Von-Neumann esitti vuonna 1945 tietokonearkkitehtuurisuunnitelmansa, joka tunnettiin myöhemmin nimellä Von-Neumannin arkkitehtuuri. Se koostui ohjausyksiköstä, aritmeettisesta ja loogisesta muistiyksiköstä (ALU), rekistereistä sekä tuloista ja lähdöistä.
Von-Neumann-arkkitehtuuri perustuu tallennetun ohjelman tietokonekonseptiin, jossa käskydata ja ohjelmadata tallennetaan samaan muistiin. Tätä rakennetta käytetään edelleen useimmissa nykyisin valmistetuissa tietokoneissa.
Von Neumanniin perustuva tietokone:
- Käyttää yhtä prosessoria
- Käyttää yhtä muistia sekä ohjeille että datalle.
- Suorittaa ohjelmia nouto-koodaus-toteutus-sykliä noudattaen
Von-Neumann-mallin osat:
- Keskusyksikkö
- Väylät
- Muistiyksikkö
Keskusyksikkö
Tietokoneen osaa, joka suorittaa suurimman osan tietojenkäsittelytoiminnoista, kutsutaan keskusyksiköksi ja siitä käytetään nimitystä CPU.
Keskusyksikkö voidaan määritellä myös sähköpiiriksi, joka vastaa tietokoneohjelman ohjeiden suorittamisesta.
Keskusyksikkö suorittaa erilaisia toimintoja, jotka määräytyvät sen mukaan, millaisia ohjeita tietokoneeseen on sisällytetty.
Suorittimen pääkomponentit ovat aritmeettinen ja looginen yksikkö (ALU), ohjausyksikkö (CU) ja erilaiset rekisterit.
Aritmeettinen ja looginen yksikkö (ALU)
Aritmeettinen ja looginen yksikkö (ALU)
Aritmeettinen ja looginen yksikkö (ALU)
Aritmeettinen ja looginen yksikkö (ALU)
Suoritta- taa tarvittavia mikro-operaatioita, jotka ovat välttämättömiä tietokoneelle osoitettujen käskyjen suorittamiseksi. Yksinkertaisesti sanottuna ALU mahdollistaa aritmeettisten (yhteen- ja vähennyslasku jne.) ja loogisten (AND, OR, NOT jne.) operaatioiden suorittamisen.
Control Unit
Tietokonejärjestelmän ohjausyksikkö ohjaa komponenttien, kuten ALU:n, muistin ja syöttö- ja tulostuslaitteiden toimintaa.
Ohjausyksikkö koostuu ohjelmalaskurista, joka sisältää noudettavien ohjeiden osoitteen, ja käskyrekisteristä, johon käskyt noudetaan muistista suoritusta varten.
Rekisterit
Rekisterit tarkoittavat suorittimen nopeita tallennusalueita. CPU:n käsittelemät tiedot haetaan rekistereistä.
Seuraavassa on luettelo rekistereistä, joilla on ratkaiseva rooli tietojenkäsittelyssä.
| Rekisterit | Kuvaus |
|---|---|
| MAR (Muistiosoiterekisteri) | Rekisterissä säilytetään muistipaikkaa, jossa on datan sijainti, jota halutaan käyttää. |
| MDR (Memory Data Register) | Tämä rekisteri pitää sisällään datan, joka siirretään muistiin tai muistista. |
| AC (Accumulator) | Tämä rekisteri pitää sisällään aritmeettiset ja logiikkatulokset. |
| PC (Ohjelmalaskuri) | Tämä rekisteri sisältää seuraavan suoritettavan käskyn osoitteen. |
| CIR (Nykyisen käskyn rekisteri) | Tämä rekisteri sisältää nykyisen käskyn käsittelyn aikana. |
Väylät
Väylät ovat keino, jolla tieto jaetaan rekisterien välillä monirekisterikokoonpanojärjestelmässä.
Väylärakenne koostuu joukosta yhteisiä linjoja, yksi kullekin rekisterin bitille, joiden kautta binääritieto siirretään yksi kerrallaan. Ohjaussignaalit määräävät, minkä rekisterin väylä valitsee kunkin rekisterin siirron aikana.
Von-Neumann-arkkitehtuuri koostuu kolmesta suuresta väyläjärjestelmästä tiedonsiirtoa varten.
| Väylä | Kuvaus |
|---|---|
| Adressiväylä | Addressiväylä kuljettaa datan osoitteen (mutta ei itse dataa) prosessorin ja muistin välillä. |
| Dataväylä | Dataväylä kuljettaa dataa prosessorin, muistiyksikön ja tulo-/lähtölaitteiden välillä. |
| Valvontaväylä | Valvontaväylä kuljettaa signaaleja/käskyjä prosessorilta. |
Muistiyksikkö
Muistiyksikkö on kokoelma muistisoluja yhdessä niihin liittyvien piirien kanssa, joita tarvitaan tiedon siirtämiseen muistiin ja sieltä pois. Muisti tallentaa binääritietoa bittien ryhmissä, joita kutsutaan sanoiksi. Muistiyksikön sisäinen rakenne määräytyy sen sisältämien sanojen lukumäärän ja kussakin sanassa olevien bittien lukumäärän mukaan.
Tietokonejärjestelmissä käytetään kahta päätyyppiä muistia:
- RAM (Random Access Memory)
- ROM (Read-Only Memory)