Von Neumannov model računalnika

Kaj se bomo v tem poglavju naučili?

Spoznali bomo model računalnika, po katerem je danes grajena velika večina sodobnih računalnikov. To je običajno eno od uvodnih poglavjih v računalništvo. Spoznali bomo tudi njegove pomanjkljivosti in alternativne rešitve.

Von Neumannov  model računalnika

Von Neumannova arhitektura je model računalnika, ki uporablja enoten pomnilnik za pomnenje tako ukazov kot podatkov.  Tako računalnik pomni program. Centralna procesna enota je ločena od pomnilnika. Računalnik v skladu s tem modelom vsebuje:

• CPE (centralno procesno enoto, glavni pomnilnik in vhodno-izhodni sistem
• V pomnilniku shranjeni program, kiga sestavljajo tako podatki kor koda
• Ukazi se izvajajo zaporedno
• Enotno vodilo med pomnilnikom in CPE, tako za podatke kot ukaze. Zato do podatkov in ukazov ne moremo priti sočasno. To je tudi ozko grlo von Neumanovega modela, ki omejuje hitrost obdelave.

Centralna procesna enota (CPE)  prejema ukaze iz pomnilnika in jih izvršuje drugega za drugim v taktu, ki ga določa ura

Krmilna enota:

• krmili, nadzoruje in usklajuje delovanje vseh enot računalnika
• organizira prenos podatkov
• razpoznava in analizira ukaze
• skrbi za pravilno izvajanje ukazov

Ozko grlo von Neumannove arhitekture

Do tega pride zaradi ločitve CPE od pomnilnika. Prepustnost podatkov med CPE in pomnilnikom je majhna glede na velikost pomnilnika. V sodobnih računalnikih je ta propustnost tudi zelo majhna v primeri s hitrostjo CPE. Zato je CPE (centralna procesna enota) prisiljena čakati na konec prenosa podatkov iz pomnilnika oziroma v pomnilnik.

Von Neumanovo ozko grlo lahko malo olajšamo z uporabo predpomnenja (cache) med CPE in pomnilnikom. Problem olajša tudi predvidevanje (napovedovanje), kaj naj bi računalnik naredil v naslednjih korakih.

Harvardov model računalnika

Von Neumannov model ni edina možna arhitektura, je pa danes splošno uporabljena. Starejši model je Harvardova arhitektura,  Ta ima ločeno podatkovno in ukazno vodilo, kar pomeni, da  lahko istočasno prenaša tako ukaze kot podatke. Zato predvideva tudi ločen pomnilnik za ukaze in za podatke. To pa povzroča tudi težave. Prevajalniki običajno vgrajujejo podatke med kodo, ka pomeni, da mora imeti računalnik možnost zapisovanja tudi v pomnilnik, v katerem so ukazi. Izkaže se, da je model Von Neumanna bolj primeren.  Reačunalniki, zgrajeni v skladu s von Neumannovo arhitekturo so zaradi ozkega grla bolj počasni, so pa zato bolj fleksibilni.