Arsitektur Komputer Van Nouman

Dari Arsitektur Komputer Von Neumann

Menurut perancangan arsitektur komputer tahun 1945 oleh von Neumann(VN), inti dari sebuah komputer standar dibuat dari sebuah memori dan dari sebuah Unit Algoritmis dan Logis (ALU). bisa dilihat bahwa arsitekur VN dilengkapi dengan sebuah unit kendali dan antarmuka yang memungkinkan komputer untuk berkomunikasi dengan perintah dari luar dan periferalnya. Memori adalah sebuah perangkat yang memuat instruksi untuk menginisialisasi dan menjalankan komputer dengan semua antarmuka dan periferalnya. Hal tersebu termasuk program yang akan dijalankan, dalam bentuk tumpukan instruksi, dan data sebelum, selama, dan sesudah Komputasi. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, ALU bekerja dengan dua memori cadangan, yang disebut register, atau terkadang akumulator. Dua register (A dan B) adalah masukan dari memori dengan data biner a_1,a_2,…,a_k dan b_1,b_2,…b_k yang berukuran sama, Biasanya k=32 bit, 64 bit, dan saat ini 128 bit. Ukuran ini sama untuk sel dalam memori, dan juga alamat yang digunakan untuk mengindeks sel memori (sehingga memori mempunyai 2^k alamat berbeda). Register secara tertulis digunakan sebagai kertas coretan untuk ALU melakukan beragam operasi logika antara dua data perintah {a_i} dan {b_i}, sehingga penjumlahan, pengurangan, perkalian, pembagian, perbandingan, pelengkapan, rotasi, permutasi, uji overflow, dan uji pembagian oleh nol, untuk operasi-operasi utama. Operasi ini dilakukan oleh sebuah rangkaian internal dari ALU, yang dibentuk dari jaringan kompleks dari gerbang logika, yang fungsinya bisa diganti sesuai kebutuhan melalui sekumpulan bit kendali. Sebuah contoh dasar dari rangkaian ALU empat bit disediakan kemudian pada pembahasan ini, yang mana akan datang setelah saya menjelaskan prinsip dari gerbang logika elementer itu sendiri.

Arsitektur Von Neumann

Von_Neumann_architecture.svg.png (12.19 KiB) Viewed 50 times

Semua operasi logika antara data register dan ALU diperintahkan dari sebuah program mesinmikro, yang menerjemahkan instruksi tingkat tinggi oleh memori komputer ke dalam instruksi mikro yang membuat ALU mampu untuk menangani bit register. ALU disempurnakan dengan sebuah register buffer internal. Saat ini, versi terpadu dari ALU, buffer internal, dan penerjemah mikromesin mewakili apa yang disebut dengan CPU atau central processing unit. CPU kmudian adalah sebuah mesin untuk mencerna bit dari instruksi tingkat tinggi dari memori pusat, sehingga nama populer komputer yang saat ini berarti tidak lebih dari sebuah kalkulator, walaupun sebutan tersebut masih tepat secara konseptual. Perlu dicatat bahwa arsitektur VN bukanlah satu-satunya arsitektur yang mungkin. Memang, beberapa mesin VN, atau CPU bisa diatur untuk bekerja secara paralel tiap mesin VN diatur pada sebuah bagian independen dari algoritma komputasi, atau secara lebih sederhana ditugaskan untuk sebuah pekerjaan dasar pengolah bilangan terbagi. Hal ini disebut sebagai arsitektru multiprosesor atau paralel, akan dilihat baik sebagai sebuah mesin utama VN yang diperbesar yang mengatur banyak CPU pelayan, atau sebuah kelompok teratur dari mesin VN yang meletakkan usaha mereka menuju beberapa sasaran kepentingan bersama. Arsitektur VN masih penting untuk pengaturan perakitan, baik master yang mengatur secara diktator atau secara sederhana sebuah fasilitator.

