VON NEUMANN 아키텍처 : 기원, 모델, 작동 방식 - 과학 기술 - 2026

폰 노이만 아키텍처는 컴퓨터가 프로그램이 현재 만들어진 거의 모든 컴퓨터의 기초 역할을 내부적으로 저장 한 할 수 있도록 이론적 인 디자인입니다.

폰 노이만 기계는 산술 논리 장치와 제어 장치, 주 메모리, 보조 저장소 및 입력 / 출력 장치를 포함하는 중앙 처리 장치로 구성됩니다.

출처 : David Strigoi-자체 작업, 공개 도메인, commons.wikimedia.org

이 아키텍처는 모든 계산이 메모리에서 데이터를 추출하고 처리 한 다음 다시 메모리로 전송한다고 가정합니다.

폰 노이만 아키텍처에서는 프로그램을 실행하는 데이터와 명령어를 모두 저장하기 위해 동일한 메모리와 동일한 버스가 사용됩니다.

아키텍처 개선

데이터와 프로그램 메모리에 동시에 액세스 할 수 없기 때문에 von Neumann 아키텍처는 병목 현상이 발생하고 컴퓨터 성능을 약화시키는 경향이 있습니다. 이것은 전력, 성능 및 비용이 영향을받는 폰 노이만 병목 현상으로 알려진 것입니다.

변경 사항 중 하나는 실제로 메모리로 전송해야하는 데이터의 양과 로컬에 저장할 수있는 데이터의 양을 재고하는 것이 었습니다.

이러한 방식으로 모든 것을 메모리로 전송하는 대신 다중 캐시 및 프록시 캐시는 프로세서 칩에서 다른 장치로의 데이터 흐름을 줄일 수 있습니다.

유래

2 차 세계 대전 후 1945 년에 두 명의 과학자가 독립적으로 더 유연한 컴퓨터를 만드는 방법을 연구했습니다. 그들 중 한 명은 수학자 Alan Turing이었고 다른 한 명은 똑같이 재능있는 과학자 John Von Neumann이었습니다.

영국인 Alan Turing은 'Colossus'컴퓨터를 사용하여 Bletchley Park에서 Enigma 코드를 해독하는 데 관여했습니다. 반면에, 미국의 John Von Neumann은 맨해튼 프로젝트에서 첫 번째 원자 폭탄을 만드는 작업을하고 있었는데, 이는 많은 수동 계산이 필요했습니다.

그때까지 전시 컴퓨터는 다른 작업을 수행하기 위해 전체 기계를 다시 연결하여 다소 "프로그래밍"되었습니다. 예를 들어, ENIAC라는 첫 번째 컴퓨터는 다른 계산을 수행하기 위해 다시 연결하는 데 3 주가 걸렸습니다.

새로운 개념은 데이터를 메모리에 저장해야 할뿐만 아니라 해당 데이터를 처리 한 프로그램도 같은 메모리에 저장해야한다는 점입니다.

이 내부적으로 저장된 프로그램 아키텍처는 일반적으로 'Von Neumann'아키텍처로 알려져 있습니다.

이 새로운 아이디어는이 아키텍처를 가진 컴퓨터가 재 프로그래밍하기 훨씬 더 쉬울 것임을 의미했습니다. 실제로 프로그램 자체는 데이터와 동일하게 취급됩니다.

모델

Von Neumann 모델의 주요 토대는 프로그램이 기계 내부에 저장된다는 생각입니다. 메모리 유닛은 데이터와 프로그램 코드를 포함합니다. 아키텍처 설계는 다음으로 구성됩니다.

출처 : UserJaimeGallego에서-이 파일은 Von Neumann Architecture.svg, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.org에서 파생되었습니다.

-중앙 처리 장치 (CPU)

프로그램의 명령을 실행하는 것은 디지털 회로입니다. 프로세서라고도합니다. CPU에는 ALU, 제어 장치 및 레지스터 세트가 포함됩니다.

