عمارة فون نيومان: الأصل ، النموذج ، كيف تعمل - تقنية - 2025

إن بنية von Neumann هي تصميم نظري بحيث يمكن للكمبيوتر تخزين برنامج داخليًا ، ليكون بمثابة الأساس لجميع أجهزة الكمبيوتر التي يتم تصنيعها حاليًا تقريبًا.

تتكون آلة von Neumann من وحدة معالجة مركزية ، والتي تتضمن وحدة منطق حسابي ووحدة تحكم ، بالإضافة إلى ذاكرة رئيسية ، وتخزين ثانوي ، وأجهزة إدخال / إخراج.

المصدر: David strigoi - Own work، Public Domain، commons.wikimedia.org

تفترض هذه البنية أن كل حساب يستخرج البيانات من الذاكرة ، ويعالجها ، ثم يرسلها مرة أخرى إلى الذاكرة.

في بنية von Neumann ، يتم استخدام نفس الذاكرة ونفس الناقل لتخزين كل من البيانات والتعليمات التي تنفذ البرنامج.

تحسين العمارة

نظرًا لأنه لا يمكن الوصول إلى البيانات وذاكرة البرنامج في نفس الوقت ، فإن بنية فون نيومان عرضة للاختناقات وإضعاف أداء الكمبيوتر. هذا ما يُعرف باسم عنق زجاجة فون نيومان ، حيث تتأثر القوة والأداء والتكلفة.

تضمنت إحدى التغييرات التي تم إجراؤها إعادة التفكير في مقدار البيانات التي يجب إرسالها بالفعل إلى الذاكرة ومقدار ما يمكن تخزينه محليًا.

بهذه الطريقة ، بدلاً من الاضطرار إلى إرسال كل شيء إلى الذاكرة ، يمكن أن تقلل ذاكرة التخزين المؤقت المتعددة وذاكرة التخزين المؤقت الوكيل من تدفق البيانات من شرائح المعالج إلى أجهزة مختلفة.

الأصل

في عام 1945 ، بعد الحرب العالمية الثانية ، أثار عالمان بشكل مستقل كيفية بناء كمبيوتر أكثر مرونة. كان أحدهم عالم الرياضيات آلان تورينج والآخر كان العالم الموهوب بنفس القدر جون فون نيومان.

شارك البريطاني آلان تورينج في فك شفرة إنجما في بلتشلي بارك باستخدام كمبيوتر "العملاق". من ناحية أخرى ، كان الأمريكي جون فون نيومان يعمل في مشروع مانهاتن لبناء أول قنبلة ذرية ، الأمر الذي تطلب قدرًا كبيرًا من الحسابات اليدوية.

حتى ذلك الحين ، كانت أجهزة الكمبيوتر في زمن الحرب "مبرمجة" إلى حد ما عن طريق إعادة توصيل الجهاز بأكمله من أجل تنفيذ مهمة مختلفة. على سبيل المثال ، استغرق أول جهاز كمبيوتر يسمى ENIAC ثلاثة أسابيع لإعادة الاتصال لإجراء عملية حسابية مختلفة.

يتألف المفهوم الجديد من أنه في الذاكرة لا يجب تخزين البيانات فحسب ، بل يجب أيضًا تخزين البرنامج الذي يعالج تلك البيانات في نفس الذاكرة.

تُعرف بنية البرنامج المخزنة داخليًا باسم بنية "Von Neumann".

تعني هذه الفكرة الجديدة أن إعادة برمجة جهاز كمبيوتر بهذه البنية سيكون أسهل بكثير. في الواقع ، سيتم التعامل مع البرنامج نفسه مثل البيانات.

نموذج

الأساس الرئيسي لنموذج Von Neumann هو فكرة أن البرنامج يتم تخزينه داخليًا في الجهاز. تحتوي وحدة الذاكرة على البيانات وكذلك رمز البرنامج. يتكون التصميم المعماري من:

المصدر: من UserJaimeGallego - هذا الملف مشتق من Von Neumann Architecture.svg، CC BY-SA 3.0، commons.wikimedia.org

- وحدة المعالجة المركزية (CPU)

إنها الدائرة الرقمية المسؤولة عن تنفيذ تعليمات البرنامج. ويسمى أيضًا المعالج. تحتوي وحدة المعالجة المركزية على وحدة ALU ووحدة التحكم ومجموعة من السجلات.

وحدة الحساب المنطقي

يشارك هذا الجزء من البنية فقط في إجراء العمليات الحسابية والمنطقية على البيانات.