sebelum melihat lebih dekat pada karakteristik gerbang logika biner yang membentuk rangkaian ALU, sangatlah berharga untuk membahas mesin turing™ yang mana dijelaskan. Sebagai pengingat, arsitektur TM umum, yang digambarkan terdiri atas sebuah pita dua arah dengan panjang tak terhingga, dan sebuah kepala yang mana bisa membaca dan menulis bit atau lambang pada pita. TM diatur ke dalam gerakan sesuai stack dari perintah, yang disebut tabel aksi. Tabel tindakan ini adalah program dari mana pita data input diolah bit demi bit (atau simbol demi simbol), yang menghasilkan pembangkitan data keluaran, yang mana disimpan pada pita. Instruksi tersebut Termasuk instruksi halt, yang mana memaksa mesin untuk berhenti menyelesaikan tugas. Pita adalah sebuah memori dengan ukuran tak terhingga, yang menghasilkan tidak ada batasan untuk menyelesaikan rumitnya tugas, algoritma komputasi yang berhubungan dan jumlah data untuk diolah. Akhirnya, sebuah Mesin Turing Universal
(UTM) termasuk pada sebuah kelas dari TM, yang mana melalui sekumpulan instruksi tabel tindakan , minimal mampu menirukan TM lainnya, yang mana dihasilkan melalui sebuah pita program. Kesimpulan paling penting tentang TM (dan untuk masalah tersebut UTM) adalah Tm mampu menghitung segalanya yang komputer sebenarnya bisa hitung. Misalkan, setiap permasalahan yang bisa diselesaikan melalui beberapa bentuk proses komputasi atau algoritma yang diperuntukkan oleh sebuah matematikawan bisa diselesaikan oleh sebuah TM. Pernyataan yang tegas ini disebut sebagai tesis Church-Turing. Sehingga, TM dan terlebih lagi UTM, mewakili sebagian besar bentuk mesin komputasi yang pernah dicapai. Dalam pandangan ini, mengapa bentuk komputer modern berbasis pada arsitektur VN bukan pada TM? Seperti yang dibahas, implementasi TM secara perbandingan tidak praktis, karena dua alasan. Pertama, seperti yang telah kita lihat, TM membutuhkan ruang memori yang tidak terbatas, yang secara fisik tidak mungkin. Kedua, ukuran terbatas dari sebuah memori komputer yang sebenarnya memberikan batasan pada pengelolaan ruang memori, yang pada gilirannya mempengaruhi struktur dan algoritma program.
Algoritma TM mungkin lebih umum atau universal, namun implementasi algoritma dalam sebuah mesin komputasi terhadap ukuran memori yang terbatas dalam beberapa kasus tidak bisa dilakukan, jika secara fisik tidak mungkin. Sekarang kita bisa melihat beberapa kesamaan dan perbedaan kunci antara komputer TM dan VN. Sedangkan UTM mewakili sebagian besar arsitektur komputer umum dan elementer. Keduanya, mempunyai program yang berdasarkan algoritma pemikiran manusia, dan antarmuka masukan-keluaran fisik. Kita mungkin berpikir bahwa ALU sebagai sebuah TM yang menggunakan bagian dari memorinya sebagai sebuah pita masukan-keluaran, dan bagian lainnya sebagai tempat dimana tabel tindakan berada. Namun, hal ini tidak menyelesaikan permasalahan keterbatasan memori. Terakhir, permasalahan kunci yaitu mesin VN tidak membahas pada permasalahan halting, dimana sebuah TM bisa berjalan selamanya. Seperti yang dibahas sebelumnya, permasalahan halting secara umum tidak bisa diputuskan yang berarti bahwa sebuah tabel tindakan yang diberikan dan sebuah pita masukan, tidak terdapat bukti formal bahwa TM akan perlu untuk berhenti! Sebaliknya, sebuah mesin VN tidak mempunyai sebuah permasalahan halting.
Kita mungkin tidak berusaha untuk membuktikan hal tersebut di sini, namun secara langsung menyatakan, ukuran terbatas dari memori pada akhirnya pasti menyebabkan mesin VN untuk memotong sampahnya sendiri tidak seperti TM, yang bisa berjalan tanpa terhenti! Namun tidak seperti TM yang ideal, komputer VN yang realistis bisa diprogram untuk berhenti secara otomatis jika terperangkap dalam sebuah putaran tak terhingga, atau melewati sebuah batasan waktu CPU yang sudah diatur. Sebagai permasalahan fakta, komputer VN modern sepenuhnya mampu menirukan TM universal apapun, dan untuk alasan ini komputer tersebut disebut Turing komplit, Turing ekivalen, atau universal komputasional. Hal ini tidak berarti bahwa peniruan UTM akan lebih cepat, lebih efisien, atau lebih mudah; mungkin bertentangan dengan sebagian besar kasus. Perbedaan kunci yang tersisa yaitu keterbatasan memori komputer VN.
Kita sekarang akan memusatkan pada komputer VN dan melihat ke dalam lebih rinci pada ALU dan rangkaian komputasi dasar. Seperti yang kita telah lihat, ALU mengolah bit kode word yang dimuat ke dalam dua register A dan B. ALU bisa diterjemahkan instruksi tingkat tinggi dari memori ke dalam operasi mikromesin dasar.
Secara pendek, sebuah instruksi tingkat tinggi bisa dinyatakan dalam sebuah bentuk seperti “c=a+b” , yang mana ALU menerjemahkan “muatlah operan a,b ditunjuk oleh alamat memori yang berpasangan ke dalam register A dan B, melakukan penjumlahan dua, dan mengembalikan hasil c pada alamat memori yang didedikasikan. Seperti sebuah panggilan operasi untuk sebuah mikroprogram, yang mana harus mengolah dua operan biner a,b (a=a_1 a_2…a_k,b=b_1 b_2,…,b_k) pada dasar bit demi bit (a_i,b_i). Instruksi lain yang mungkin bisa berupa "IF a>b,THEN." di sini, ALU diminta untuk memverifikasi memang jika a>b sehingga dalam event jawaban adalah ya (atau TRUE atau 1 dalam bahasa logika) program tingkat tinggi bisa melompat ke instruksi lainnya.
ALU harus kemudian mengurangkan b dari a, dan mengembalikan nilai TRUE, atau 1, jika z=a-b diketahui sebagai nilai negatif atau bukan nol. Sangatlah jelas bahwa pengujian tersebut membutuhkan sebuah program mikro yang secara terurut membandingkan setiap bit dalam dua registerA, B. hal yang sama berlaku untuk operasi seperti perkalian dan pembagian, yang mana ALU harus juga mengembalikan informasi tambahan overflow=TRUE/FALSE dan zero divide=TRUE/FALSE. Disini, kita tidak akan tinggal pada konsep pemrograman mesin mikro dan strukturnya, namun lebih fokus pada operasi bit demi bit (a_i↔b_i) dalam register A, B, yang mana dilakukan oleh rangkaian yang diatur sebelumnya dari gerbang logika yang bertindak sebagai jaringan yang terkendali. Seperti yang disebutkan sebelumnya, sebagai sebuah contoh dasar dari jaringan seperti itu yang dibahas kemudian. Namun, untuk memahami bagaimana jaringan beroperasi di bawah instruksi mikro mesin yang ada, pada intinya untuk mengulas jenis gerbang logika yang berbeda, sebagaimana pada susunan rangkaian dasar yang mungkin.
Misalkan A=a_0,a_1,…,a_n dan B=b_0,b_1,…,b_n adalah dua bilangan biner. Lanjut dari bit dengan bobot paling kecil (i=0) hingga bit dengan bobot paling tinggi (i=n), sebuah rangkaian Boolean yang pertama baik x_i=a_i⨁b_i dan 〖c 〗_i^((1))=a_i∧b_i. Keluaran 〖c 〗_i^((1)) menyediakan sebuah bit carry yang bernilai 1 jika kedua bit (a_i,b_i) bernilai 1 dan 0 sebaliknya. Sebuah rangkaian kedua kemudian menghitung y_i=x_i⊕c_(i-1), c_i^((2))=x_i⊕c_(i-1) dan c_i=c_i^((1))⊕c_i^((2)) di mana c_(i-1) adalah bit carry yang dihasilkan dari tahap penambahan sebelumnya (dengan konvensi c_(-1)=0). Hasil y_i mewakili bit ke I dari A + B dan hasil c_i adalah carry untuk tahap komputasi selanjutnya i+1.ditinggalkan pada pembaca sebagai sebuah latihan untuk menarik rangkaian Boolean yang berpasangan dengan tahapan komputasi yang berbeda ini sebagai mana rangkaian untuk sebuah adder biner k-bit penuh.

