VON NEUMANN MIMARISI: KÖKENI, MODELI, NASIL ÇALIŞTIĞI - TEKNOLOJI - 2024

Von Neumann mimarisi bir bilgisayar, bir program şu anda yapılan hemen hemen tüm bilgisayarlar için temel teşkil eden, içten depolamış böylece teorik tasarımdır.

Bir von Neumann makinesi, bir aritmetik mantık birimi ve bir kontrol birimi, ayrıca bir ana bellek, ikincil depolama ve giriş / çıkış cihazları içeren bir merkezi işlem biriminden oluşur.

Kaynak: David strigoi - Kendi çalışması, Public Domain, commons.wikimedia.org

Bu mimari, her hesaplamanın verileri bellekten çıkardığını, işlediğini ve ardından belleğe geri gönderdiğini varsayar.

Bir von Neumann mimarisinde, hem verileri hem de bir programı çalıştıran talimatları depolamak için aynı bellek ve aynı veri yolu kullanılır.

Mimari iyileştirme

Verilere ve program belleğine aynı anda erişilemediği için, von Neumann mimarisi darboğazlara eğilimlidir ve bilgisayar performansını zayıflatır. Bu, gücün, performansın ve maliyetin etkilendiği von Neumann darboğazı olarak bilinen şeydir.

Yapılan değişikliklerden biri, belleğe gerçekte ne kadar verinin gönderilmesi gerektiğini ve yerel olarak ne kadarının depolanabileceğini yeniden düşünmeyi içeriyordu.

Bu şekilde, her şeyi belleğe göndermek zorunda kalmak yerine, birden fazla önbellek ve proxy önbellek, işlemci yongalarından farklı cihazlara veri akışını azaltabilir.

Menşei

1945'te, II.Dünya Savaşı'ndan sonra, iki bilim insanı bağımsız olarak daha esnek bir bilgisayarın nasıl yapılacağını gündeme getirdi. Bunlardan biri matematikçi Alan Turing'di, diğeri de eşit derecede yetenekli bilim adamı John Von Neumann'dı.

İngiliz Alan Turing, 'Colossus' bilgisayarını kullanarak Bletchley Park'taki Enigma kodunu kırmaya karışmıştı. Öte yandan, Amerikalı John Von Neumann, çok sayıda manuel hesaplama gerektiren ilk atom bombasını yapmak için Manhattan Projesi üzerinde çalışıyordu.

O zamana kadar, savaş zamanı bilgisayarları, farklı bir görevi yerine getirmek için tüm makineyi yeniden bağlayarak aşağı yukarı "programlandı". Örneğin, ENIAC adlı ilk bilgisayarın farklı bir hesaplama yapmak için yeniden bağlanması üç hafta sürdü.

Yeni konsept, bir bellekte yalnızca verilerin depolanması değil, aynı zamanda bu verileri işleyen programın da aynı bellekte depolanması gerektiğinden oluşuyordu.

Bu dahili olarak depolanan program mimarisi genellikle 'Von Neumann' mimarisi olarak bilinir.

Bu yeni fikir, bu mimariye sahip bir bilgisayarın yeniden programlanmasının çok daha kolay olacağı anlamına geliyordu. Aslında, programın kendisi verilerle aynı şekilde ele alınacaktır.

model

Von Neumann modelinin ana temeli, programın dahili olarak bir makinede depolandığı düşüncesidir. Bellek birimi verileri ve ayrıca program kodunu içerir. Mimari tasarım şunlardan oluşur:

Kaynak: UserJaimeGallego'dan - Bu dosya Von Neumann Architecture.svg, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.org'dan alınmıştır.

- Merkezi İşlem Birimi (CPU)

Bir programın talimatlarını yürütmekten sorumlu olan dijital devredir. İşlemci olarak da adlandırılır. CPU, ALU, kontrol ünitesi ve bir dizi kayıt içerir.

Mantıksal aritmetik birim

Mimarinin bu kısmı yalnızca veriler üzerinde aritmetik ve mantıksal işlemlerin gerçekleştirilmesiyle ilgilidir.

