كيف؟

مميزات فون نيومان Von Neumann المعمارية والوحدات الأساسية

إن بنية von Neumann هي الهندسة المعمارية الشائعة لجميع معالجات أجهزة الكمبيوتر. تعمل وحدات المعالجة المركزية (CPU) من ARM إلى x86 إلى 8086 إلى Ryzen جميعها عبر Pentium. كلهم معماريات فون نيومان وكلهم يرثون مشكلة مشتركة معينة.

كان جون فون نيومان عالم رياضيات مجري المولد اشتهر بأمرين. أولاً، العمل في مشروع مانهاتن، الذي طور القنبلة الذرية التي ألقتها الولايات المتحدة على اليابان في نهاية الحرب العالمية الثانية، وارتكبت جريمة ضد الإنسانية والحرب. والثاني هو تطوير البنية الأساسية التي تستخدمها أجهزة الكمبيوتر لدينا اليوم، بغض النظر عن حجمها وشكل البرامج التي يتم تشغيلها.

ما هي العمارة فون نيومان؟

العمارة فون نيومان

بنية von Neumann هي البنية التي تعتمد عليها جميع معالجات الكمبيوتر، حيث يتم تنظيمها جميعًا بواسطة مجموعة من المكونات المشتركة التي تتكون من:

  • وحدة التحكم: وهي مسؤولة عن مراحل الالتقاط وفك تشفير حلقة الأوامر.
  • وحدة الحساب المنطقي أو ALU: وهي مسؤولة عن تنفيذ العمليات الحسابية والمنطقية التي تتطلبها البرامج.
  • الذاكرة: الذاكرة التي تم تخزين البرنامج عليها، والمعروفة باسم ذاكرة RAM
  • جهاز الإدخال: الجهاز الذي نتواصل به مع الكمبيوتر.
  • جهاز الإخراج: الجهاز الذي يتصل بنا الكمبيوتر.

كما ترون، هذه بنية شائعة في جميع المعالجات وبالتالي لم تعد سراً، ولكن هناك نوع آخر من الهندسة المعمارية يُعرف باسم هندسة هارفارد حيث يتم تقسيم ذاكرة الوصول العشوائي إلى بئرين مختلفين. يقومون بتخزين تعليمات وبيانات البرنامج في ذاكرة أخرى، ولديهم حافلات منفصلة لكل من عنونة الذاكرة والتعليمات.

ملامح العمارة فون نيومان

العيب الرئيسي هو أن ذاكرة RAM مع الأوامر والبيانات المراد معالجتها يتم دمجها ومشاركتها عبر نفس الناقل والعنوان المشترك. لذلك، يجب جلب التعليمات والبيانات بالتسلسل من الذاكرة. يسمى هذا عنق الزجاجة عنق الزجاجة فون نيومان. لذلك، يتم تقسيم ذاكرة التخزين المؤقت للمعالجات الدقيقة المختلفة الأقرب إلى المعالج إلى نوعين، أحدهما للبيانات والآخر للتعليمات.

في السنوات الأخيرة، زادت سرعات المعالج بشكل أسرع بكثير من ذاكرة الوصول العشوائي، مما زاد من الوقت الذي يستغرقه نقل البيانات من الذاكرة. وقد أدى ذلك إلى تطوير حلول للتخفيف من هذه المشكلة، والتي هي نتاج عنق الزجاجة فون نيومان.

المعالجات التي تُستخدم فيها بنية هارفارد عادةً هي المعالجات القائمة بذاتها، وبالتالي لا يمكنها الوصول إلى ذاكرة الوصول العشوائي العامة للنظام، ولكنها بدلاً من ذلك تنفذ الذاكرة والبرامج الخاصة بها بمعزل عن المعالج الرئيسية. تتلقى هذه المعالجات قائمة البيانات والتعليمات في فرعي بيانات منفصلين. أحدهما لذاكرة التعليمات والآخر لذاكرة بيانات المعالج المعني.

لماذا يتم استخدامه في المعالجات وكروت الشاشة؟

والسبب الرئيسي لذلك أن زيادة عدد الحافلات يعني زيادة محيط المعالج، لأنه للتواصل مع الذاكرة الخارجية يجب أن تكون الواجهة خارجها. هذا يؤدي إلى معالجات أكبر بكثير وأكثر تكلفة. لذا فإن السبب الرئيسي لتوحيد بنية Von Neumann هو التكلفة.

السبب الثاني هو أنه يجب مزامنة مجموعتي ذاكرة حتى لا يتم تطبيق التعليمات على البيانات السيئة. وهذا يؤدي إلى ضرورة إنشاء أنظمة تنسيق بين بئري الذاكرة. بالطبع، سيتم القضاء على معظم الاختناقات بفصل الاثنين عن بعضهما البعض. ومع ذلك، فإن هذا لا يقلل تمامًا من عنق زجاجة فون نيومان.

هذا لأن عنق زجاجة Von Neumann هو نتيجة لتخزين البيانات والتعليمات في نفس الذاكرة، ولكن يمكن أن يحدث أيضًا في بنية Harvard إذا لم يكن بالسرعة الكافية لتشغيل المعالج. هذا هو السبب في أن Von Neumann شائع في المعالج (CPU) ووحدة معالجة الرسومات (GPU) بينما يتم تقليل بنيات Harvard بشكل خاص إلى وحدات تحكم دقيقة و DSPs.

المستوى الأول من ذاكرة التخزين المؤقت، سيناريو حيث يتم كسر النموذج

ربما لاحظت أنه في كل من المعالج (CPU) ووحدة معالجة الرسومات (GPU)، يتم دائمًا تقسيم ذاكرة التخزين المؤقت ذات المستوى الأدنى إلى إرشادات وبيانات، مما يكسر التعريف المعماري لهندسة Von Neumann. سبب القيام بذلك بسيط للغاية ويجب القيام به لتسهيل فك تشفير التعليمات، لذا فإن ما يتم فعله عادةً عند النسخ من ثاني أدنى مستوى لذاكرة التخزين المؤقت إلى الأسفل هو فصل بيانات التعليمات.

يمكننا أن نرى هذا في كل من المعالج ووحدة معالجة الرسومات، وكل هذا يعمل على الحصول على وحدة فك تشفير تعليمات أبسط حيث يتم فصل البتات الأولى من كل منهما وتفسيرها. بالإضافة إلى ذلك، يسمح هذا بتنفيذ أبسط للتعليمات الموجهة أو من نوع SIMD على المعالج؛ هذا هو المفتاح لمعالجات كرت الشاشة.

للتلخيص والنهاية، فإن فهم طريقة عمل بنية Von Neumann يعني فهم طريقة عمل أي معالج، حيث أنها تستند جميعها إلى هذه المبادئ. يشبه الأمر مقارنة محرك فيراري بمحرك ألباين، وكلاهما من علامات تجارية مختلفة، لكنهما يعتمدان على مجموعة من المبادئ والمعايير المشتركة، ويحدث نفس الشيء في عالم المعالج.

مقالات ذات صلة

زر الذهاب إلى الأعلى