KIẾN TRÚC VON NEUMANN: NGUỒN GỐC, MÔ HÌNH, CÁCH THỨC HOẠT ĐỘNG - CÔNG NGHỆ - 2025

Các kiến trúc von Neumann là một thiết kế lý thuyết để một máy tính có thể có một chương trình lưu trữ nội bộ, phục vụ như là cơ sở cho hầu hết các máy tính hiện đang thực hiện.

Máy von Neumann bao gồm một đơn vị xử lý trung tâm, bao gồm một đơn vị logic số học và một đơn vị điều khiển, cùng với một bộ nhớ chính, bộ lưu trữ phụ và các thiết bị nhập / xuất.

Nguồn: David strigoi - Tác phẩm riêng, Miền công cộng, commons.wikimedia.org

Kiến trúc này giả định rằng mọi tính toán đều trích xuất dữ liệu từ bộ nhớ, xử lý và sau đó gửi dữ liệu trở lại bộ nhớ.

Trong kiến ​​trúc von Neumann, cùng một bộ nhớ và cùng một bus được sử dụng để lưu trữ cả dữ liệu và các lệnh thực thi một chương trình.

Cải tiến kiến ​​trúc

Bởi vì dữ liệu và bộ nhớ chương trình không thể được truy cập cùng một lúc, kiến ​​trúc von Neumann dễ bị tắc nghẽn và hiệu suất máy tính suy yếu. Đây là những gì được gọi là nút thắt cổ chai von Neumann, nơi năng lượng, hiệu suất và chi phí bị ảnh hưởng.

Một trong những thay đổi được thực hiện liên quan đến việc xem xét lại lượng dữ liệu thực sự cần được gửi vào bộ nhớ và lượng dữ liệu có thể được lưu trữ cục bộ.

Bằng cách này, thay vì phải gửi mọi thứ vào bộ nhớ, nhiều bộ nhớ đệm và bộ nhớ đệm proxy có thể làm giảm luồng dữ liệu từ các chip xử lý đến các thiết bị khác nhau.

Gốc

Năm 1945, sau Thế chiến thứ hai, hai nhà khoa học đã độc lập nêu ra cách chế tạo một chiếc máy tính dễ uốn hơn. Một trong số đó là nhà toán học Alan Turing và người còn lại là nhà khoa học tài năng không kém John Von Neumann.

Alan Turing, người Anh đã tham gia bẻ khóa mã Enigma ở Bletchley Park, sử dụng máy tính 'Colossus'. Mặt khác, John Von Neumann người Mỹ đang làm việc trong Dự án Manhattan để chế tạo quả bom nguyên tử đầu tiên, đòi hỏi rất nhiều tính toán thủ công.

Cho đến lúc đó, các máy tính thời chiến ít nhiều được "lập trình" bằng cách kết nối lại toàn bộ máy để thực hiện một nhiệm vụ khác. Ví dụ, máy tính đầu tiên có tên ENIAC đã mất ba tuần để kết nối lại để thực hiện một phép tính khác.

Khái niệm mới bao gồm trong một bộ nhớ không chỉ dữ liệu phải được lưu trữ mà còn phải lưu trữ chương trình xử lý dữ liệu đó trong cùng một bộ nhớ.

Kiến trúc chương trình được lưu trữ nội bộ này thường được gọi là kiến ​​trúc 'Von Neumann'.

Ý tưởng mới lạ này có nghĩa là một máy tính với kiến ​​trúc này sẽ dễ dàng lập trình lại hơn nhiều. Thật vậy, bản thân chương trình sẽ được xử lý giống như dữ liệu.

Mô hình

Nền tảng chính của mô hình Von Neumann là suy nghĩ rằng chương trình được lưu trữ bên trong một máy. Bộ nhớ chứa dữ liệu và cả mã chương trình. Thiết kế kiến ​​trúc bao gồm:

Nguồn: Từ UserJaimeGallego - Tệp này được lấy từ Von Neumann Architecture.svg, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.org

- Bộ phận xử lý trung tâm (CPU)

Nó là mạch kỹ thuật số có nhiệm vụ thực hiện các lệnh của một chương trình. Nó còn được gọi là bộ xử lý. CPU chứa ALU, đơn vị điều khiển và một tập hợp các thanh ghi.

Đơn vị số học logic

Phần kiến ​​trúc này chỉ tham gia vào việc thực hiện các phép toán số học và logic trên dữ liệu.