Arsitektur Von Neumann

Lihat juga : komputer Tersimpan program dan Universal Turing mesin # Stored - program komputer

Istilah arsitektur Von Neumann , yang juga dikenal sebagai model Von Neumann atau arsitektur Princeton , berasal dari 1945 arsitektur komputer keterangan oleh matematikawan dan ilmuwan komputer awal John von Neumann dan lain-lain , Draft Pertama Laporan di EDVAC [ 1 ] . Ini menggambarkan arsitektur desain untuk komputer digital elektronik dengan subdivisi dari unit pengolahan yang terdiri dari aritmatika logika satuan dan prosesor register , unit kontrol yang berisi instruksi register dan program counter , memori untuk menyimpan data dan instruksi , mass storage eksternal , dan input dan output mekanisme . [ 1 ] [ 2 ] yang dimaksud dengan istilah ini telah berkembang berarti sebuah komputer disimpan - program di mana instruksi mengambil dan operasi data tidak dapat terjadi pada saat yang sama karena mereka berbagi bus umum . Hal ini disebut sebagai hambatan Von Neumann dan sering membatasi kinerja sistem . [ 3 ]

Desain arsitektur Von Neumann lebih sederhana dari arsitektur Harvard lebih modern yang juga merupakan sistem disimpan-program tetapi memiliki satu set berdedikasi alamat dan data bus untuk membaca data dari dan menulis data ke memori , dan satu set alamat dan data bus untuk mengambil instruksi .

A disimpan - program komputer digital adalah salah satu yang membuat instruksi yang diprogram , serta data , dalam baca-tulis , random-access memory ( RAM ) . Komputer disimpan-program itu merupakan kemajuan atas komputer program-dikendalikan dari tahun 1940-an , seperti Colossus dan ENIAC , yang diprogram dengan menetapkan switch dan memasukkan patch yang mengarah ke rute data dan mengontrol sinyal antara berbagai unit fungsional . Dalam sebagian besar komputer modern , memori yang sama digunakan untuk kedua data dan instruksi program .

isi

1 Sejarah

2 Pengembangan konsep program yang disimpan

3 Awal von Neumann komputer - arsitektur

4 komputer awal disimpan-program

5 Evolution

6 Von Neumann bottleneck

Prosesor 7 Non - von Neumann

8 Lihat juga

9 Referensi

9.1 Inline

9.2 Umum

10 Pranala luar

sejarah

Mesin-mesin komputasi awal telah menetapkan program . Beberapa komputer yang sangat sederhana masih menggunakan desain ini , baik untuk tujuan kesederhanaan atau pelatihan . Sebagai contoh, kalkulator meja ( pada prinsipnya ) adalah program komputer tetap . Hal ini dapat melakukan matematika dasar , tetapi tidak dapat digunakan sebagai pengolah kata atau game konsol . Mengubah program mesin tetap program membutuhkan re - wiring , restrukturisasi , atau merancang ulang mesin . Komputer awal tidak begitu banyak " diprogram " karena mereka " dirancang " . " Pemrograman Ulang " , ketika itu mungkin sama sekali , adalah proses melelahkan , dimulai dengan diagram alur dan catatan kertas , diikuti oleh desain rekayasa rinci , dan kemudian proses sering sulit secara fisik kembali kabel dan membangun ulang mesin. Ini bisa memakan waktu tiga minggu untuk membuat program pada ENIAC dan membuatnya bekerja . [ 4 ]

Dengan usulan dari komputer disimpan-program ini berubah . Sebuah komputer disimpan-program termasuk dengan desain set instruksi dan dapat menyimpan dalam memori satu set instruksi ( program ) yang merinci perhitungan.

Sebuah desain yang disimpan - program yang juga memungkinkan untuk kode diri memodifikasi . Salah satu motivasi awal untuk fasilitas tersebut adalah perlunya sebuah program untuk kenaikan atau memodifikasi bagian alamat instruksi , yang harus dilakukan secara manual dalam desain awal . Hal ini menjadi kurang penting ketika register indeks dan pengalamatan tidak langsung menjadi fitur biasa dari arsitektur mesin . Penggunaan lain adalah untuk menanamkan data yang sering digunakan dalam aliran instruksi menggunakan pengalamatan langsung . Self- memodifikasi kode sebagian besar jatuh dari nikmat , karena biasanya sulit untuk memahami dan debug, serta menjadi tidak efisien dalam prosesor pipelining dan caching skema modern.

