สถาปัตยกรรมฟอนนอยมันน์: ที่มารูปแบบวิธีการทำงาน - เทคโนโลยี - 2026

สถาปัตยกรรม von Neumannคือการออกแบบเชิงทฤษฎีเพื่อให้คอมพิวเตอร์สามารถมีโปรแกรมที่เก็บไว้ภายในทำหน้าที่เป็นพื้นฐานสำหรับคอมพิวเตอร์เกือบทุกสิ่งที่จะทำในขณะนี้

เครื่องฟอนนอยมันน์ประกอบด้วยหน่วยประมวลผลกลางซึ่งรวมถึงหน่วยตรรกะทางคณิตศาสตร์และหน่วยควบคุมรวมทั้งหน่วยความจำหลักหน่วยเก็บข้อมูลสำรองและอุปกรณ์อินพุต / เอาท์พุต

ที่มา: David strigoi - งานของตัวเองโดเมนสาธารณะ commons.wikimedia.org

สถาปัตยกรรมนี้ถือว่าการคำนวณทุกครั้งจะดึงข้อมูลจากหน่วยความจำประมวลผลแล้วส่งกลับไปยังหน่วยความจำ

ในสถาปัตยกรรมฟอนนอยมันน์หน่วยความจำเดียวกันและบัสเดียวกันจะถูกใช้เพื่อจัดเก็บทั้งข้อมูลและคำสั่งที่รันโปรแกรม

การปรับปรุงสถาปัตยกรรม

เนื่องจากไม่สามารถเข้าถึงข้อมูลและหน่วยความจำโปรแกรมได้ในเวลาเดียวกันสถาปัตยกรรมฟอนนอยมันน์จึงมีแนวโน้มที่จะเกิดปัญหาคอขวดและทำให้ประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์ลดลง นี่คือสิ่งที่เรียกว่าคอขวดของฟอนนอยมันน์ซึ่งส่งผลกระทบต่อพลังงานประสิทธิภาพและต้นทุน

การเปลี่ยนแปลงอย่างหนึ่งที่เกิดขึ้นเกี่ยวข้องกับการคิดใหม่ว่าจำเป็นต้องส่งข้อมูลไปยังหน่วยความจำจริงแค่ไหนและสามารถจัดเก็บในเครื่องได้เท่าใด

ด้วยวิธีนี้แทนที่จะต้องส่งทุกอย่างไปยังหน่วยความจำแคชและพร็อกซีหลายแคชสามารถลดการไหลของข้อมูลจากชิปประมวลผลไปยังอุปกรณ์ต่างๆ

ที่มา

ในปีพ. ศ. 2488 หลังสงครามโลกครั้งที่สองนักวิทยาศาสตร์สองคนได้ยกระดับวิธีการสร้างคอมพิวเตอร์ที่มีความยืดหยุ่นมากขึ้นโดยอิสระ หนึ่งในนั้นคือนักคณิตศาสตร์ Alan Turing และอีกคนคือ John Von Neumann นักวิทยาศาสตร์ที่มีความสามารถเท่าเทียมกัน

อลันทัวริงชาวอังกฤษมีส่วนร่วมในการถอดรหัสรหัส Enigma ใน Bletchley Park โดยใช้คอมพิวเตอร์ 'Colossus' ในทางกลับกัน John Von Neumann ชาวอเมริกันได้ทำงานในโครงการแมนฮัตตันเพื่อสร้างระเบิดปรมาณูลูกแรกซึ่งต้องใช้การคำนวณด้วยตนเองเป็นอย่างมาก

ในช่วงเวลานั้นคอมพิวเตอร์ในช่วงสงครามถูก "โปรแกรม" ไม่มากก็น้อยโดยการเชื่อมต่อเครื่องทั้งหมดใหม่เพื่อทำงานที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่นคอมพิวเตอร์เครื่องแรกที่เรียกว่า ENIAC ใช้เวลาสามสัปดาห์ในการเชื่อมต่อใหม่เพื่อทำการคำนวณอื่น

แนวคิดใหม่ประกอบด้วยว่าในหน่วยความจำไม่เพียง แต่ต้องจัดเก็บข้อมูลเท่านั้น แต่ยังรวมถึงโปรแกรมที่ประมวลผลข้อมูลนั้นควรเก็บไว้ในหน่วยความจำเดียวกันด้วย