Các phép tính cộng, nhân, chia và trừ thông thường sẽ có sẵn, nhưng các phép so sánh dữ liệu như 'lớn hơn', 'nhỏ hơn', 'bằng' cũng sẽ có sẵn.

Đơn vị điều khiển

Nó kiểm soát hoạt động của ALU, bộ nhớ và các thiết bị đầu vào / đầu ra của máy tính, hướng dẫn chúng cách hoạt động theo các hướng dẫn trong chương trình bạn vừa đọc từ bộ nhớ.

Khối điều khiển sẽ quản lý quá trình di chuyển dữ liệu và chương trình đến và đi từ bộ nhớ. Nó cũng sẽ đảm nhận việc thực hiện các lệnh của chương trình, từng lệnh một hoặc tuần tự. Điều này bao gồm ý tưởng về một thanh ghi để giữ các giá trị trung gian.

Hồ sơ

Chúng là vùng lưu trữ tốc độ cao trên CPU. Tất cả dữ liệu phải được lưu trữ trong một sổ đăng ký trước khi nó có thể được xử lý.

Thanh ghi địa chỉ bộ nhớ chứa vị trí bộ nhớ của dữ liệu được truy cập. Thanh ghi dữ liệu bộ nhớ chứa dữ liệu được chuyển vào bộ nhớ.

- Ký ức

Máy tính sẽ có bộ nhớ có thể chứa dữ liệu, cũng như chương trình xử lý dữ liệu đó. Trong máy tính hiện đại bộ nhớ này là RAM hoặc bộ nhớ chính. Bộ nhớ này nhanh và có thể truy cập trực tiếp bởi CPU.

RAM được chia thành các ô. Mỗi ô bao gồm một địa chỉ và nội dung của nó. Địa chỉ sẽ xác định duy nhất từng vị trí trong bộ nhớ.

- Cổng ra

Kiến trúc này cho phép nắm bắt ý tưởng rằng một người cần tương tác với máy, thông qua các thiết bị đầu vào - đầu ra.

- Xe buýt

Thông tin phải lưu chuyển giữa các phần khác nhau của máy tính. Trong máy tính có kiến ​​trúc von Neumann, thông tin được truyền từ thiết bị này sang thiết bị khác dọc theo một bus, kết nối tất cả các đơn vị CPU với bộ nhớ chính.

Bus địa chỉ mang địa chỉ của dữ liệu, nhưng không phải dữ liệu, giữa bộ xử lý và bộ nhớ.

Bus dữ liệu mang dữ liệu giữa bộ xử lý, bộ nhớ và các thiết bị đầu vào-đầu ra.

Kiến trúc von Neumann hoạt động như thế nào?

Nguyên tắc liên quan của kiến ​​trúc von Neumann là cả dữ liệu và hướng dẫn đều được lưu trữ trong bộ nhớ và được xử lý như nhau, có nghĩa là các lệnh và dữ liệu đều có hướng.

Nó hoạt động bằng bốn bước đơn giản: tìm, giải mã, thực thi, lưu trữ, được gọi là "Chu trình máy".

Các lệnh được CPU lấy từ bộ nhớ. Sau đó CPU sẽ giải mã và thực hiện các lệnh này. Kết quả được lưu lại trong bộ nhớ sau khi chu trình thực hiện lệnh hoàn tất.

Tìm kiếm

Trong bước này, các hướng dẫn được lấy từ RAM và được lưu vào bộ nhớ đệm để thiết bị điều khiển truy cập.

Giải mã

Bộ điều khiển giải mã các lệnh theo cách mà đơn vị số học logic có thể hiểu được chúng, và sau đó gửi chúng đến đơn vị số học logic.

Chạy

Đơn vị logic số học thực hiện các lệnh và gửi kết quả trở lại bộ nhớ đệm.

Cất hàng hóa trong kho

Khi bộ đếm chương trình cho biết dừng, kết quả cuối cùng được tải xuống bộ nhớ chính.

Nút cổ chai

Nếu một máy Von Neumann muốn thực hiện một hoạt động với dữ liệu trong bộ nhớ, nó phải được chuyển qua bus tới CPU. Sau khi thực hiện phép tính, kết quả cần được chuyển vào bộ nhớ thông qua cùng một bus.

Nút cổ chai Von Neumann xảy ra khi dữ liệu được nhập hoặc xóa khỏi bộ nhớ phải kéo dài trong khi hoạt động bộ nhớ hiện tại hoàn tất.