Pada skala besar , kemampuan untuk mengobati instruksi sebagai data adalah apa yang membuat perakit , kompiler dan alat-alat pemrograman otomatis lainnya mungkin. Satu dapat " menulis program yang menulis program " . [ 5 ] Pada skala yang lebih kecil , saya operasi / O - intensif berulang seperti gambar manipulasi BitBlt primitif atau pixel shader vertex & di grafis 3D modern, dianggap tidak efisien untuk berjalan tanpa hardware kustom . Operasi ini bisa dipercepat pada prosesor tujuan umum dengan " pada kompilasi fly " ( " just-in -time kompilasi " ) teknologi , misalnya , program - satu kode - menghasilkan bentuk kode diri memodifikasi yang telah tetap populer .

Ada kelemahan desain Von Neumann . Selain hambatan Von Neumann dijelaskan di bawah ini , modifikasi program yang bisa sangat berbahaya , baik oleh kecelakaan atau desain . Dalam beberapa desain komputer yang disimpan - program sederhana , sebuah program rusak dapat merusak dirinya sendiri , program lain , atau sistem operasi , mungkin menyebabkan crash komputer . Perlindungan memori dan bentuk lain dari kontrol akses biasanya dapat melindungi terhadap kedua disengaja dan berbahaya modifikasi Program .

Pengembangan konsep program yang disimpan

Matematikawan Alan Turing , yang telah waspada terhadap masalah logika matematika oleh ceramah dari Max Newman di University of Cambridge , menulis sebuah makalah tahun 1936 yang berjudul On Computable Numbers , dengan Aplikasi untuk Entscheidungsproblem , yang diterbitkan dalam Proceedings dari London matematika Masyarakat [ 6 ] . Di dalamnya ia menggambarkan sebuah mesin hipotetis yang disebutnya "universal mesin komputasi " , dan yang sekarang dikenal sebagai " mesin Turing Universal " . Mesin hipotetis memiliki sebuah toko tak terbatas ( memori dalam terminologi hari ini ) yang mengandung kedua instruksi dan data . John von Neumann menjadi berkenalan dengan Turing sementara ia adalah seorang profesor tamu di Cambridge pada tahun 1935 , dan juga selama PhD tahun Turing di Institute for Advanced Studi di Princeton , New Jersey selama 1936-1937 . Apakah dia tahu kertas Turing tahun 1936 pada waktu itu tidak jelas .

Pada tahun 1936 Konrad Zuse juga diantisipasi dalam dua aplikasi paten yang instruksi mesin dapat disimpan dalam penyimpanan yang sama digunakan untuk data . [ 7 ]

Mandiri , J. Presper Eckert dan John Mauchly , yang mengembangkan ENIAC di Moore Sekolah Teknik Elektro , di Universitas Pennsylvania , menulis tentang konsep program yang disimpan pada bulan Desember 1943 . [ 8 ] [ 9 ] Dalam perencanaan baru mesin , EDVAC , Eckert menulis pada Januari 1944 bahwa mereka akan menyimpan data dan program dalam perangkat memori beralamat baru , memori garis merkuri delay logam . Ini adalah pertama kalinya pembangunan mesin disimpan-program praktis diusulkan . Saat itu , ia dan Mauchly tidak menyadari pekerjaan Turing .

Von Neumann terlibat dalam Proyek Manhattan di Los Alamos National Laboratory , yang dibutuhkan dalam jumlah besar perhitungan . Hal ini menarik dia untuk proyek ENIAC , selama musim panas tahun 1944 . Di sana ia bergabung ke dalam diskusi yang sedang berlangsung pada desain ini komputer disimpan-program , EDVAC . Sebagai bagian dari kelompok itu, ia menawarkan diri untuk menulis deskripsi dan menghasilkan Draft Pertama Laporan di EDVAC [ 1 ] yang termasuk ide dari Eckert dan Mauchly . Itu belum selesai ketika rekannya Herman Goldstine beredar dengan hanya nama von Neumann di atasnya , dengan kekhawatiran dari Eckert dan Mauchly . [ 10 ] Makalah ini dibaca oleh puluhan rekan von Neumann di Amerika dan Eropa , dan mempengaruhi putaran berikutnya desain komputer .

Oleh karena itu , Von Neumann tidak sendirian dalam mengembangkan ide dari arsitektur disimpan-program , dan Jack Copeland menganggap bahwa itu adalah " historis yang tidak pantas , untuk merujuk disimpan-program komputer digital elektronik sebagai ' von Neumann mesin ' " . [ 11 ] Nya rekan Los Alamos Stan Frankel mengatakan dari hal von Neumann untuk ide-ide Turing :

Aku tahu bahwa dalam atau sekitar 1943 atau '44 von Neumann sangat menyadari pentingnya dasar kertas Turing tahun 1936 ... Von Neumann memperkenalkan saya pada kertas itu dan atas desakan , aku mempelajarinya dengan hati-hati . Banyak orang telah diakui von Neumann sebagai " bapak komputer " ( dalam pengertian modern istilah ) tapi aku yakin bahwa dia tidak akan pernah melakukan kesalahan yang sendiri . Dia mungkin juga disebut bidan , mungkin, tapi dia tegas menekankan kepada saya , dan kepada orang lain saya yakin , bahwa konsepsi mendasar adalah karena Turing - sejauh tidak diantisipasi oleh Babbage ... Kedua Turing dan von Neumann , tentu saja , juga membuat kontribusi besar untuk " pengurangan untuk berlatih " konsep-konsep ini tetapi saya tidak akan menganggap ini sebagai sebanding pentingnya dengan pengenalan dan penjelasan dari konsep komputer mampu menyimpan dalam memori program kegiatan dan memodifikasi program yang selama kegiatan ini . [ 12 ]

Pada waktu itu " Draft Pertama " Laporan itu beredar , Turing menghasilkan sebuah laporan berjudul Usulan Kalkulator elektronik yang dijelaskan dalam teknik dan detail pemrograman , idenya sebuah mesin yang disebut Automatic Computing Mesin ( ACE ) . [ 13 ] Dia disajikan ini kepada Komite Eksekutif dari National Physical Laboratory Inggris pada tanggal 19 Februari 1946. Meskipun Turing tahu dari pengalaman masa perang di Bletchley Park bahwa apa yang ia mengusulkan adalah layak , kerahasiaan sekitarnya Colossus , yang kemudian dipertahankan selama beberapa dekade , mencegah dia mengatakan begitu . Berbagai implementasi sukses dari desain ACE diproduksi .