논리 산술 단위

아키텍처의이 부분은 데이터에 대한 산술 및 논리 연산 수행에만 관련됩니다.

더하기, 곱하기, 나누기 및 빼기의 일반적인 계산을 사용할 수 있지만 '보다 큼', '보다 작음', '같음'과 같은 데이터 비교도 사용할 수 있습니다.

제어 장치

컴퓨터의 ALU, 메모리 및 입력 / 출력 장치의 작동을 제어하여 방금 메모리에서 읽은 프로그램의 명령에 따라 작동하는 방법을 지시합니다.

제어 장치는 데이터와 프로그램을 메모리로 (부터) 이동하는 프로세스를 관리합니다. 또한 한 번에 하나씩 또는 순차적으로 프로그램의 명령을 실행합니다. 여기에는 중간 값을 보유하는 레지스터의 아이디어가 포함됩니다.

기록

CPU의 고속 저장 영역입니다. 모든 데이터는 처리되기 전에 레지스터에 저장되어야합니다.

메모리 주소 레지스터에는 액세스 할 데이터의 메모리 위치가 포함됩니다. 메모리 데이터 레지스터에는 메모리로 전송되는 데이터가 포함됩니다.

-메모리

컴퓨터에는 데이터를 저장할 수있는 메모리와 해당 데이터를 처리하는 프로그램이 있습니다. 현대 컴퓨터에서이 메모리는 RAM 또는 주 메모리입니다. 이 메모리는 빠르고 CPU에서 직접 액세스 할 수 있습니다.

RAM은 셀로 나뉩니다. 각 셀은 주소와 그 내용으로 구성됩니다. 주소는 메모리의 각 위치를 고유하게 식별합니다.

-입구 출구

이 아키텍처는 입력-출력 장치를 통해 사람이 기계와 상호 작용해야한다는 아이디어를 포착 할 수 있습니다.

-버스

정보는 컴퓨터의 서로 다른 부분 사이를 이동해야합니다. von Neumann 아키텍처를 사용하는 컴퓨터에서 정보는 버스를 따라 한 장치에서 다른 장치로 전송되어 모든 CPU 장치를 주 메모리에 연결합니다.

주소 버스는 프로세서와 메모리간에 데이터가 아닌 데이터 주소를 전달합니다.

데이터 버스는 프로세서, 메모리 및 입출력 장치간에 데이터를 전달합니다.

폰 노이만 아키텍처는 어떻게 작동합니까?

폰 노이만 아키텍처의 관련 원리는 데이터와 명령어가 모두 메모리에 저장되고 동일하게 처리된다는 것입니다. 즉, 명령어와 데이터가 방향성이 있음을 의미합니다.

검색, 디코딩, 실행, 저장 ( "머신 사이클"이라고 함)의 네 가지 간단한 단계를 사용하여 작동합니다.

명령은 CPU가 메모리에서 가져옵니다. 그런 다음 CPU는 이러한 명령을 디코딩하고 실행합니다. 결과는 명령 실행주기가 완료된 후 메모리에 다시 저장됩니다.

검색

이 단계에서 명령은 RAM에서 가져 와서 제어 장치의 액세스를 위해 캐시됩니다.

풀다

제어 장치는 논리적 산술 장치가 이해할 수있는 방식으로 명령을 디코딩 한 다음 논리적 산술 장치로 보냅니다.

운영

산술 논리 장치는 명령을 실행하고 결과를 캐시로 다시 보냅니다.

재고

프로그램 카운터에 중지가 표시되면 최종 결과가 메인 메모리에 다운로드됩니다.

병목

Von Neumann 기계가 메모리에있는 데이터로 작업을 수행하려면 버스를 통해 CPU로 전송해야합니다. 계산을 수행 한 후 결과는 동일한 버스를 통해 메모리로 이동해야합니다.

Von Neumann 병목 현상은 메모리에서 입력 또는 제거되는 데이터가 현재 메모리 작업이 완료되는 동안 유지되어야 할 때 발생합니다.