สถาปัตยกรรมโปรแกรมที่เก็บไว้ภายในนี้เรียกกันทั่วไปว่าสถาปัตยกรรม 'Von Neumann'

แนวคิดใหม่นี้หมายความว่าคอมพิวเตอร์ที่มีสถาปัตยกรรมนี้จะตั้งโปรแกรมใหม่ได้ง่ายกว่ามาก อันที่จริงโปรแกรมจะได้รับการปฏิบัติเช่นเดียวกับข้อมูล

แบบ

รากฐานหลักของโมเดลฟอนนอยมันน์คือแนวคิดที่ว่าโปรแกรมจะถูกเก็บไว้ภายในเครื่อง หน่วยความจำประกอบด้วยข้อมูลและรหัสโปรแกรมด้วย การออกแบบสถาปัตยกรรมประกอบด้วย:

ที่มา: จาก UserJaimeGallego - ไฟล์นี้มาจาก Von Neumann Architecture.svg, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.org

- หน่วยประมวลผลกลาง (CPU)

เป็นวงจรดิจิตอลที่รับผิดชอบในการดำเนินการตามคำสั่งของโปรแกรม เรียกอีกอย่างว่าโปรเซสเซอร์ CPU ประกอบด้วย ALU ชุดควบคุมและชุดรีจิสเตอร์

หน่วยเลขคณิตเชิงตรรกะ

สถาปัตยกรรมส่วนนี้เกี่ยวข้องกับการดำเนินการทางคณิตศาสตร์และตรรกะกับข้อมูลเท่านั้น

จะมีการคำนวณการบวกการคูณการหารและการลบตามปกติ แต่จะมีการเปรียบเทียบข้อมูลเช่น "มากกว่า" "น้อยกว่า" "เท่ากับ"

ชุดควบคุม

ควบคุมการทำงานของ ALU หน่วยความจำและอุปกรณ์อินพุต / เอาท์พุตของคอมพิวเตอร์สั่งให้พวกเขาปฏิบัติตามคำแนะนำในโปรแกรมที่คุณเพิ่งอ่านจากหน่วยความจำ

หน่วยควบคุมจะจัดการกระบวนการย้ายข้อมูลและโปรแกรมไปและกลับจากหน่วยความจำ นอกจากนี้ยังดูแลการดำเนินการตามคำสั่งของโปรแกรมทีละรายการหรือตามลำดับ ซึ่งรวมถึงแนวคิดในการลงทะเบียนเพื่อเก็บค่ากลาง

ประวัติ

เป็นพื้นที่จัดเก็บข้อมูลความเร็วสูงบน CPU ข้อมูลทั้งหมดจะต้องถูกเก็บไว้ในรีจิสเตอร์ก่อนจึงจะสามารถประมวลผลได้

รีจิสเตอร์ที่อยู่หน่วยความจำประกอบด้วยตำแหน่งหน่วยความจำของข้อมูลที่จะเข้าถึง รีจิสเตอร์ข้อมูลหน่วยความจำประกอบด้วยข้อมูลที่ถ่ายโอนไปยังหน่วยความจำ

- หน่วยความจำ

คอมพิวเตอร์จะมีหน่วยความจำที่สามารถเก็บข้อมูลได้เช่นเดียวกับโปรแกรมที่ประมวลผลข้อมูลนั้น ในคอมพิวเตอร์สมัยใหม่หน่วยความจำนี้คือ RAM หรือหน่วยความจำหลัก หน่วยความจำนี้รวดเร็วและเข้าถึงได้โดยตรงจาก CPU

แรมแบ่งออกเป็นเซลล์ แต่ละเซลล์ประกอบด้วยที่อยู่และเนื้อหา ที่อยู่จะระบุแต่ละตำแหน่งในหน่วยความจำโดยไม่ซ้ำกัน

- ทางออกทางเข้า

สถาปัตยกรรมนี้ช่วยให้สามารถจับภาพความคิดที่ว่าบุคคลต้องการโต้ตอบกับเครื่องผ่านอุปกรณ์อินพุต - เอาท์พุต

- รถบัส

ข้อมูลจะต้องไหลไปมาระหว่างส่วนต่างๆของคอมพิวเตอร์ ในคอมพิวเตอร์ที่มีสถาปัตยกรรม von Neumann ข้อมูลจะถูกส่งจากอุปกรณ์เครื่องหนึ่งไปยังอีกเครื่องหนึ่งโดยใช้บัสเชื่อมต่อหน่วย CPU ทั้งหมดกับหน่วยความจำหลัก

แอดเดรสบัสมีแอดเดรสของข้อมูล แต่ไม่ใช่ข้อมูลระหว่างโปรเซสเซอร์และหน่วยความจำ

บัสข้อมูลจะนำข้อมูลระหว่างโปรเซสเซอร์หน่วยความจำและอุปกรณ์อินพุต - เอาท์พุต

สถาปัตยกรรมฟอนนอยมันน์ทำงานอย่างไร?