Makalah Kedua von Neumann dan Turing dijelaskan disimpan-program komputer , tapi kertas von Neumann sebelumnya mencapai sirkulasi besar dan arsitektur komputer itu diuraikan menjadi dikenal sebagai " arsitektur von Neumann " . Pada tahun 1953 publikasi cepat dari Thought : A Simposium Mesin Digital Computing ( diedit oleh BV Bowden ) , bagian dalam bab tentang Komputer di Amerika berbunyi sebagai berikut : [ 14 ]

MESIN DARI LEMBAGA UNTUK ADVANCED STUDIES , PRINCETON

Pada tahun 1945 , Profesor J. von Neumann , yang saat itu bekerja di Moore School of Engineering di Philadelphia , di mana ENIAC telah dibangun , yang dikeluarkan atas nama sekelompok rekan kerja laporan pada desain logis dari komputer digital . Laporan itu berisi proposal yang cukup rinci untuk desain mesin yang sejak itu menjadi dikenal sebagai EDVAC yang ( electronic discrete komputer otomatis variabel ) . Mesin ini baru-baru ini telah selesai di Amerika , namun laporan von Neumann terinspirasi pembangunan EDSAC ( electronic delay penyimpanan kalkulator otomatis ) di Cambridge ( lihat halaman 130 ) .

Pada tahun 1947 , Burks , Goldstine dan von Neumann menerbitkan laporan lain yang diuraikan desain jenis lain dari mesin ( mesin paralel saat ini ) yang harus sangat cepat , mampu mungkin dari 20.000 operasi per detik . Mereka menunjukkan bahwa masalah yang luar biasa dalam membangun mesin semacam itu dalam pengembangan memori yang cocok , semua isi yang seketika dapat diakses , dan pada awalnya mereka menyarankan penggunaan tabung vakum khusus - disebut " Selectron " - yang telah ditemukan oleh Princeton Laboratories dari RCA Tabung-tabung yang mahal dan sulit untuk membuat , sehingga von Neumann kemudian memutuskan untuk membangun sebuah mesin yang didasarkan pada memori Williams . Mesin ini , yang diselesaikan pada bulan Juni 1952 di Princeton telah menjadi dikenal sebagai Maniac . Desain mesin ini telah mengilhami bahwa dari setengah lusin atau lebih mesin yang sekarang sedang dibangun di Amerika , yang semuanya dikenal sayang sebagai " Johniacs . " '

Dalam buku yang sama , dua paragraf pertama dari bab tentang ACE berbunyi sebagai berikut : [ 15 ]

KOMPUTASI OTOMATIS DI NASIONAL FISIK LABORATORIUM '

Salah satu komputer digital yang paling modern yang mewujudkan perkembangan dan perbaikan dalam teknik komputasi elektronik otomatis baru-baru ini didemonstrasikan di Laboratorium Nasional fisik , Teddington , di mana telah dirancang dan dibangun oleh tim kecil matematikawan dan insinyur penelitian elektronik pada staf Laboratorium , dibantu oleh sejumlah insinyur produksi dari Inggris Electric Company , Limited. Peralatan sejauh didirikan di Laboratorium hanya model percontohan dari instalasi yang jauh lebih besar yang akan dikenal sebagai Automatic Computing Engine tetapi meskipun relatif kecil dalam jumlah besar dan hanya mengandung sekitar 800 katup termionik , karena dapat dinilai dari Pelat XII , XIII dan XIV , itu adalah mesin penghitung yang sangat cepat dan serbaguna .

Konsep dasar dan prinsip-prinsip abstrak perhitungan oleh mesin dirumuskan oleh Dr AM Turing , FRS , dalam paper1 a . membaca sebelum matematika Masyarakat London pada tahun 1936 , tetapi bekerja pada mesin tersebut di Inggris tertunda oleh perang . Pada tahun 1945 , bagaimanapun , pemeriksaan masalah itu dibuat di National Physical Laboratory oleh Mr JR Womersley , maka pengawas dari Divisi Matematika Laboratorium . Dia bergabung oleh Dr Turing dan staf kecil spesialis , dan , pada tahun 1947 , perencanaan awal itu cukup canggih untuk menjamin pembentukan kelompok khusus yang telah disebutkan . Pada bulan April 1948 , yang terakhir menjadi Bagian Elektronika Laboratorium , di bawah tuduhan Mr FM Colebrook .

Awal von Neumann komputer - arsitektur

Draft Pertama dijelaskan desain yang digunakan oleh banyak universitas dan perusahaan untuk membangun komputer mereka . [ 16 ] Di antara berbagai komputer , hanya ILLIAC dan ORDVAC memiliki set instruksi yang kompatibel .

Manchester Kecil Eksperimental Mesin ( SSEM ) , dijuluki "Baby " ( University of Manchester , Inggris ) dibuat berjalan sukses pertama dari - program yang disimpan pada tanggal 21 Juni 1948.