Toplama, çarpma, bölme ve çıkarmaya ilişkin olağan hesaplamalar mevcut olacak, ancak "büyüktür", "küçüktür", "eşittir" gibi veri karşılaştırmaları da mevcut olacaktır.

Kontrol ünitesi

Bilgisayardaki ALU, bellek ve giriş / çıkış cihazlarının çalışmasını kontrol ederek, hafızadan okuduğunuz programdaki talimatlara nasıl davranacaklarını bildirir.

Kontrol ünitesi, veri ve programların hafızaya ve hafızadan taşınması sürecini yönetecektir. Ayrıca, programın talimatlarını birer birer veya sırayla yürütmeye de özen gösterir. Bu, ara değerleri tutacak bir kayıt fikrini içerir.

kayıtlar

CPU'da yüksek hızlı depolama alanlarıdır. Tüm veriler, işlenmeden önce bir kayıt defterinde saklanmalıdır.

Hafıza adres kaydı, erişilecek verinin hafıza konumunu içerir. Hafıza veri kaydı, hafızaya aktarılan verileri içerir.

- Hafıza

Bilgisayar, verileri işleyen programın yanı sıra verileri tutabilen belleğe sahip olacaktır. Modern bilgisayarlarda bu bellek RAM veya ana bellektir. Bu bellek hızlıdır ve doğrudan CPU tarafından erişilebilir.

RAM hücrelere bölünmüştür. Her hücre bir adresten ve içeriğinden oluşur. Adres, bellekteki her konumu benzersiz şekilde tanımlayacaktır.

- Giriş çıkış

Bu mimari, bir kişinin giriş-çıkış cihazları aracılığıyla makineyle etkileşime girmesi gerektiği fikrini yakalamaya olanak tanır.

- Otobüs

Bilginin bilgisayarın farklı bölümleri arasında akması gerekir. Von Neumann mimarisine sahip bir bilgisayarda, tüm CPU birimlerini ana belleğe bağlayarak bir veri yolu boyunca bir cihazdan diğerine bilgi aktarılır.

Adres veriyolu, işlemci ve bellek arasında veri adreslerini taşır, ancak verileri taşımaz.

Veri yolu, işlemci, bellek ve giriş-çıkış aygıtları arasında veri taşır.

Von Neumann mimarisi nasıl çalışır?

Von Neumann mimarisinin ilgili ilkesi, hem verilerin hem de talimatların bellekte depolanması ve aynı şekilde ele alınmasıdır; bu, talimatların ve verilerin yönlü olduğu anlamına gelir.

Dört basit adımı kullanarak çalışır: "Makine Döngüsü" adı verilen bulma, kod çözme, yürütme, saklama.

Talimatlar CPU tarafından bellekten alınır. CPU daha sonra bu talimatları çözer ve yürütür. Komut yürütme döngüsü tamamlandıktan sonra sonuç bellekte saklanır.

Aramak

Bu adımda, talimatlar RAM'den alınır ve kontrol ünitesi tarafından erişim için önbelleğe alınır.

Kod Çözme

Kontrol ünitesi, komutların kodunu mantıksal aritmetik birimin anlayabileceği şekilde çözer ve ardından bunları mantıksal aritmetik birime gönderir.

Çalıştırmak

Aritmetik mantıksal birim, talimatları yürütür ve sonucu önbelleğe geri gönderir.

Stoklamak

Program sayacı durdurmayı gösterdiğinde, nihai sonuç ana belleğe indirilir.

darboğaz

Bir Von Neumann makinesi bellekteki verilerle bir işlem yapmak isterse, veri yolu üzerinden CPU'ya aktarılması gerekir. Hesaplamayı yaptıktan sonra, sonucun aynı veri yolu üzerinden belleğe taşınması gerekir.

Von Neumann darboğazı, hafızaya girilen veya hafızadan kaldırılan verilerin mevcut hafıza işlemi tamamlanırken oyalanması gerektiğinde oluşur.