หลักการที่เกี่ยวข้องของสถาปัตยกรรมฟอนนอยมันน์คือทั้งข้อมูลและคำสั่งจะถูกเก็บไว้ในหน่วยความจำและปฏิบัติเหมือนกันซึ่งหมายความว่าคำสั่งและข้อมูลเป็นทิศทาง

โดยใช้ขั้นตอนง่ายๆ 4 ขั้นตอน ได้แก่ ค้นหาถอดรหัสดำเนินการจัดเก็บเรียกว่า "Machine Cycle"

ซีพียูได้รับคำแนะนำจากหน่วยความจำ จากนั้น CPU จะถอดรหัสและดำเนินการตามคำสั่งเหล่านี้ ผลลัพธ์จะถูกเก็บไว้ในหน่วยความจำหลังจากรอบการดำเนินการคำสั่งเสร็จสิ้น

ค้นหา

ในขั้นตอนนี้คำแนะนำจะได้รับจาก RAM และแคชไว้สำหรับการเข้าถึงโดยชุดควบคุม

ถอดรหัส

หน่วยควบคุมจะถอดรหัสคำสั่งในลักษณะที่หน่วยเลขคณิตเชิงตรรกะสามารถเข้าใจได้จากนั้นส่งไปยังหน่วยเลขคณิตเชิงตรรกะ

วิ่ง

หน่วยตรรกะเลขคณิตเรียกใช้คำสั่งและส่งผลลัพธ์กลับไปที่แคช

สต็อก

เมื่อตัวนับโปรแกรมระบุว่าหยุดผลลัพธ์สุดท้ายจะถูกดาวน์โหลดไปยังหน่วยความจำหลัก

คอขวด

หากเครื่อง Von Neumann ต้องการดำเนินการกับข้อมูลในหน่วยความจำเครื่องจะต้องโอนผ่านบัสไปยัง CPU หลังจากทำการคำนวณแล้วผลลัพธ์จะต้องถูกย้ายไปยังหน่วยความจำผ่านบัสเดียวกัน

คอขวดของ Von Neumann เกิดขึ้นเมื่อข้อมูลถูกป้อนหรือลบออกจากหน่วยความจำต้องคงอยู่ในขณะที่การทำงานของหน่วยความจำปัจจุบันเสร็จสิ้น

นั่นคือหากโปรเซสเซอร์เพิ่งทำการคำนวณเสร็จสิ้นและพร้อมที่จะดำเนินการต่อไปก็จะต้องเขียนการคำนวณที่เสร็จสิ้นซึ่งใช้บัสไว้ในหน่วยความจำก่อนจึงจะสามารถดึงข้อมูลใหม่จากหน่วยความจำได้ซึ่งจะใช้บัสเดียวกันด้วย

ปัญหาคอขวดนี้แย่ลงเรื่อย ๆ เมื่อเวลาผ่านไปเนื่องจากไมโครโปรเซสเซอร์ได้เพิ่มความเร็วและในทางกลับกันหน่วยความจำยังไม่ก้าวหน้าเร็วนัก

ความได้เปรียบ

- หน่วยควบคุมจะดึงข้อมูลและคำสั่งในลักษณะเดียวกันจากหน่วยความจำ ดังนั้นการออกแบบและพัฒนาชุดควบคุมจึงง่ายขึ้นถูกลงและเร็วขึ้น

- ข้อมูลจากอุปกรณ์อินพุต / เอาท์พุตและหน่วยความจำหลักจะถูกดึงมาในลักษณะเดียวกัน

- การจัดระเบียบหน่วยความจำดำเนินการโดยโปรแกรมเมอร์ซึ่งอนุญาตให้ใช้ความจุหน่วยความจำทั้งหมด