EDSAC ( University of Cambridge , Inggris ) adalah yang pertama praktis disimpan - program komputer elektronik (Mei 1949)

Manchester Mark 1 ( University of Manchester , Inggris ) Dikembangkan dari SSEM ( Juni 1949 )

CSIRAC ( Dewan Penelitian Ilmiah dan Industri ) Australia (November 1949)

ORDVAC ( U - Illinois ) di Aberdeen Proving Ground , Maryland ( selesai November 1951 ) [ 17 ]

Mesin IAS di Princeton University (Januari 1952)

MANIAC I di Los Alamos Laboratory Scientific (Maret 1952)

ILLIAC di University of Illinois , (September 1952)

BESM - 1 di Moskow ( 1952)

AVIDAC di Argonne National Laboratory ( 1953)

ORACLE di Oak Ridge National Laboratory ( Juni 1953 )

BEsk di Stockholm ( 1953)

JOHNNIAC di RAND Corporation ( Jan 1954 )

DASK di Denmark ( 1955)

WEIZAC di Rehovoth ( 1955)

Perm di Munich (1956 ? )

SILLIAC di Sydney ( 1956)

Komputer awal disimpan-program

Informasi tanggal dalam kronologi berikut ini sulit untuk dimasukkan ke dalam urutan yang tepat . Beberapa tanggal yang untuk pertama menjalankan program pengujian , beberapa tanggal yang pertama kali komputer ditunjukkan atau diselesaikan , dan beberapa tanggal yang untuk pengiriman pertama atau instalasi.

The IBM SSEC memiliki kemampuan untuk mengobati instruksi sebagai data , dan ditunjukkan publik pada tanggal 27 Januari 1948. Kemampuan ini diklaim dalam paten AS . [ 18 ] Namun itu sebagian elektromekanis , tidak sepenuhnya elektronik . Dalam prakteknya , instruksi dibaca dari pita kertas karena memori yang terbatas . [ 19 ]

The Manchester SSEM ( Baby ) adalah komputer elektronik sepenuhnya pertama yang menjalankan program yang tersimpan . Ini menjalankan program anjak selama 52 menit pada tanggal 21 Juni 1948, setelah menjalankan program pembagian sederhana dan program untuk menunjukkan bahwa dua bilangan yang relatif prima .

The ENIAC dimodifikasi untuk dijalankan sebagai read-only disimpan - program komputer primitif ( menggunakan Tabel Fungsi untuk program ROM ) dan ditunjukkan seperti pada tanggal 16 September 1948, menjalankan program dengan Adele Goldstine untuk von Neumann .

The BINAC berlari beberapa program uji pada bulan Februari , Maret , dan April 1949 , meskipun tidak selesai sampai September 1949 .

The Manchester Mark 1 dikembangkan dari proyek SSEM . Versi antara dari Mark 1 yang tersedia untuk menjalankan program pada bulan April 1949, tetapi tidak selesai sampai Oktober 1949.

The EDSAC berlari program pertama pada tanggal 6 Mei 1949.

The EDVAC disampaikan pada bulan Agustus 1949, tapi itu masalah yang terus dari yang dimasukkan ke dalam operasi rutin sampai 1951 .

CSIR Mk Aku berlari program pertama pada bulan November 1949.

The SEAC telah didemonstrasikan pada bulan April 1950.

The Pilot ACE menjalankan program pertama pada tanggal 10 Mei 1950 dan telah didemonstrasikan pada bulan Desember 1950.

The SWAC selesai pada Juli 1950.

The Whirlwind selesai pada bulan Desember 1950 dan telah digunakan sebenarnya pada bulan April 1951.

Atlas ERA pertama ( kemudian ERA komersial 1101/UNIVAC 1101) telah terinstal pada bulan Desember 1950.

evolusi

Satu sistem bus evolusi arsitektur

Melalui dekade 1960-an dan 1970-an komputer umumnya menjadi baik kecil dan lebih cepat , yang menyebabkan beberapa evolusi dalam arsitektur mereka . Sebagai contoh, memori - dipetakan I / O memungkinkan perangkat input dan output harus diperlakukan sama dengan memori . [ 20 ] Sebuah sistem bus tunggal dapat digunakan untuk menyediakan sistem modular dengan biaya yang lebih rendah . Ini kadang-kadang disebut " perampingan " arsitektur . [ 21 ] Dalam beberapa dekade berikutnya , mikrokontroler sederhana kadang-kadang akan menghilangkan fitur model untuk menurunkan biaya dan ukuran . Komputer yang lebih besar menambahkan fitur untuk kinerja yang lebih tinggi .

Von Neumann bottleneck

Bus dibagi antara memori program dan memori data menyebabkan hambatan Von Neumann , throughput terbatas ( kecepatan transfer data ) antara CPU dan memori dibandingkan dengan jumlah memori . Karena memori program dan data memori tidak dapat diakses pada saat yang sama , throughput jauh lebih kecil daripada tingkat di mana CPU dapat bekerja . Ini serius membatasi kecepatan pemrosesan efektif bila CPU diperlukan untuk melakukan pengolahan minimal pada sejumlah besar data. CPU ini terus dipaksa untuk menunggu data yang diperlukan untuk ditransfer ke atau dari memori . Karena kecepatan CPU dan ukuran memori telah meningkat jauh lebih cepat daripada throughput antara mereka , kemacetan telah menjadi lebih dari masalah, masalah yang beratnya meningkat dengan setiap generasi baru dari CPU .