즉, 프로세서가 방금 계산을 완료하고 다음 계산을 수행 할 준비가되면 동일한 버스를 사용하는 메모리에서 새 데이터를 검색하기 전에 버스를 차지하는 완료된 계산을 메모리에 기록해야합니다.

이 병목 현상은 시간이 지남에 따라 악화되고 있습니다. 마이크로 프로세서의 속도가 빨라졌고 다른 한편으로는 메모리가 그렇게 빨리 진행되지 않았기 때문입니다.

이점

-제어 장치는 메모리에서 동일한 방식으로 데이터와 명령을 검색합니다. 따라서 제어 장치의 설계 및 개발이 단순화되고 저렴하고 빠릅니다.

-입력 / 출력 장치 및 메인 메모리의 데이터는 동일한 방식으로 검색됩니다.

-메모리 구성은 프로그래머가 수행하므로 모든 메모리 용량을 사용할 수 있습니다.

-단일 메모리 블록을 관리하는 것이 더 간단하고 달성하기 쉽습니다.

-하나의 메모리에만 액세스 할 수 있기 때문에 마이크로 컨트롤러 칩의 설계가 훨씬 간단합니다. 마이크로 컨트롤러에서 가장 중요한 것은 RAM에 대한 액세스이며 von Neumann 아키텍처에서는 데이터를 저장하고 프로그램 명령을 저장하는 데 사용할 수 있습니다.

운영 체제 개발

프로그램과 데이터에 대해 동일한 메모리를 사용할 때의 주요 이점은 프로그램이 마치 데이터 인 것처럼 처리 될 수 있다는 것입니다. 즉, 데이터가 다른 프로그램 인 프로그램을 작성할 수 있습니다.

데이터가 다른 프로그램 인 프로그램은 운영 체제에 지나지 않습니다. 실제로 von Neumann 아키텍처의 경우처럼 프로그램과 데이터가 동일한 메모리 공간에서 허용되지 않으면 운영 체제가 개발 될 수 없었습니다.

단점

장점이 단점보다 훨씬 크지 만 문제는 메모리를 프로세서에 연결하는 버스가 하나뿐이므로 한 번에 하나의 명령 또는 하나의 데이터 항목 만 가져올 수 있다는 것입니다.

이는 프로세서가 데이터 또는 명령이 도착할 때까지 더 오래 기다려야 할 수 있음을 의미합니다. 이것은 폰 노이만 병목 현상으로 알려져 있습니다. CPU가 데이터 버스보다 훨씬 빠르기 때문에 이는 종종 유휴 상태임을 의미합니다.

-명령의 순차적 처리로 인해 프로그램의 병렬 구현이 허용되지 않습니다.

-메모리를 공유하면 프로그램 오류로 인해 하나의 명령어가 다른 명령어 위에 기록되어 시스템이 중단 될 위험이 있습니다.

-일부 결함이있는 프로그램은 사용을 완료해도 메모리를 해제 할 수 없어 메모리 부족으로 인해 컴퓨터가 멈출 수 있습니다.

-데이터와 명령어는 동일한 데이터 버스를 공유하지만 각각을 검색해야하는 속도는 일반적으로 매우 다릅니다.

참고 문헌

1. 반도체 공학 (2019). 폰 노이만 아키텍처. 출처 : semiengineering.com
2. 스콧 손튼 (2018). Von-Neumann과 Harvard 아키텍처의 차이점은 무엇입니까? 마이크로 컨트롤러 팁. 출처 : microcontrollertips.com.
3. ICT 교육 (2019). 폰 노이만 기계. 출처 : teach-ict.com.
4. 컴퓨터 과학 (2019). 폰 노이만 아키텍처. 출처 : computerscience.gcse.guru.
5. Mr C와 함께 IT 배우기 (2019). 폰 노이만 기계. 출처 : learnitwithmrc.co.uk.
6. 솔리드 스테이트 미디어 (2017). 컴퓨터는 어떻게 작동합니까? 폰 노이만 아키텍처. 출처 : solidstateblog.com.