Có nghĩa là, nếu bộ xử lý vừa hoàn thành một phép tính và sẵn sàng thực hiện phép tính tiếp theo, nó phải ghi phép tính đã hoàn thành, chiếm bus, vào bộ nhớ trước khi nó có thể lấy dữ liệu mới từ bộ nhớ, vốn cũng sử dụng cùng bus.

Sự tắc nghẽn này ngày càng trở nên tồi tệ hơn theo thời gian, bởi vì các bộ vi xử lý đã tăng tốc độ của chúng và mặt khác, bộ nhớ không được nâng cao nhanh chóng.

Lợi thế

- Khối điều khiển lấy dữ liệu và hướng dẫn theo cách tương tự từ bộ nhớ. Do đó, việc thiết kế và phát triển khối điều khiển được đơn giản hóa, rẻ hơn và nhanh hơn.

- Dữ liệu từ thiết bị đầu vào / đầu ra và bộ nhớ chính được truy xuất theo cùng một cách.

- Việc tổ chức bộ nhớ do người lập trình thực hiện cho phép sử dụng hết dung lượng bộ nhớ.

- Quản lý một khối bộ nhớ đơn giản và dễ đạt được hơn.

- Thiết kế của chip vi điều khiển đơn giản hơn rất nhiều, vì sẽ chỉ có một bộ nhớ được truy cập. Điều quan trọng nhất của vi điều khiển là quyền truy cập vào RAM và trong kiến ​​trúc von Neumann, nó có thể được sử dụng cả để lưu trữ dữ liệu và lưu trữ các lệnh chương trình.

Phát triển hệ điều hành

Ưu điểm chính của việc có cùng bộ nhớ cho các chương trình và dữ liệu là các chương trình có thể được xử lý như thể chúng là dữ liệu. Nói cách khác, bạn có thể viết các chương trình có dữ liệu là các chương trình khác.

Một chương trình có dữ liệu là một chương trình khác không hơn gì một hệ điều hành. Trên thực tế, nếu các chương trình và dữ liệu không được phép sử dụng trong cùng một không gian bộ nhớ, như trường hợp của kiến ​​trúc von Neumann, thì hệ điều hành có thể không bao giờ được phát triển.

Nhược điểm

Mặc dù ưu điểm vượt xa nhược điểm, nhưng vấn đề là chỉ có một bus kết nối bộ nhớ với bộ xử lý, do đó chỉ có thể tìm nạp một lệnh hoặc mục dữ liệu tại một thời điểm.

Điều này có nghĩa là bộ xử lý có thể phải đợi lâu hơn để có dữ liệu hoặc hướng dẫn. Đây được gọi là nút thắt cổ chai von Neumann. Vì CPU nhanh hơn nhiều so với bus dữ liệu, điều này có nghĩa là nó thường không hoạt động.

- Do xử lý tuần tự các lệnh nên không cho phép thực hiện song song chương trình.

- Bằng cách chia sẻ bộ nhớ, có nguy cơ một lệnh sẽ được ghi đè lên lệnh khác do lỗi trong chương trình, gây ra sự cố hệ thống.

- Một số chương trình bị lỗi không thể giải phóng bộ nhớ khi chúng được thực hiện với nó, điều này có thể khiến máy tính bị treo do không đủ bộ nhớ.

- Dữ liệu và hướng dẫn chia sẻ cùng một bus dữ liệu, mặc dù tốc độ mà mỗi thứ phải được truy xuất thường rất khác nhau.

Người giới thiệu

1. Kỹ thuật bán dẫn (2019). Kiến trúc Von Neumann. Lấy từ: semiengineering.com
2. Scott Thornton (2018). Sự khác biệt giữa kiến ​​trúc Von-Neumann và Harvard là gì? Mẹo vi điều khiển. Lấy từ: microcontrollertips.com.
3. Dạy về CNTT-TT (2019). Cỗ máy Von Neumann. Lấy từ: Teaching-ict.com.
4. Khoa học máy tính (2019). Kiến trúc Von Neumann. Lấy từ: computercience.gcse.guru.
5. Học CNTT với Mr C (2019). Cỗ máy Von Neumann. Lấy từ: learningnitwithmrc.co.uk.
6. Solid State Media (2017). Máy tính hoạt động như thế nào? Kiến trúc Von Neumann. Lấy từ: solidstateblog.com.