Istilah " von Neumann bottleneck " diciptakan oleh John Backus di 1977 ACM Turing Award kuliah . Menurut Backus :

Tentunya harus ada cara yang lebih primitif membuat perubahan besar di toko daripada dengan mendorong sejumlah besar kata-kata bolak-balik melalui hambatan von Neumann . Tidak hanya adalah tabung ini hambatan literal untuk lalu lintas data masalah, tetapi yang lebih penting , itu merupakan hambatan intelektual yang telah membuat kami terikat dengan kata -at -a -time berpikir bukannya mendorong kita untuk berpikir dalam hal unit konseptual yang lebih besar dari tugas di tangan . Dengan demikian pemrograman pada dasarnya perencanaan dan merinci lalu lintas besar dari kata-kata melalui hambatan von Neumann , dan banyak yang keprihatinan lalu lintas data yang signifikan tidak sendiri , tapi di mana menemukannya . [ 22 ] [ 23 ]

Masalah kinerja dapat dikurangi ( sampai batas tertentu ) melalui beberapa mekanisme . Menyediakan cache antara CPU dan memori utama , menyediakan cache yang terpisah atau jalur akses terpisah untuk data dan instruksi ( yang disebut Modified arsitektur Harvard ) , menggunakan algoritma cabang prediktor dan logika , dan menyediakan CPU terbatas stack untuk mengurangi akses memori empat dari kinerja cara meningkat . Masalahnya juga dapat mengesampingkan agak dengan menggunakan komputasi paralel , misalnya dengan menggunakan Non - Uniform Memory Access ( NUMA ) arsitektur ini pendekatan yang biasa digunakan oleh superkomputer . Hal ini kurang jelas apakah hambatan intelektual yang mengkritik Backus telah berubah banyak sejak tahun 1977 . Solusi yang diusulkan Backus telah tidak memiliki pengaruh besar . [ Rujukan? ] Pemrograman fungsional modern dan pemrograman berorientasi obyek yang jauh lebih sedikit diarahkan " mendorong sejumlah besar kata-kata bolak-balik " dari bahasa sebelumnya seperti Fortran itu , tetapi secara internal , yang masih apa komputer menghabiskan banyak waktu mereka lakukan, bahkan superkomputer yang sangat paralel.

Dalam beberapa kasus , teknologi memristor muncul mungkin dapat menghindari kemacetan von Neumann . [ 24 ]

Prosesor non - von Neumann

The National Semiconductor COP8 diperkenalkan pada tahun 1986 , . Memiliki arsitektur Harvard Diubah [ 25 ] [ 26 ]

Mungkin jenis yang paling umum dari struktur non - von Neumann yang digunakan dalam komputer modern adalah konten - addressable memori ( CAM ) .

 

Arsitektur Komputer Von Neumann

      Langsung saja, Arsitektur Komputer Von Neumann merupakan arsitektur yang diciptakan oleh Jhon Von Neumann(1903 – 1957). Nama Von Neumann sendiri diambil dari namanya karena dialah yang pertama kali mempublikasikan konsep tersebut (seandainya saya yang duluan pasti namanya akan diambil dari nama saya tentunya), arsitektur komputer ini banyak digunakan di sebagian besar sistem komputer non paralel seperti komputer rumahan atau notebook. Kedepanya model Von Neumann akan digantikan dengan sistem yang mampu mengkoordinasikan banyak CPU untuk bekerja secara serempak seperti komputer yang digunakan oleh NASA.

Superkomputer milik NASA menghubungkan 20 komputer canggih sgi altix, yang masing-masing memiliki 512 prosesor, dilengkapi dengan 500 terabyte media penyimpan (storage) lokal. Sejumlah 10.240 prosesor intel itanium 2 akan mentenagai superkomputer space exploration simulator ini untuk melakukan berbagai penelitian (kalau cuma untuk ngenet sia-sia nih komputer).  Okay, back to point. Meski konsep ini dikemukakan oleh Jhon Von Neumann kemudian dikembangkan oleh J. Prespert Eckert(1919 – 1995) dan Jhon William Mauchly(1907 – 1980) dalam pengembangan komputer ENIAC, nama von Neumann lah yang lebih dikenal sebagai penemu arsitektur komputer tersebut.

Arsitektur Von Neumann menggambarkan komputer dengan empat bagian utama yaitu Unit Aritmatika dan Logis (ALU) yang merupakan bagian dari unit kontrol (cpu), media penyimpanan (memory), dan alat masukan (input) dan hasil/keluaran (output) secara kolektif dinamakan I/O. Dibawah ini adalah gambar arsitektur Von Neumann.

Dalam gambar menunjukan begitu sederhananya arsitektur tersebut, berikut penjelasan dari empat komponen tersebut.

1. Masukan (input)

Perangkat ini memiliki fungsi sebagai media untuk memasukkan data ke dalam processor untuk diolah guna menghasilkan informasi yang diperlukan. Input devices atau perangkat masukan yang umumnya digunakan personal computer (PC) adalah keyboard dan mouse, keyboard dan mouse adalah unit yang menghubungkan user (pengguna) dengan komputer. Selain itu terdapat joystick, yang biasa digunakan untuk bermain games atau permainan dengan komputer. Kemudian scanner, untuk memindai gambar agar dapat di olah secara digital. Touch panel, dengan menggunakan sentuhan jari user dapat melakukan suatu proses akses file sebagai pengganti mouse. Microphone, untuk merekam suara ke dalam komputer dan masih banyak lagi.

2. Pemroses (cpu)

CPU atau Central Processing Unit merupakan tempat pemroses dari intruksi-intruksi program, bentuknya berupa chip yang terdiri dari jutaan IC. CPU terdiri dari dua bagian utama yaitu Unit Kendali (control unit) serta Unit Aritmatika dan Logika (ALU). Disamping itu, CPU mempunyai beberapa alat penyimpan yang berukuran kecil yang disebut dengan register.

- Unit Kendali (control unit)

Unit ini bertugas mengatur dan mengendalikan semua peralatan yang ada pada sistem komputer. Unit kendali akan mengatur kapan alat input menerima data dan kapan data diolah serta kapan ditampilkan pada alat output. Tugas dari unit kendali ini adalah :

• Mengatur dan mengendalikan alat-alat input dan output.

• Mengambil instruksi-instruksi dari memori utama.

• Mengambil data dari memori utama (jika diperlukan) untuk diproses.

• Mengirim instruksi ke ALU bila ada perhitungan aritmatika serta mengawasi kerja dari ALU.

• Menyimpan hasil proses ke memori utama.

