Macchina di Von Neumann, Informatica

LA MACCHINA DI VON NEUMANN

Per “macchina di Von Neumann” si intende un computer basato sull’architettura di Von Neumann, il

quale ha ideato nel 1946 questo modello di macchina su cui si basa la maggior parte dei computer

moderni. Infatti la macchina di Von Neuman è un particolare modello di computer che funge grazie

ad un programma memorizzato su un sopporto di memoria; possiamo quindi dire che essa è una

tipologia di architettura hardware per computer digitali programmabili a programma memorizzato.

Inoltre tale modello è riconosciuto come macchina polifunzionale poiché può eseguire diversi

programmi e di conseguenza risolvere altrettanti problemi.

In tale macchina, vi è inoltre uno spazio della memoria condiviso da dati e istruzioni del

programma; per questo, tale architettura si diversifica da quella di Harvard in cui dati e istruzioni

sono memorizzati in spazi distinti.

Unità della macchina

Lo schema della macchinasi basa essenzialmente su cinque componenti fondamentali:

1) CPU o unità di lavoro e si divide a sua volta in:

- ALU ( Arithmetic & Logic Unite ) unità aritmetico logica

- Unità di controllo

- Registri

2) Unità di memoria, intesa come memoria di lavoro o memoria principale

(RAM Random Access Memory )

3) Unità di Input

4) Unità di Output

5) Bus

CPU

La CPU ( Central Processing Unite ) è composta da tre diverse unità:

1) ALU – Arithmetic & Logic Unit ( unità aritmetico-logica ) la quale fornisce la capacità di

effettuare operazioni di tipo aritmetico-logico di base; infatti, il concetto dell'ALU fu ideato dallo

stesso Von Neuman per consentire al computer di eseguire le operazioni aritmetiche come somma,

sottrazione, divisione e moltiplicazione e sviluppò perciò un'unità specializzata per questo scopo.

2) Unità di controllo la quale si occupa di controllare tutte le operazioni del calcolatore, di

interpretare le istruzioni ottenute dalla memoria e di inviare i segnali per l'esecuzioni dell'operazioni

alle altre unità.

3) I registri sono particolari locazioni di memoria interne alla CPU e a cui si può accedere più

velocemente rispetto alla memoria.

Unità di memoria

L'unità di memoria registra le istruzioni e i dati su cui la CPU lavora; lo stesso Von Neumann ebbe

l'idea di immagazzinare nella memoria anche le istruzioni.

Tuttavia c'è da dire che il suo contenuto si conserva solo finché il calcolatore è acceso; infatti l'unità

di memoria è limitata e volatile.

Possiamo quindi dire che la componente del calcolatore in cui si immagazzinano i dati e programmi

è la memoria centrale, la quale è composta da celle (o locazioni); tuttavia ogni cella può

memorizzare una parola, cioè una sequenza di bit di lunghezza fissata. Inoltre le celle sono

caratterizzate da:

- un indirizzo, cioè da un numero che identifica la cella e ne consente l'accesso.

- un valore, che è la sequenza di bit memorizzata dalla cella.

Unità di INPUT/OUTPUT

La CPU per comunicare con l’esterno utilizza le interfacce di INPUT/OUTPUT che permettono la

comunicazione fra unità di controllo e gli altri operatori esterni.

Tramite l’Unità di Input i dati vengono inviati alla CPU per essere elaborati, mentre con l’Unità di

Output vengono restituiti all’operatore esterno.

BUS

Il bus è un canale di comunicazione con cui i dati possono transitare fra i vari componenti del

calcolatore.

Esistono tre tipi di bus:

1) BUS Dati: È il bus sul quale transitano le informazioni ed è usufruibile da tutti i componenti del

sistema, sia in scrittura sia in lettura. Inoltre è bidirezionale.

2) BUS Indirizzi: È il bus attraverso il quale la CPU decide in quale indirizzo andare a scrivere o a

leggere informazioni. Dopo che tale indirizzo è stato comunicato attraverso questo tipo di bus, la

scrittura o lettura avviene normalmente tramite il bus dati. Naturalmente questo bus può esser usato

in scrittura solo dalla CPU ed in lettura dagli altri componenti poiché tramite questo bus viene dato

solo l'indirizzo della cella, che è deciso dalla CPU. Inoltre questo bus è monodirezionale.

3) Bus Controlli: Il bus controlli è un insieme di collegamenti con lo scopo di coordinare le attività

del sistema ed attraverso il quale, la CPU può decidere la componente da scrivere sul bus dati in un

determinato momento

Da precisare infine che in genere si dispone di un unico bus perché l'architettura a più bus non è

realizzabile a causa del numero elevato di connessioni che sarebbero necessarie; l'architettura a più

bus è stata proposta dallo stesso John von Neumann nel 1945.

SCHEMA MACCHINA DI VON NEUMANN

Utilizzando tutti gli elementi sopraccitati, si attiva il processo di elaborazione.

Attraverso l’unità di input si memorizza il programma da eseguire nella memoria centrale. Il

programma quindi viene trasferito nel MAR e poi sul Bus Indirizzi; vi è quindi il reperimento e la

lettura dell’istruzione.

In seguito, la locazione di memoria selezionata passa sui Bus Dati per arrivare al MDR.

Eseguito perciò il caricamento del programma nella memoria centrale, la CPU preleva la prima

istruzione del programma e la esegue; una volta eseguita la prima, la CPU farà lo stesso con la

seconda istruzione.

Inoltre, poiché ogni istruzione eseguita dalla CPU può coinvolgere tutte le componenti del sistema ,

se necessario, vi sarà anche l’attivazione del dispositivo di output.