Von Neumannova architektúra

Mgr. Viliam Jedinák

História

• Takmer všetky počítače, či už sú to obyčajné stolové počítače, či servery, palubné počítače v aute, mobilné telefóny alebo PDA zariadenia pracujú na princípe, ktorý popísal už v roku 1945 americký matematik židovského pôvodu narodený v Maďarsku John von Neumann.
• Architektúra, ktorá je dnes najrozšírenejšia je pomenovaná podľa svojho tvorcu, teda Von Neumannova architektúra.

• Von Neumannova schéma predstavuje v súčasnosti blokový popis počítača.
• Blok v čase jej vzniku predstavoval časť zariadenia v samostatných skriniach s objemom niekoľkých metrov kubických.
• V súčasnosti to môže byť niekoľko milimetrov kubických v rámci dosky plošného spoja. Každopádne ale princíp celkov a ich prepojenia je zachovaný do dnes.

Vlastnosti

• počítač sa skladá:
• procesor
• pamäť
• vstupno-výstupné zariadenia
• program je uložení v pamäti počítača
• procesor vykonáva inštrukcie programu postupne
• údaje sa spracovávajú v dvojkovej sústave

​

ALU – Aritmeticko-Logická jednotka

• Jednotka vykonávajúca všetky aritmetické a logické operácie.
• Obsahuje bloky určené na aritmetické operácie ako sčítanie, odčítanie, násobenie a delenie a bloky na logické operácie ako porovnávanie a pod.
• Úlohou ALU je krok po kroku vykonávať program uložený v pamäti.

Operačná pamäť 

• slúži ako skladisko pre samotný program, dáta programu, dočasné skladisko pre medzi výpočty a samotné výsledky.
• V operačnej pamäti sa nachádzajú miesta na uloženie dát, ktoré je možné adresovať a tým čítať a zapisovať z a do ľubovoľného miesta v pamäti. Najzákladnejšou bunkou pamäte je jeden bit, ktorý reprezentuje logický stav 0 alebo 1. 
• Teda:�1 kilobajt = 2¹⁰ bajtov = 1024 bajtov�1 megabajt = 1024 kilobajtov = 2²⁰ bajtov = 1 048 576 bajtov�1 gigabajt = 1024 megabajtov = 2³⁰ bajtov = 1 073 741 824 bajtov�1 terabajt = 1024 gigabajtov = 2⁴⁰ bajtov = 1 099 511 627 776 bajtov

Radič

• Riadiaca jednotka počítača, ktorá riadi jeho celú činnosť. Toto riadenie sa uskutočňuje pomocou riadiacich signálov, ktoré predáva každému zariadeniu. Reakciou na riadiace signály sú stavové hlásenia radiča, ktoré sú mu posielané na spracovanie a následné rozhodnutie nad ďalším krokom.

Vstupné zariadenie 

• zariadenie, ktoré slúži na vstup programu a dát

Výstupné zariadenie 

• zariadenie, ktoré slúži na výstup spracovaných dát

Medzi týmito blokmi počítačovej schémy prebieha neustála komunikácia, ktorá sa dá rozdeliť na tri časti

• Riadiace signály radiča – týmito signálmi predáva radič informácie ostatným zariadeniam svoje požiadavky.�Stavové hlásenia pre radič – tieto signály sú v podstate odpoveďou na riadiace signály. Zariadenie nimi dáva informácie radiču o úspešnej/neúspešnej vykonaní požadovanej operácie, poprípade poskytne dodatočné informácie požadované radičom.�Dátový tok – predstavuje samotné dáta prúdiace zo vstupných zariadení cez ALU do pamäte alebo výstupných zariadení.

Dnešné počítače sa v akomkoľvek prevedení a forme v teoretickej rovine podobajú tejto schéme.

• Dnešné počítače dokážu spracovávať niekoľko úloh a teda aj programov naraz – multitasking.
• Počítač môže disponovať viacerými procesormi.
• Existujú aj takzvané vstupno/výstupné zariadenia, z a do ktorých môže byť program a jeho výsledky zapísané a načítané.
• Program sa nemusí zaviesť do pamäti celý, stačí len jeho najdôležitejšia časť, pričom ostatné časti sa zavedú vo chvíli keď sú potrebné
• Program sa nemusí nahrávať do pamäte cez procesor – DMA (Direct Memory Access – priamy prístup do pamäte), šetrí procesorový čas, ktorý sa vďaka tomu môže venovať vykonávaniu programu.

​

Harvardská architektúra

• Táto architektúra bola navrhnutá Howardom Aikenom v 30. rokoch minulého storočia na Harvardskej univerzite v Spojených štátoch pri vývoji reléového počítače HARVARD MARK 1 (1944). Ďalej bola využitá na Pensylvánskej univerzite pre elektronkový počítač ENIAC.
• Bola to  moderná koncepcia, ale technické prostriedky v tej dobe neumožnili jej realizáciu a preto bola zavrhnutá a bola prevzatá koncepcia von Neumannova.
• Neskôr asi po štyridsiatich rokoch dosiahla technológia výroby integrovaných obvodov takého stupňa, že mohla byť táto koncepcia realizovaná.

Vlastnosti

• 1.  pamäť programu je oddelená od pamäti dát�2.  oddelené zbernice�3. riadenie procesora je oddelené od riadenia vstupných a výstupných jednotiek (nie sú napojené priamo na ALU)

Výhody:�

• inštrukcie a dáta sú uložené v rôznych pamäťových priestoroch
• zbernice môžu mať rôzne šírky
• súčasne sa môžu spracovávať inštrukcie aj dáta
• majú oddelený adresný priestor pre program a pre údaje
• program nemôže prepísať sám seba
• možnosť zreťazenia inštrukcií (pipelining) (spracovanie viacerých inštrukcií naraz) → možnosť rýchlejšieho spracovania väčšieho objemu dát

Nevýhody:�dve zbernice kladú vyššie nároky na vývoj riadiacej jednotky procesora a zvyšujú i náklady na výrobu výsledného počítača

• nevyužitá časť pamäte dát sa nedá použiť pre program a naopak

Použitie:�pre jednoúčelové počítače

• mikrokontroléry

​