Von-Neumann ehdotti tietokonearkkitehtuurisuunnitteluaan vuonna 1945, joka tunnettiin myöhemmin nimellä Von-Neumann Architecture. Se koostui ohjausyksiköstä, aritmeettisesta ja loogisesta muistiyksiköstä (ALU), rekistereistä ja tuloista/lähdöistä.
Von Neumann-arkkitehtuuri perustuu tallennettujen ohjelmien tietokonekonseptiin, jossa käskydata ja ohjelmadata tallennetaan samaan muistiin. Tätä mallia käytetään edelleen useimmissa nykyään valmistetuissa tietokoneissa.
Von Neumann-pohjainen tietokone:
- Käyttää yhtä prosessoria
- Käyttää yhtä muistia sekä ohjeille että tiedoille.
- Suorittaa ohjelmat hae-dekoodaus-suorita-syklin jälkeen
Von-Neumann-mallin osat:
- Prosessori
- Bussit
- Muistiyksikkö
Prosessori
Tietokoneen osaa, joka suorittaa suurimman osan tietojenkäsittelytoiminnoista, kutsutaan keskusyksiköksi ja sitä kutsutaan CPU:ksi.
Keskusyksikkö voidaan määritellä myös sähköpiiriksi, joka vastaa tietokoneohjelman käskyjen suorittamisesta.
Prosessori suorittaa useita toimintoja tietokoneeseen sisältyvien ohjeiden tyypin mukaan.
CPU:n pääkomponentit ovat aritmeettinen ja logiikkayksikkö (ALU), ohjausyksikkö (CU) ja monet rekisterit.
Aritmeettinen ja logiikkayksikkö (ALU)
Arithmetic and Logic Unit (ALU) suorittaa tarvittavat mikrooperaatiot käskyjen suorittamiseksi. Yksinkertaisesti sanottuna ALU mahdollistaa aritmeettisten (lisää, vähennä jne.) ja loogisten (AND, OR, NOT jne.) operaatioiden suorittamisen.
Ohjausyksikkö
Tietokonejärjestelmän ohjausyksikkö ohjaa komponenttien, kuten ALU:n, muistin ja syöttö-/tulostuslaitteiden toimintaa.
Ohjausyksikkö koostuu ohjelmalaskurista, joka sisältää haettavien käskyjen osoitteet, ja käskyrekisteristä, johon käskyt haetaan muistista suoritettaviksi.
Rekisterit
Rekisterit viittaavat CPU:n nopeisiin tallennusalueisiin. CPU:n käsittelemät tiedot noudetaan rekistereistä.
Seuraavassa on luettelo rekistereistä, joilla on ratkaiseva rooli tietojenkäsittelyssä.
| Rekisterit | Kuvaus |
|---|---|
| MAR (muistin osoiterekisteri) | Tämä rekisteri sisältää niiden tietojen muistipaikan, joihin on pääsy. |
| MDR (muistitietorekisteri) | Tämä rekisteri sisältää tiedot, jotka siirretään muistiin tai muistista. |
| AC (akku) | Tämä rekisteri sisältää väliaritmeettiset ja logiikkatulokset. |
| PC (ohjelmalaskuri) | Tämä rekisteri sisältää seuraavan suoritettavan käskyn osoitteen. |
| CIR (nykyinen ohjerekisteri) | Tämä rekisteri sisältää nykyisen käskyn käsittelyn aikana. |
Bussit
Väylät ovat keinoja, joilla tietoa jaetaan rekisterien välillä usean rekisterin konfigurointijärjestelmässä.
Väylärakenne koostuu joukosta yhteisiä linjoja, yksi kutakin rekisterin bittiä kohden, joiden kautta binääritietoa siirretään yksi kerrallaan. Ohjaussignaalit määrittävät, minkä rekisterin väylä valitsee kunkin tietyn rekisterinsiirron aikana.
Von-Neumann Architecture koostuu kolmesta suuresta tiedonsiirtoon tarkoitetusta väyläjärjestelmästä.
| Bussi | Kuvaus |
|---|---|
| Osoite Bussi | Osoiteväylä kuljettaa datan osoitteen (mutta ei dataa) prosessorin ja muistin välillä. |
| Dataväylä | Data Bus kuljettaa dataa prosessorin, muistiyksikön ja syöttö-/tulostuslaitteiden välillä. |
| Ohjausväylä | Ohjausväylä kuljettaa signaaleja/komentoja CPU:lta. |
Muistiyksikkö
Muistiyksikkö on kokoelma tallennussoluja ja niihin liittyviä piirejä, joita tarvitaan tiedon siirtämiseen muistiin ja sieltä pois. Muisti tallentaa binääriinformaatiota bittiryhmiin, joita kutsutaan sanoiksi. Muistiyksikön sisäinen rakenne määritellään sen sisältämien sanojen määrällä ja kunkin sanan bittien määrällä.
Tietokonejärjestelmissä käytetään kahta päätyyppiä muisteja:
- RAM (Random Access Memory)
- ROM (vain lukumuisti)