Von Neumannov model

Iz MaFiRaWiki

Vsebina

Von Neumannov model računalnika

Leta 1945 je von Neumann objavil delo, v katerem je podrobno opisal princip delovanja računalnika. Kot izhodišče je postavil naslednje zahteve:

  • Računalnik mora biti obče uporaben in mora izvajati program avtomatsko.
  • Ukazi naj bodo shranjeni v enaki obliki in v isti enoti računalnika (pomnilniku) kot podatki, ki jih obdeluje.
  • Računalnik mora vsebovati centralno procesno enoto (CPE) in vhodno-izhodne enote. CPE mora biti zgrajena iz aritmetično-logične enote, ki bo izvajala operacije računanja, krmilne enote, ki bo razumela ukaze iz pomnilnika in upravljala z delovanjem računalnika. Preko vhodno-izhodne enote bo računalnik izmenjeval podatke med uporabnikom in okolico.
  • Delovanje računalnika naj bo zasnovano na osnovi dvojiškega številskega sestava. To je potrebno zaradi električne realizacije računalnika. Električna vezja najlažje ločijo dve diskretni vrednosti. Drugi razlog je logične narave, saj bo računalnik namenjen reševanju logičnih problemov, opisanih s stanjema da ali ne.

Velika večina današnjih računalnikov ima von Neumannovo arhitekturo.

Sestavni deli računalnika

Centralno procesna enota (CPE)

Centralna procesna enota je hkrati srce in možgani računalnika, saj se v njej izvajajo vse računalniške operacije:

  • izvajajo se programi
  • obdelujejo se podatki
  • kontrolira se izvajane vhodno izhodnih enot

Osnovni enoti CPE sta ALE in kontrolna enota. Ti dve enoti sta nujno potrebni pri izvedbi vsakega ukaza. Hitrost delovanja CPE je odvisna/izražena v številu ciklov na sekundo (Hz, Hertz, izg. herc). Ker so danes računalniki že precej hitri, se uporabljajo predpone M (izg. mega, 10 6 ) in G (izg. giga, 10 9 ). Moderne CPE merijo hitrost v obsegu GHz. Hitrost delovanja CPE je odvisna tudi od širine vodila in od velikosti predpomnilnika.

ALE (aritmetično-logična enota)

Tu poteka dejanska obdelava podatkov.

Kontrolna enota

Nadzira pretok podatkov med CPE in RAM-om. Kontrolna enota skrbi za prevzemanje ukazov in operandov ter za aktiviranje ustreznih operacij, ki se v večini primerov izvajajo v ALE.

Registri

V računalniku z besedo register označujemo eno ali več povezanih pomilniških celic, v katere je mogoče shraniti neko vrednost. Registri v CPE so dveh vrst:

  • programsko nedostopni
  • programsko dostopni

Prve ima vsaka CPE in so potrebni za realizacijo delovanja CPE. Drugi niso nujno potrebni, vendar jih ima velika večina današnjih računalnikov. To so pravzaprav majhen pomnilnik, ki ga uporablja programer pri reševanju problemov. Dostop do tega pomnilnika je hitrejši kot dostop do glavnega pomnilnika. S shranjevanjem operandov v registre je zato mogoče doseči hitrejše delovanje.

Von Neumann bottleneck

Izraz "bottleneck" je angleški in v direktnem prevodu pomeni vrat steklenice, sam izraz pa označuje posamezni del v sistemu, ki upočasnuje delovanje celotnega sistema. V Von Neumannovem je bottleneck delitev med CPE in glavnim pomnilnikom. Ta izraz se je prvič pojavil leta 1977, omenjal pa ga je John Backus. Problem nastane, ker je količina spomina in sposobnost procesiranja veliko večja kot pa prepustnost vodila med enoto CPE in pomnilnikom. Seveda je veliko rešitev, ki omenjeni problem omilijo, razvrščeni glede na prepustnost: Cache, ram, RAID, SATA (slednja sta malo naprednejša kontrolerja za disk), defragmentacija diska, ... Žal je to bolj zloglasni del Von Neumannovega modela, ki si je prislužil kar nekaj kritik, v drugače dokaj efektivnem sistemu.