ستكون الحسابات المعتادة للجمع والضرب والقسمة والطرح متاحة ، لكن مقارنات البيانات مثل "أكبر من" و "أقل من" و "يساوي" ستكون متاحة أيضًا.

وحدة التحكم

يتحكم في تشغيل ALU للكمبيوتر والذاكرة وأجهزة الإدخال / الإخراج ، ويوجههم إلى كيفية التصرف وفقًا للتعليمات الموجودة في البرنامج الذي قرأته للتو من الذاكرة.

ستدير وحدة التحكم عملية نقل البيانات والبرامج من الذاكرة وإليها. كما سيهتم بتنفيذ تعليمات البرنامج ، واحدًا تلو الآخر أو بالتتابع. يتضمن هذا فكرة السجل للاحتفاظ بالقيم الوسيطة.

السجلات

إنها مناطق تخزين عالية السرعة على وحدة المعالجة المركزية. يجب تخزين جميع البيانات في سجل قبل أن تتم معالجتها.

يحتوي سجل عنوان الذاكرة على موقع الذاكرة للبيانات المراد الوصول إليها. يحتوي سجل بيانات الذاكرة على البيانات التي يتم نقلها إلى الذاكرة.

- ذاكرة

سيكون للكمبيوتر ذاكرة يمكنها الاحتفاظ بالبيانات ، بالإضافة إلى البرنامج الذي يعالج تلك البيانات. في أجهزة الكمبيوتر الحديثة ، هذه الذاكرة هي ذاكرة الوصول العشوائي أو الذاكرة الرئيسية. هذه الذاكرة سريعة ويمكن الوصول إليها مباشرة بواسطة وحدة المعالجة المركزية.

ذاكرة الوصول العشوائي مقسمة إلى خلايا. تتكون كل خلية من عنوان ومحتوياته. سيحدد العنوان كل موقع في الذاكرة بشكل فريد.

- مدخل مخرج

تسمح هذه البنية بالتقاط فكرة أن الشخص يحتاج إلى التفاعل مع الجهاز ، من خلال أجهزة الإدخال والإخراج.

- حافلة

يجب أن تتدفق المعلومات بين الأجزاء المختلفة للكمبيوتر. في جهاز كمبيوتر بهندسة معمارية von Neumann ، تنتقل المعلومات من جهاز إلى آخر عبر ناقل ، لتوصيل جميع وحدات CPU بالذاكرة الرئيسية.

يحمل ناقل العنوان عناوين البيانات ، وليس البيانات ، بين المعالج والذاكرة.

ينقل ناقل البيانات البيانات بين المعالج والذاكرة وأجهزة الإدخال والإخراج.

كيف تعمل عمارة فون نيومان؟

يتمثل المبدأ ذو الصلة في بنية فون نيومان في تخزين البيانات والتعليمات في الذاكرة ومعالجتها بالطريقة نفسها ، مما يعني أن التعليمات والبيانات اتجاهية.

إنه يعمل باستخدام أربع خطوات بسيطة: البحث ، فك التشفير ، التنفيذ ، التخزين ، المسماة "دورة الآلة".

يتم الحصول على التعليمات بواسطة وحدة المعالجة المركزية من الذاكرة. ثم تقوم وحدة المعالجة المركزية بفك تشفير وتنفيذ هذه التعليمات. يتم تخزين النتيجة مرة أخرى في الذاكرة بعد اكتمال دورة تنفيذ التعليمات.

بحث

في هذه الخطوة ، يتم الحصول على الإرشادات من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) وتخزينها مؤقتًا للوصول إليها بواسطة وحدة التحكم.

فك تشفير

تقوم وحدة التحكم بفك تشفير التعليمات بطريقة تمكن الوحدة الحسابية المنطقية من فهمها ، ثم إرسالها إلى وحدة الحساب المنطقي.

تنفيذ

تنفذ الوحدة المنطقية الحسابية التعليمات وترسل النتيجة مرة أخرى إلى ذاكرة التخزين المؤقت.

إلى المخزون

بمجرد أن يشير عداد البرنامج إلى التوقف ، يتم تنزيل النتيجة النهائية إلى الذاكرة الرئيسية.

عنق الزجاجة

إذا كانت آلة Von Neumann ترغب في إجراء عملية ببيانات في الذاكرة ، فيجب نقلها عبر الناقل إلى وحدة المعالجة المركزية. بعد إجراء الحساب ، يجب نقل النتيجة إلى الذاكرة عبر نفس الناقل.

يحدث عنق زجاجة Von Neumann عندما يجب أن تظل البيانات التي يتم إدخالها أو إزالتها من الذاكرة باقية أثناء اكتمال عملية الذاكرة الحالية.