- การจัดการบล็อกหน่วยความจำเดียวทำได้ง่ายกว่าและทำได้ง่ายกว่า

- การออกแบบชิปไมโครคอนโทรลเลอร์นั้นง่ายกว่ามากเนื่องจากจะเข้าถึงหน่วยความจำเดียวเท่านั้น สิ่งที่สำคัญที่สุดเกี่ยวกับไมโครคอนโทรลเลอร์คือการเข้าถึง RAM และในสถาปัตยกรรม von Neumann สิ่งนี้สามารถใช้ได้ทั้งในการจัดเก็บข้อมูลและจัดเก็บคำสั่งของโปรแกรม

การพัฒนาระบบปฏิบัติการ

ข้อได้เปรียบหลักของการมีหน่วยความจำเดียวกันสำหรับโปรแกรมและข้อมูลคือโปรแกรมสามารถประมวลผลได้ราวกับว่าเป็นข้อมูล กล่าวอีกนัยหนึ่งคุณสามารถเขียนโปรแกรมที่มีข้อมูลเป็นโปรแกรมอื่นได้

โปรแกรมที่มีข้อมูลเป็นโปรแกรมอื่นไม่มีอะไรมากไปกว่าระบบปฏิบัติการ ในความเป็นจริงหากไม่อนุญาตให้โปรแกรมและข้อมูลอยู่ในพื้นที่หน่วยความจำเดียวกันเช่นเดียวกับในกรณีของสถาปัตยกรรม von Neumann ระบบปฏิบัติการก็ไม่สามารถพัฒนาได้

ข้อเสีย

แม้ว่าข้อดีจะมีมากกว่าข้อเสีย แต่ปัญหาก็คือมีบัสเพียงตัวเดียวเท่านั้นที่เชื่อมต่อหน่วยความจำกับโปรเซสเซอร์ดังนั้นจึงสามารถดึงข้อมูลได้เพียงคำสั่งเดียวหรือรายการข้อมูลเดียว

ซึ่งหมายความว่าโปรเซสเซอร์อาจต้องรอนานกว่าที่ข้อมูลหรือคำแนะนำจะมาถึง สิ่งนี้เรียกว่าคอขวดฟอนนอยมันน์ เนื่องจากซีพียูเร็วกว่าบัสข้อมูลมากจึงมักไม่ได้ใช้งาน

- เนื่องจากการประมวลผลคำสั่งตามลำดับจึงไม่อนุญาตให้ใช้งานโปรแกรมแบบขนาน

- การแบ่งปันหน่วยความจำมีความเสี่ยงที่คำสั่งหนึ่งจะถูกเขียนทับอีกคำสั่งหนึ่งเนื่องจากข้อผิดพลาดในโปรแกรมทำให้ระบบล่ม

- โปรแกรมที่มีข้อบกพร่องบางโปรแกรมไม่สามารถเพิ่มหน่วยความจำได้เมื่อทำเสร็จแล้วซึ่งอาจทำให้คอมพิวเตอร์ค้างเนื่องจากหน่วยความจำไม่เพียงพอ

- ข้อมูลและคำแนะนำใช้บัสข้อมูลเดียวกันแม้ว่าความเร็วในการดึงข้อมูลแต่ละรายการมักจะแตกต่างกันมาก

อ้างอิง

1. วิศวกรรมเซมิคอนดักเตอร์ (2019). สถาปัตยกรรมฟอนนอยมันน์ นำมาจาก: semiengineering.com
2. Scott Thornton (2018). อะไรคือความแตกต่างระหว่างสถาปัตยกรรม Von-Neumann และ Harvard? เคล็ดลับไมโครคอนโทรลเลอร์ นำมาจาก: microcontrollertips.com.
3. สอน ICT (2019) เครื่อง Von Neumann นำมาจาก: teach-ict.com.
4. วิทยาการคอมพิวเตอร์ (2019). สถาปัตยกรรมฟอนนอยมันน์ นำมาจาก: computercience.gcse.guru.
5. เรียนรู้ไอทีกับ Mr C (2019) เครื่อง Von Neumann นำมาจาก: learnitwithmrc.co.uk.
6. โซลิดสเตทมีเดีย (2017). คอมพิวเตอร์ทำงานอย่างไร? สถาปัตยกรรมฟอนนอยมันน์ นำมาจาก: solidstateblog.com.