Como funciona a arquitetura de Von Neumann

Não tem muito segredo nela, não é algo complexo, é o básico de tudo o que fazemos em qualquer atividade computacional, e só foi formalizado que seria assim que o computador deveria operar. Ela define que:

• há uma entrada de dados
• uma unidade que processa esses dados
• e provoca uma saída de dados
• o processador pode armazenar dados temporariamente em uma memória onde ficam instruções e dados puros

A entrada e saída pode contar com diversas formas. Conforme pode ser visto em imagem da Wikipedia:

Acredito que se tornou dominante porque foi uma das primeiras, é simples e intuitiva, faz muito sentido e atende bem todos os problemas. Talvez também porque ela não define muitos detalhes o que a faria ficar obsoleta rápido.

Outras arquiteturas podem optar por uma organização um pouco diferente, por exemplo separar a memória de instrução e de dados, pode tratar entrada e saída como algo diferente, pode fazer o tratamento de controle e cálculos de forma totalmente separada.

Coloquei no GitHub para referência futura.

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A Arquitetura de von Neumann é uma arquitetura de computador que se caracteriza pela possibilidade de uma máquina digital armazenar seus programas no mesmo espaço de memória que os dados, podendo assim manipular os programas. Esta arquitetura é um projeto modelo de um computador digital de programa armazenado que utiliza uma unidade de processamento (CPU) e uma de armazenamento (“memória”) para comportar, respectivamente, instruções e dados.

Surgimento

A arquitetura de Von Neumann surgiu a partir de 1946, quando John von Neumann e sua equipe desenvolveram um novo projeto de “computador de programa armazenado”. Projetado pela IAS, este computador foi largamente difundido, influenciando muitos projetos subsequentes de outras máquinas.

Gargalo de von Neumann

Limitação da taxa de transferência entre a CPU e a memória em comparação com a quantidade de memória. Esta transferência é menor do que a taxa com que o processador consegue trabalhar e menor do que a quantidade de memória em geral disponível. Isto faz com  que a CPU seja forçada a esperar por dados que precisam ser transferidos para ou a partir da memória. Gera desperdício de tempo (CPU em espera).

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Modelo de Von Neumann

O modelo de arquitetura de computadores conhecido como Modelo de Von Neumann é uma forma de organização genérica dos componentes de um sistema computacional digital. Esse modelo de arquitetura de computador digital proposto por Von Neumann está baseado em três premissas ou características básicas:

a) os dados e as instruções ficam armazenadas no mesmo espaço de memória;

b) cada espaço de memória possui um endereço, o qual será utilizado para identificar a posição de um determinado conteúdo;

c) as instruções são executadas de forma sequencial.
O modelo de arquitetura proposto por Von Neumann foi amplamente aceito, e o projeto conceitual do seu modelo é utilizado nos projetos de praticamente todos os computadores modernos atuais. De forma geral, o modelo de Von Neumann consolidou a divisão entre dois importantes conceitos que são hardware e software. Pois o projeto conceitual de computador digital proposto por esse modelo utiliza o conceito de programa armazenado na memória, juntamente com os dados que serão manipulados, ou seja, utiliza uma seqüência ordenada de instruções que conhecemos como software, independente do hardware.

A arquitetura de Von Neumann é composta por: Memória; CPU, que contém os registradores, Unidade aritmética e lógica, e Unidade de Controle (CU); E ainda os dispositivos de entrada e saída para comunicação com o meio externo. A figura abaixo ilustra como estão interconectados os componentes do modelo de Von Neumann:

Os componentes do modelo de Von Neumann comunicam-se através de uma estrutura interna conhecida como barramento, que operam a velocidades altíssimas interligando os principais componentes do modelo.

¿Cómo funciona arquitectura Von Neumann?

¿Qué es la Arquitectura de von Neumann y Harvard?

¿Cómo surgio la Arquitectura de von Neumann?