ארכיטקטורת תוכנית זו המאוחסנת באופן פנימי ידועה בדרך כלל כארכיטקטורת 'פון נוימן'.

רעיון חדש זה פירושו שלמחשב עם הארכיטקטורה הזו יהיה הרבה יותר קל לתכנות מחדש. אכן, התוכנית עצמה תתייחס לאופן זהה לנתונים.

דֶגֶם

הבסיס העיקרי של דגם פון נוימן הוא המחשבה שהתוכנית מאוחסנת באופן פנימי במכונה. יחידת הזיכרון מכילה את הנתונים וגם את קוד התוכנית. עיצוב האדריכלות מורכב מ:

מקור: מאת UserJaimeGallego - קובץ זה נגזר מ- Von Neumann Architecture.svg, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.org

- יחידת עיבוד מרכזית (CPU)

המעגל הדיגיטלי הוא זה שאחראי על ביצוע הוראות התוכנית. זה נקרא גם מעבד. המעבד מכיל את ה- ALU, יחידת הבקרה ומערכת רגיסטרים.

יחידה אריתמטית לוגית

חלק זה של הארכיטקטורה מעורב רק בביצוע פעולות חשבון והגיוניות על הנתונים.

החישובים הרגילים של הוספה, הכפלה, הפרדה וחיסור יהיו זמינים, אך יתאפשר גם השוואה בין נתונים כמו 'גדול מ', 'פחות מ', 'שווה ל'.

יחידת בקרה

זה שולט על פעולת התקני ה- ALU, הזיכרון והכניסה / הפלט של המחשב, ומורה להם כיצד לפעול על פי ההוראות בתוכנית שרק קראתם מהזיכרון.

יחידת הבקרה תנהל את תהליך העברת הנתונים והתוכנות לזיכרון ומחוצה לו. זה גם ידאג לביצוע הוראות התוכנית, אחת בכל פעם או ברצף. זה כולל רעיון של פנקס להחזיק את ערכי הביניים.

רשומות

מדובר באזורי אחסון במהירות גבוהה במעבד. יש לאחסן את כל הנתונים בפנקס לפני שניתן יהיה לעבד אותם.

פנקס כתובות הזיכרון מכיל את מיקום הזיכרון של הנתונים שאליהם ניתן לגשת. פנקס נתוני הזיכרון מכיל את הנתונים המועברים לזיכרון.

- זיכרון

למחשב יהיה זיכרון שיכול להכיל נתונים, כמו גם התוכנית המעבדת נתונים אלה. במחשבים מודרניים זיכרון זה הוא זיכרון ה- RAM או הזיכרון הראשי. זיכרון זה מהיר ונגיש ישירות על ידי המעבד.

RAM מחולק לתאים. כל תא מורכב מכתובת ותכניו. הכתובת תזהה באופן ייחודי כל מיקום בזיכרון.

- כניסה יציאה

ארכיטקטורה זו מאפשרת לתפוס את הרעיון שאדם זקוק לו כדי לקיים אינטראקציה עם המכונה, דרך מכשירי הקלט-פלט.

- אוטובוס

המידע צריך לזרום בין חלקי המחשב השונים. במחשב עם ארכיטקטורת פון נוימן, מידע מועבר ממכשיר אחד למשנהו לאורך אוטובוס, ומחבר את כל יחידות ה- CPU לזיכרון הראשי.

אוטובוס הכתובות נושא את כתובות הנתונים, אך לא נתונים, בין המעבד לזיכרון.

אוטובוס הנתונים נושא נתונים בין המעבד, הזיכרון והתקני פלט הקלט.

כיצד פועלת ארכיטקטורת פון נוימן?

העיקרון הרלוונטי לארכיטקטורת פון נוימן הוא ששני הנתונים וההוראות נשמרים בזיכרון ומטופלים זהים, מה שאומר שההוראות והנתונים הם כיווניים.

זה עובד בארבעה שלבים פשוטים: מצא, לפענח, לבצע, לאחסן, המכונה "מחזור המכונות".

ההוראות מתקבלות על ידי המעבד מהזיכרון. לאחר מכן מפענח ה- CPU ומבצע הוראות אלה. התוצאה נשמרת בזיכרון לאחר סיום מחזור ביצוע ההוראות.

לחפש אחר

בשלב זה ההוראות מתקבלות מ- RAM ומטמון במטמון לגישה על ידי יחידת הבקרה.

לְפַעֲנֵחַ

יחידת הבקרה מפענחת את ההוראות כך שהיחידה האריתמטית הלוגית יכולה להבין אותן ואז שולחת אותן ליחידה האריתמטית הלוגית.

לָרוּץ

היחידה הלוגית האריתמטית מבצעת את ההוראות ומחזירה את התוצאה למטמון.

