Architettura di Von Neumann

La macchina di Von Neumann: fondamenti di informatica

Architettura della macchina di Von Neumann

La macchina di Von Neumann si basa su cinque componenti fondamentali:

• CPU (Central Processing Unit): il suo compito è quello di eseguire le istruzioni di un programma presente in memoria centrale o primaria (RAM) dopo averlo prelevato dalla memoria secondaria o di massa, dalla ROM, o da altri dispositivi. Durante l'esecuzione del programma, la CPU legge o scrive dati in memoria centrale. Il risultato dell'esecuzione dipende dal dato su cui si opera e dallo stato interno in cui la CPU stessa si trova, e può mantenere la traccia delle operazioni passate.
• RAM (Random Access Memory): detta anche memoria centrale, è una tipologia di memoria informatica caratterizzata dal permettere l'accesso diretto a qualunque indirizzo di memoria con lo stesso tempo di accesso.
• ROM (Read Only Memory): tipologia di memoria informatica non volatile.
• Unità di input: tramite la quale i dati vengono inseriti nel calcolatore per essere elaborati.
• Unità di output: necessaria affinché i dati elaborati possano essere restituiti all'operatore.
• Bus: canale di comunicazione che permette ai componenti di un sistema di dialogare tra loro scambiandosi informazioni o dati di sistema attraverso la trasmissione di segnali. Si suddivide in External Data Bus, External Address Bus, External Control Bus.

Struttura della CPU

Una generica CPU (Central Processing Unit) contiene:

• Unità di controllo (CU): legge dalla memoria centrale (RAM) le istruzioni, se occorre legge anche i dati per l'istruzione letta, esegue l'istruzione e memorizza il risultato se c'è, scrivendolo in memoria o in un registro della CPU. La frequenza con cui vengono eseguiti i cicli di esecuzione è scandita da una componente detta clock: ad ogni impulso di clock la CU esegue un ciclo di esecuzione di istruzioni macchina. La velocità di elaborazione di un processore dipende quindi dalla frequenza del suo clock (espressa in Hz).
• Unità aritmetica e logica (ALU): si occupa di eseguire le operazioni logiche e aritmetiche.
• Stack: area di memoria dove la CPU può salvare momentaneamente e poi recuperare dati di varia natura (generalmente risiede nella RAM collegata alla CPU). Segue la logica LIFO (Last In First Out), ossia l'ultimo valore introdotto è il primo ad uscire.
• Bus dati interno (Internal Data Bus): usato per il trasferimento dei dati fra i componenti interni della CPU (non deve essere confuso con il Data Bus, che invece collega la CPU con le altre parti della macchina).
• Bus indirizzi interno (Internal Address Bus): usato per il trasferimento dei dati fra i registri interni della CPU (non deve essere confuso con l'Address Bus, che invece collega la CPU con le altre parti della macchina).
• Registri: speciali locazioni di memoria interne alla CPU, molto veloci, a cui è possibile accedere molto più rapidamente che alla memoria.