Yani, işlemci bir hesaplamayı henüz tamamlamışsa ve bir sonrakini gerçekleştirmeye hazırsa, aynı veri yolunu kullanan bellekten yeni verileri alabilmesi için veri yolunu işgal eden bitmiş hesaplamayı belleğe yazması gerekir.

Mikroişlemciler hızlarını artırdığından ve diğer yandan bellek çok hızlı ilerlemediğinden, bu darboğaz zamanla daha da kötüleşti.

avantaj

- Kontrol ünitesi verileri ve talimatları aynı şekilde bellekten alır. Bu nedenle, kontrol ünitesinin tasarımı ve geliştirilmesi basitleştirilir, daha ucuz ve daha hızlıdır.

- Giriş / çıkış cihazlarından ve ana bellekten gelen veriler aynı şekilde alınır.

- Hafızanın organizasyonu, tüm hafıza kapasitesinin kullanılmasına izin veren programcılar tarafından gerçekleştirilir.

- Tek bir bellek bloğunu yönetmek daha basit ve başarılması daha kolaydır.

- Mikrodenetleyici çipinin tasarımı, yalnızca bir belleğe erişileceği için çok daha basittir. Mikrodenetleyici ile ilgili en önemli şey RAM'e erişimdir ve von Neumann mimarisinde bu hem verileri depolamak hem de program talimatlarını saklamak için kullanılabilir.

İşletim sistemlerinin geliştirilmesi

Programlar ve veriler için aynı belleğe sahip olmanın temel avantajı, programların verimiş gibi işlenebilmesidir. Başka bir deyişle, verileri başka programlar olan programlar yazabilirsiniz.

Verileri başka bir program olan bir program, bir işletim sisteminden başka bir şey değildir. Aslında, von Neumann mimarisinde olduğu gibi aynı bellek alanında programlara ve verilere izin verilmeseydi, işletim sistemleri asla geliştirilemezdi.

Dezavantajları

Avantajları dezavantajlardan çok daha ağır bassa da, sorun hafızayı işlemciye bağlayan yalnızca bir veriyolu olması, dolayısıyla bir seferde yalnızca bir komut veya bir veri öğesi getirilebilir.

Bu, işlemcinin veri veya talimatların gelmesi için daha uzun süre beklemesi gerekebileceği anlamına gelir. Bu, von Neumann darboğazı olarak bilinir. CPU, veri yolundan çok daha hızlı olduğu için, bu genellikle boşta olduğu anlamına gelir.

- Komutların sıralı olarak işlenmesi nedeniyle, programın paralel olarak uygulanmasına izin verilmez.

- Belleği paylaşarak, programdaki bir hata nedeniyle bir talimatın diğerinin üzerine yazılması ve sistemin çökmesine neden olma riski vardır.

- Bazı bozuk programlar, işlerini bitirdiklerinde belleği boşaltamazlar, bu da yetersiz bellek nedeniyle bilgisayarın donmasına neden olabilir.

- Veri ve talimatlar aynı veri yolunu paylaşır, ancak her birinin alınması gereken hız genellikle çok farklıdır.

Referanslar

1. Yarıiletken Mühendisliği (2019). Von Neumann Mimarisi. Alındığı: semiengineering.com
2. Scott Thornton (2018). Von-Neumann ve Harvard mimarileri arasındaki fark nedir? Mikrodenetleyici İpuçları. Microcontrollertips.com adresinden alınmıştır.
3. ICT'yi öğretin (2019). Von Neumann makinesi. Teach-ict.com adresinden alınmıştır.
4. Bilgisayar Bilimi (2019). Von Neumann Mimarisi. Alındığı kaynak: computercience.gcse.guru.
5. Mr C (2019) ile BT öğrenin. Von Neumann makinesi. Alındığı kaynak: learnitwithmrc.co.uk.
6. Katı Hal Medyası (2017). Bilgisayarlar nasıl çalışır? Von Neumann Mimarisi. Alınan: solidstateblog.com.