Фон Нейман архитектур

Фон Нейман архитектурын схем

Фон Нейман архитектур (Англи: Von Neumann architecture, мөн Фон Нейман загвар (Англи: Von Neumann model) эсвэл Принстоны архитектур (Англи: Princeton architecture) гэдэг) нь 1945 онд математикч, физикч Жон фон Нейманы тэргүүлэн зохиосон компьютерын архитектур.

Электорон, тоон компьютерын зохиомжийн архитектурыг дараах байхдлаар тодорхойлсон байдаг: арифметик логик нэгж (ALU) болон процессорын регистрүүдээс тогтох боловсруулах хэсэг; инструкцийн регистр болон програмын тоолуураас тогтох удирдлагын хэсэг; өгөгдөл болон инструкцыг хадгалах санах ой; гадны санах ой; оролт гаралтын механизм. Фон Нейманы архитектур гэсэн нэрийг өнөө үед инструкцийг авчрах (fetch), өгөгдөлтэй холбоотой үйлдлийг нэгэн зэрэг хийх боломжгүй архитектур хэмээн ойлгодог. Учир нь эдгээр үйлдлийг гүйцэтгэхдээ нэг шугамыг (bus) ашигласан байдаг. Үүнийг Von Neumann bottleneck гэдэг бөгөөд системийн үр бүтээмжийг доошлуулдаг сул талтай.

Фон Нейман архитектур нь илүү орчин үеийн Харвард архитектураас (гэхдээ мөн адил stored program архитектурын төрөл) хялбар бүтэцтэй бөгөөд ялгаа нь Харвард архитектурд санах ойгоос өгөгдөл уших, санах ой руу өгөгдөл бичихэд зориулсан тус тусын хаяг, өгөгдлийн шугам, түүнчлэн инструкцийг авчрахад тусдаа хаяг, өгөгдлийн шугамтай.

Stored program digital computer буюу програмыг хадгалдаг компьютер нь инструкц буюу програм болон өгөгдлөө RAM-д хадгалдаг компьютерийн төрөл. 1940-өөд оны компьютер нь (Colossus, ENIAC гэх мэт) нь өгөгдлийн урсгалыг зохицуулж ялгаатай төхөөрөмж хооронд дохиог дамжуулахын тулд свич/унтраалга, патч кабелийг хэрэглэдэг байв. Орчин үеийн ихэнх компьютерт өгөгдөл, програмын инструкцийг хадгалахдаа ижил санах ойг хэрэглэдэг учраас Фон Нейманы, Хардардын гэсэн ялгааг зөвхөн CPU-гийн кэйшийн хувьд ялгаатай хэмээн авч үздэг.

Бүтэц

Жон Фон Нейман нь математикч, квант физик, квант логик, функциональ анализ, олонлогын онол, мэдээлэл зүй, эдийн засаг зэрэг бусад шинжлэх ухаанд чухал хув нэмэр оруулсан. Орчин үеийн компьютерийн архитектурыг зохиосон. Загвар(architecture) гэдэг үг нь эрт дээр үеэс зөвхөн “барилгын уран загвар” утгаар урлахуй ухаанд хэрэглэгдэж байсан.

Компьютер загварчилгаа: Үйлдвэрлэл, үйлчилгээ, бизнесийн системүүдийг судлах зорилгоор математик ба логик загвар дээр үндэслэн компьютерээр турших тооцох аргаар түүнийг боловсруулах үйл явц юм. Компьютерийн архитектур нь компьютерийн эд анги болон үндсэн үйлдлүүдийн логик дүрслэл юм. Fetch буюу үйлдлийг авчрах үйлдэл: Үйлдлийг санах ойгоос авчирна. Програмын тоолуур нь нэг хэсэг юм. Энэ үйлдэл хянах ойн аль хэсэгт байрлаж байгааг заана. Програмын тоолуурыг нэмэгдүүлдэг. Програм тоолуур нь дараачынх үйлдлийг нь заана. Нийтлэг удирдамж нь биелэх циклын орчин үеийн архитектур-ын системтэй хамт гүйцэтгэгддэг. Эхний аргын заавар нь ой санамж ба бүртгэлийн захирамж нь зааврыг тэмдэглэж авдаг. Зааврыг тайлбарлах ба магадгүй үйлд өртөх шалтгаан дотоод тэмдэглэл мөн зарим ой санамж, бүртгэлийг дууддаг. Зааврын үйлд өртөгдсөний дараа гүйцэтгүүлж үр дүнг нь магадгүй бүртгэлрүү буцаадаг. Мэдээлэл нь бүхэл ой санамжыг зөвхөн ой санамжын хаягуудыг урсгалаар нь харуулдаг, тэдний яаж боловсрогдсон нь мэдэгддэггүй (зааврын үүрэг, индексжүүлэлт, тойруу зам, үгчилсэн хаяг зарим бусад арга ухаан) эсвэл тэд нар ямархуу байгаа вэ? (зааврууд болон тоо баримт) Тиймээс бид боловсорсон програмыг ой санамждах хаягыг яаж хэрэгсэхгүй болохыг мэднэ, Ой санамждах хаягууд нь ажиллаж байгаа програмд дэс дараалалтай боловсорч байгаа нь бидэнд сонирхолтой байна.

Компьютерыг бүрдүүлэгч техникүүд нь хүний үйл ажиллагаа буюу командыг хүлээн авч, ойлгон, биелүүлэхэд чиглэгдсэн өөр өөрийн гэсэн үүргүүдийг гүйцэтгэдэг. Өөрөөр хэлбэл: Биеэ даасан, тодорхой үүрэг, зорилго бүхий төхөөрөмжүүд нэгдэн ажилладаг. Компьютерийн төхөөрөмжүүдийг өөр хооронд нь холбох үүрэг бүхий түгээгүүрийн системээр: Команд буюу удирдлагын (Command) Хаягийн (Address) Өгөгдлийн (Data) гэсэн 3-н төрлийн мэдээлэл (буюу сигнал) дамждаг. Оролт/гаралтын технологи нь хөгжсөөр оролт/гаралтын үйлдлийг гүйцэтгэгч нь өөрийн гэсэн санах ойтой тусдаа процессор болж хувирсан. Оролт /гаралтын үйлдлээр дамжиж буй бүх мэдээлэл процессороор бус, очих (авах) ёстой санах ойн хаягтай Оролт/Гаралтын үйлдэл хийж буй төхөөрөмжтэй шууд харьцах аргыг ашигласан нь техникийн нэгэн дэшэл юм. Энэ аргыг санах ойн шууд хандалт (Direct Memory Access - DMA) гэж нэрлэдэг. Энэ тохиолдолд төв процессор 2 удаа Оролт/Гаралтын үйлдлийн улмаас ажиллана.