Glavni pomnilnik

Bralno-pisalni pomnilniki ali RAM pomnilniki se v računalniških sistemih uporabljajo za začasno shranjevanje delov operacijskega sistema, sistemskih podatkov, stalnih programov, programov, ki se trenutno izvajajo in podatkov ter vmesnih rezultatov. Procesor, ki je navadno najhitrejša komponenta v računalniku, namreč procesira podatke veliko hitreje, kot jih je trdi disk zmožen podajati. Zato se večina operacij dogaja tako, da se vsebina najprej prebere in naloži v RAM pomnilnik, nato pa procesor nad temi podatki izvaja operacije.
Za vse te pomnilnike je značilno, da izgubijo vpisano informacijo, ko jim odvzamemo napajalno napetost. Informacijo lahko v pomnilnik poljubno krat vpišemo ali jo preberemo, ne da bi pri tem poškodovali strukturo pomnilne celice.
Za bralno-pisalne pomnilnike je uveljavljena oznaka RAM (Random Access Memory), kar bi lahko prevedli kot pomnilnik z naključnim dostopom; kar pa glede dostopa ne velja samo za te pomnilnike, ampak tudi za bralne. Naključni dostop seveda ne pomeni, da se podatki v pomnilniku zapisujejo in berejo naključno. Izraz izvira iz dejstva, da lahko v pomnilniku dostopamo do podatkov v poljubnem vrstnem redu, za razliko od določenih programsko organiziranih pomnilniških blokov, kjer je vrstni red branja in pisanja podatkov točno določen. Največja prednost polprevodniškega pomnilnika je njegova hitrost. Čas, ki je potreben za dostop do podatkov, se imenuje "dostopni čas". To je neposredna oznaka za hitrost pomnilnika. Moderni RAM ima dostopni čas 10 ns (1 ns = 1 nanosekunda = 1 milijardinka sekunde = 10 -9 s ).
Pomnilne celice v RAM integriranih vezjih so organizirane v matrike, ki imajo m vrstic in n stolpcev. Celice so locirane na presečišču vrstic in stolpcev. Vsaka lokacija v matriki ima svoj naslov.
Po izvedbi pomnilne celice delimo bralno-pisalne pomnilnike v statične pomnilnike RAM ali SRAM in dinamične pomnilnike RAM ali DRAM .
Pomnilniški moduli so narejeni v obliki ploščice tiskanega vezja, ki je običajno zelene barve. Na ploščico so nameščeni pomnilniški čipi, ki pa so ponavadi črne barve. Na voljo sta SIMM (Single In-line Memory Module) in DIMM (Dual In Line Memory Module) obliki. Ena razlika med SIMM in DIMM modulom je ta, da ima DIMM modul električne kontakte na obeh straneh. Naslednja razlika je, da ima standardni SIMM modul 32 bitno vodilo med pomnilniškimi čipi in matično ploščo, DIMM modul pa ima 64 bitno vodilo. Ker ima Intelov Pentium 64 bitno vodilo, sta morala biti uporabljena dva čim bolj enaka SIMM modula, da je procesor dostopal do njiju istočasno. Z DIMM moduli je bil ta problem odpravljen.

ROM

ROM (Read Only Memory) ali tudi bralni pomnilnik je tako kot RAM notranji pomnilnik. Za bralne pomnilnike veljata dve značilnosti. Prva je ta, da lahko njihovo vsebino le beremo, druga pa, da se vpisana informacija zadrži v pomnilniku tudi po izklopu napajanja. Vsebina ROM pomnilnika se zapiše v času izdelave polprevodniškega vezja z ustreznimi povezavami med elementi (takoimenovan mask ROM) in je potem ni več mogoče spreminjati. Osnovna celica ROM pomnilnika je CMOS ali bipolarni tranzistor, ali pa dioda. Vsaka celica predstavlja en bit informacije. Organizacijsko so ti pomnilniki besedno orientirani. Vsaka beseda je sestavljena iz več pomnilniških celic oziroma bitov. Dolžina besede v današnjih računalnikih je do 64 bitov. Najpogostejša dolžina besede pa je osem bitov. Za pomnilniško besedo lahko tudi rečemo, da je to najmanjše število bitov s svojim naslovom. Vsaki besedi damo namreč svoj pomnilniški naslov, ki je nenegativno celo število in to besedo enoumno določa. Tako lahko CPE dostopa do vsake besede v pomnilniku.
Tipična uporaba ROM pomnilnika je pri zagonu računalnika. V ROM pomnilniku je trajno zapisan osnovni program za zagon in delovanje računalnika – BIOS (Basic Input/Output Services).

Vhodne in izhodne enote

V CPE in v glavnem pomnilniku je informacija shranjena v obliki, ki zunanjemu svetu ni dostopna. Vsak računalnik ima zato del (vhodno/izhodne enote), ki je namenjen za prenos informacij v zunanji svet ali iz zunanjega sveta.

vir

www.robptuj.si


Povezave

Osebna orodja