למלאי

ברגע שמונה התוכניות מציין עצירה, התוצאה הסופית מורידה לזיכרון הראשי.

צַוַאר הַבַּקבּוּק

אם מכשיר פון נוימן רוצה לבצע פעולה עם נתונים בזיכרון, יש להעביר אותה דרך האוטובוס למעבד. לאחר ביצוע החישוב, יש להעביר את התוצאה לזיכרון באמצעות אותו אוטובוס.

צוואר הבקבוק של Von Neumann מתרחשת כאשר נתונים שנכנסים או מוסרים מהזיכרון חייבים להשתהות כשפעולת הזיכרון הנוכחית מסתיימת.

כלומר, אם המעבד בדיוק השלים חישוב והוא מוכן לבצע את הבא, עליו לכתוב את החישוב המוגמר, שתופס את האוטובוס, לזיכרון לפני שהוא יכול לאחזר נתונים חדשים מהזיכרון, המשתמשים גם באותו האוטובוס.

צוואר הבקבוק הזה הולך ומחמיר עם הזמן, מכיוון שמעבדי המיקרו העלו את מהירותם ומנגד הזיכרון לא התקדם כל כך מהר.

יתרון

- יחידת הבקרה מאחזרת נתונים והוראות באותו אופן מהזיכרון. לכן, העיצוב והפיתוח של יחידת הבקרה מפושטים, בהיותם זולים ומהירים יותר.

- נתונים ממכשירי כניסה / פלט והזיכרון הראשי נאספים באותה צורה.

- ארגון הזיכרון מתבצע על ידי המתכנתים, המאפשר להשתמש בכל קיבולת הזיכרון.

- ניהול חסימת זיכרון יחיד הוא פשוט וקל יותר להשגה.

- העיצוב של שבב המיקרו-בקר פשוט הרבה יותר, מכיוון שרק גישה לזיכרון אחד. הדבר החשוב ביותר במיקרו-בקר הוא גישה ל- RAM ובארכיטקטורת von Neumann ניתן להשתמש בו הן לאחסון נתונים והן לאחסון הוראות התוכנית.

פיתוח מערכות הפעלה

היתרון העיקרי שיש באותו זיכרון לתוכניות ונתונים הוא שניתן לעבד תוכניות כאילו היו נתונים. במילים אחרות, אתה יכול לכתוב תוכניות שהנתונים שלהן הם תוכניות אחרות.

תוכנית שהנתונים שלה הם תוכנית אחרת אינה אלא מערכת הפעלה. למעשה, אם אסור היה לאפשר תוכניות ונתונים באותו שטח זיכרון, כמו שקורה בארכיטקטורת פון נוימן, מעולם לא היו יכולים לפתח מערכות הפעלה.

חסרונות

למרות שהיתרונות עולים בהרבה על החסרונות, הבעיה היא שיש רק אוטובוס אחד המחבר את הזיכרון למעבד, כך שניתן יהיה להשיג הוראה אחת בלבד או פריט נתונים אחד בכל פעם.

משמעות הדבר היא כי ייתכן שהמעבד יצטרך להמתין זמן רב יותר לביצוע נתונים או הוראות. זה מכונה צוואר הבקבוק פון נוימן. מכיוון שמעבד ה- CPU מהיר בהרבה מאוטובוס הנתונים, פירוש הדבר שלעתים קרובות הוא אינו פעיל.

- בשל עיבוד ההוראות ברצף, אין לבצע יישום מקביל של התוכנית.

- על ידי שיתוף זיכרון, קיים סיכון כי הוראות אחת תיכתב על גבי אחרת בגלל שגיאה בתוכנית, מה שגורם למערכת להתרסק.

- תוכנות פגומות מסוימות אינן יכולות לשחרר זיכרון כאשר סיימו את זה, מה שעלול לגרום להקפאת המחשב בגלל חוסר זיכרון מספיק.

- הנתונים וההוראות חולקים את אותו אוטובוס נתונים, אם כי המהירות בה יש לאחזר כל אחד מהם בדרך כלל שונה מאוד.

הפניות

1. הנדסת מוליכים למחצה (2019). אדריכלות פון נוימן. נלקח מ: semiengineering.com
2. סקוט ת'ורנטון (2018). מה ההבדל בין ארכיטקטורות פון-נוימן להרווארד? טיפים למיקרו-בקר. נלקח מ: microcontrollertips.com.
3. ללמד תקשוב (2019). מכונת פון נוימן. נלקח מ: teach-ict.com.
4. מדעי המחשב (2019). אדריכלות פון נוימן. לקוח מ: computerscience.gcse.guru.
5. למד את ה- IT עם מר C (2019). מכונת פון נוימן. לקוח מ: learningitwithmrc.co.uk.
6. מדינת מצב מוצק (2017). איך מחשבים עובדים? אדריכלות פון נוימן. נלקח מ: solidstateblog.com.