Von Neumannova arhitektura

Von Neumannova arhitektura, poznata i kao von Neumannov model ili Princeton arhitektura je računarska arhitektura zasnovana na opisu matematičara i fizičara Johna von Neumanna iz 1945. godine u Prvom nacrtu izvještaja o EDVAC-u.^[1] Taj dokument opisuje dizajn arhitekture za elektronski digitalni kompjuter sa ovim komponentama:

• Procesorska jedinica za obradu koja sadrži aritmetičku logičku jedinicu i procesorske registre
• Upravljačka jedinica koja sadrži instrukcijski registar i programski brojač
• Memorija koja pohranjuje podatke i instrukcije
• Disk za pohranu
• Ulazno/izlazni mehanizmi^[1][2]

Šematski^{[mrtav link]} prikaz Von Neumannove arhitekture

Izraz "von Neumannova arhitektura" se danas odnosi na svaki računar koji sprema programske instrukcije u elektronsku memoriju u kojoj se instrukcijski ciklus i podatkovna operacija ne mogu desiti u istom momentu jer dijele zajedničku sabirnicu . To se naziva Von Neumannovo usko grlo i često ograničava performanse sistema.^[3]

Dizajn ove arhitekture je jednostavniji od harvardske arhitektonske mašine koji je također sistem pohranjenog programa, ali ima jedan namjenski skup adresa i podatkovnih sabirnica za čitanje i pisanje u memoriju, te drugi skup adresa i podatkovnih sabirnica za dohvaćanje instrukcija.

Digitalni računar pohranjenog programa čuva i programske upute i podatke u memoriji sa nasumičnim pristupom (RAM) za čitanje i pisanje. Računari sa pohranjenim programom bili su napredak nad računarima iz 1940-ih, poput Colossus-a i ENIAC-a. Oni su programirani postavljanjem prekidača i umetanjem kablova za usmjeravanje podataka i upravljačkih signala između različitih jedinica.

Sposobnosti

U velikoj mjeri, sposobnost tretiranja uputa kao podataka je omogućilo asemblere, kompajlere, linkere, loadere i druge alate za automatsko programiranje. Omogućava "programe koji pišu programe".^[4]

Neki programski jezici visokog nivoa utiču na von Neumannovu arhitekturu tako što pružaju apstraktni, mašinski nezavisan način manipulacije izvršnim kodom pri izvođenju (npr. LISP).

Rani računari von Neumannove arhitekture

• ARC2 (Birkbeck, Univerzitet u Londonu) 12. maj 1948.^[5]
• Manchester Baby (Univerzitet Victoria u Manchesteru, Engleska) 21. juni 1948.
• EDSAC (Univerzitet u Cambridgeu, Engleska) maj 1949
• Manchester Mark 1 (Univerzitet u Manchesteru, Engleska) juni 1949
• CSIRAC, Australija, novembar 1949.
• EDVAC, 1951
• ORDVAC, novembar 1951^[6]
• IAS mašina na Univerzitetu Princeton, januar 1952
• MANIAC I, mart 1952.
• ILLIAC, septembar 1952.
• BESM-1 u Moskvi, 1952
• BESK u Štokholmu, 1953
• JOHNNIAC, Izrael, januar 1954.
• DASK u Danskoj, 1955.
• PERM u Minhenu, 1956.?

Evolucija

Evolucija arhitekture sa jednom sistemskom sabirnicom

Između 1960-ih i 1970-ih računari su uglavnom postali i manji i brži, što je dovelo do evolucije u njihovoj arhitekturi. Na primjer, memorijski mapirani ulazno/izlazni uređaji se mogu tretirati isto kao i memorija.^[7] Jedna sistemska sabirnica se može koristiti za pružanje modularnog sistema. To se ponekad naziva "moderniziranje" arhitekture.^[8] U sljedećim desetljećima, jednostavniji mikrokontroleri su često izostavljali neke mogućnosti zbog smanjivanja troškova ili veličine uređaja. S druge strane, veći računari dodavali mogućnosti za veće performanse.

Ograničenja dizajna

Von Neumannovo usko grlo

Dijeljena sabirnica između programske memorije i podatkovne memorije dovodi do von Neumannova uskog grla, ograničene propusnosti (brzina prenosa podataka) između centralnog procesora (CPU) i memorije u odnosu na količinu memorije. Procesor je stalno prisiljen čekati da potrebni podaci pređu u memoriju ili iz nje.

Postoji nekoliko poznatih metoda za ublažavanje uskog grla. Na primjer, sljedeće stvari mogu poboljšati performanse:

• Procesorska keš memorija (cache) između CPU-a i glavne memorije
• korištenje algoritama i logike za predviđanje grananja.
• Smanjenje latencije između procesorskih registara i glavne memorije, pružajući veću lokalnost referenci —​ pojava koja opisuje istu vrijednost, ili odgovarajuće lokacije za skladištenje kojima se često pristupa

Problem se može donekle zaobići i paralelnim sistemima, koristeći na primjer, NUMA arhitekturu —​ ovaj pristup se obično koristi kod superračunara.

Također pogledajte

• Mašina sa slučajnim pristupom
• Turing mašina
• Neuromorfni inženjering
• Eckert arhitektura