أي ، إذا كان المعالج قد أكمل للتو عملية حسابية وكان جاهزًا لإجراء العملية التالية ، فعليه كتابة الحساب النهائي ، الذي يشغل الحافلة ، إلى الذاكرة قبل أن يتمكن من استرداد البيانات الجديدة من الذاكرة ، والتي تستخدم أيضًا نفس الناقل.

لقد ازداد هذا الاختناق سوءًا بمرور الوقت ، لأن المعالجات الدقيقة زادت من سرعتها ومن ناحية أخرى ، لم تتقدم الذاكرة بهذه السرعة.

مميزات

- تسترجع وحدة التحكم البيانات والتعليمات من الذاكرة بنفس الطريقة. لذلك ، يتم تبسيط تصميم وتطوير وحدة التحكم ، كونها أرخص وأسرع.

- يتم استرجاع البيانات من أجهزة الإدخال / الإخراج والذاكرة الرئيسية بنفس الطريقة.

- يتم تنظيم الذاكرة بواسطة المبرمجين ، مما يسمح باستخدام كل سعة الذاكرة.

- إدارة كتلة ذاكرة واحدة هي أبسط وأسهل في تحقيقها.

- تصميم شريحة وحدة التحكم الدقيقة أبسط بكثير ، حيث سيتم الوصول إلى ذاكرة واحدة فقط. أهم شيء في الميكروكونترولر هو الوصول إلى ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) وفي بنية von Neumann ، يمكن استخدامه لتخزين البيانات وتخزين تعليمات البرنامج.

تطوير أنظمة التشغيل

الميزة الرئيسية لامتلاك نفس الذاكرة للبرامج والبيانات هي أنه يمكن معالجة البرامج كما لو كانت بيانات. بمعنى آخر ، يمكنك كتابة برامج تكون بياناتها برامج أخرى.

البرنامج الذي تكون بياناته برنامجًا آخر ليست أكثر من نظام تشغيل. في الواقع ، إذا لم يتم السماح بالبرامج والبيانات في نفس مساحة الذاكرة ، كما هو الحال مع بنية von Neumann ، فلن يكون من الممكن تطوير أنظمة التشغيل.

سلبيات

على الرغم من أن المزايا تفوق بكثير العيوب ، إلا أن المشكلة تكمن في وجود ناقل واحد فقط يصل الذاكرة بالمعالج ، لذلك يمكن جلب تعليمة واحدة فقط أو عنصر بيانات واحد في كل مرة.

هذا يعني أن المعالج قد يضطر إلى الانتظار لفترة أطول حتى تصل البيانات أو التعليمات. يُعرف هذا باسم عنق الزجاجة فون نيومان. نظرًا لأن وحدة المعالجة المركزية أسرع بكثير من ناقل البيانات ، فهذا يعني أنها غالبًا ما تكون خاملة.

- بسبب المعالجة المتسلسلة للتعليمات ، لا يُسمح بالتنفيذ المتوازي للبرنامج.

- من خلال مشاركة الذاكرة ، هناك خطر من كتابة تعليمات على أخرى بسبب خطأ في البرنامج ، مما يتسبب في تعطل النظام.

- لا تستطيع بعض البرامج المعيبة تحرير الذاكرة عند الانتهاء منها ، مما قد يؤدي إلى تجمد الكمبيوتر بسبب عدم كفاية الذاكرة.

- تشترك البيانات والتعليمات في نفس ناقل البيانات ، على الرغم من أن السرعة التي يجب استرجاع كل منها تختلف عادةً بشكل كبير.

المراجع

1. هندسة أشباه الموصلات (2019). عمارة فون نيومان. مأخوذة من: semengineering.com
2. سكوت ثورنتون (2018). ما الفرق بين معماريات فون نيومان وهارفارد؟ نصائح للمتحكم الدقيق. مأخوذة من: microcontrollertips.com.
3. تدريس تكنولوجيا المعلومات والاتصالات (2019). آلة فون نيومان. مأخوذة من: teach-ict.com.
4. علوم الكمبيوتر (2019). عمارة فون نيومان. مأخوذة من: computercience.gcse.guru.
5. تعلم تكنولوجيا المعلومات مع السيد C (2019). آلة فون نيومان. مأخوذة من: learnitwithmrc.co.uk.
6. إعلام الحالة الصلبة (2017). كيف تعمل أجهزة الكمبيوتر؟ عمارة فون نيومان. مأخوذة من: solidstateblog.com.