- Unit Aritmatika dan Logika (ALU)

Tugas utama dari ALU adalah melakukan semua perhitungan aritmatika (matematika) yang terjadi sesuai dengan instruksi program. ALU melakukan operasi aritmatika dengan dasar penjumlahan sehingga sirkuit elektronik yang digunakan disebut adder. Tugas lain dari ALU adalah melakukan keputusan dari suatu operasi logika sesuai dengan instruksi program. Operasi logika meliputi perbandingan dua operand dengan menggunakan operator logika tertentu, yaitu sama dengan (=), tidak sama dengan (<> ), kurang dari (<), kurang atau sama dengan (<= ), lebih besar dari (>), dan lebih besar atau sama dengan (>=).

3. Penyimpanan (memory)

Memory mrupan media penyimpanan data pada Komputer, jenis memory dibagi menjadi dua yaitu.

- RAM (Random Access Memory)

RAM adalah memory utama bagi Komputer yang memegang arahan data yang akan diproses oleh Processor, Ram sendiri bersifat volatile. Artinya data yang disimpan didalamnya akan hilang ketika tidak di aliri arus listrik. Jenis RAM sangat bervariasi, diantaranya :

- DRAM (Dynamic RAM) adalah jenis RAM yang secara berkala harus disegarkan oleh CPU agar data yang terkandung didalamnya tidak hilang.
- SDRAM (Synchronous Dynamic RAM) adalah jenis RAM yang paling umum digunakan pada PC masa sekarang. RAM ini disinkronisasi oleh clock sistem dan memiliki kecepatan lebih tanggi dari pada DRAM.
- SRAM (Statik RAM) adalah jenis memory yang tidak perlu penyegaran oleh CPU agar data yang terdapat didalamnya tetap tersimpan dengan baik. RAM jenis ini memiliki kecepatan lebih tinggi dari  pada DRAM.
- RDRAM (Rambus Dynamic RAM)adalah jenis memory yang lebih cepat dan lebih mahal dari pada SDRAM.
- EDORAM (Extended Data Out RAM) adalah jenis memory yang digunakan pada sistem yang menggunakan Pentium.

- DDR (Double Data Rate) tipe RAM yang menggunakan teknologi double clock cycle. DDR sekarang sudah semakin berkembang dengan munculnya DDR2 dan DDR3 yang memiliki kecepatan yang sangat tinggi.

Kedepannya mungkin jenis-jenis RAM akan terus berkembang, karena semakin berkembang pulasistem komputer yang ada saat ini. Sehingga untuk menunjang kebutuhan komputasi yang tinggi dibutuhkan performa komputer yang maksimal.

- ROM (Read Only Memory)

ROM ini sifatnya permanen, artinya program / data yang disimpan didalam ROM ini tidak mudah hilang atau berubah walau aliran listrik di matikan. Proses menyimpan data pada ROM tidak dapat dilakukan dengan mudah, namun membaca data dari ROM dapat dilakukan dengan mudah. Sampai saat ini ada berbagai jenis ROM yang pernah beredar dan terpasang pada komputer, antara lain PROM, EPROM, EAROM, EEPROM, dan Flash Memory. Berikut ini uraian singkat dari masing-masing jenis ROM tersebut.

1. PROM (Programmable Read Only Memory)

2. EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)

3. EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)

4. Flash Memory

4. Keluaran (output)

Perangkat output adalah perangkat komputer yang digunakan untuk menampilkan atau menyampaikan informasi kepada penggunanya. Informasi yang ditampilkan oleh komputer merupakan hasil dari pemrosesan yang telah dilakukan oleh komputer. Informasi yang diteruskan oleh komputer melalui perangkat output dapat berupa tampilan di layar hasil cetakan, suara, dan sebagainya. Perangkat output sangat banyak sekali jenisnya diantaranya.

- Monitor

Monitor merupakan salah satu perangkat keras (Hardware) yang digunakan sebagai penampilan output video dari pada sebuah komputer, dan kegunaannya tersebut tidak dapat dipisahkan dalam pemakaian suatu komputer, sehingga dikarenakan monitor itu sebagai penampilan gambar maka tentunya komputer sangat sulit digunakan dan bahkan sama sekali tidak dapat digunakan tanpa menggunakan komputer (coba aja bayangin facebookan tanpa monitor. hehe..).

- Printer

Printer adalah perangkat Output yang digunakan untuk menghasilkan cetakan dari komputer ke dalam bentuk kertas. Printer dihubungkan dengan komputer melalui USB, selain itu printer juga harus dihubungkan dengan arus listrik namun saat ini ada jenis printer portabel yang menggunakan baterai. Saat pertama kali disambungkan ke komputer, kita harus menginstall software driver printer agar printer itu dapat dikenali oleh komputer. Ketajaman hasil cetakan printer diukur dengan satuan dpi atau dot per inch yaitu banyakknya titik dalam satu inci. Semakin tinggi dpi sebuah printer, maka semakin tajam hasil cetakannya.

- Speaker

Speaker adalah perangkat keras untuk menghsailkan suara. Jenis lain dari speaker adalah headset atau earphone. Kita dapat mendengarkan hasil keluaran berupa suara dari komputer melalui speaker.

- Infocus/Proyektor

Infocus juga merupakan alat ouput, biasanya digunakan untuk presentasi, yang dihubungkan kekomputer untuk menampilkan apa yang ada pada monitor ke suatu screen (layar) ataupun dinding.

- Plotter

Plotter merupakan jenis printer yang dirancang secara khusus guna menghasilkan output komputer yang berupa gambar ataupun grafik. Dengan menghubungkan plotter pada sistem komputer, maka pelbagai bentuk gambar akan dapat disajikan secara prima. Landscape-arsitektur banyak menggunakan plotter guna menghasilkan gambar landscape, potongan pohon, ataupun untuk membantu memvisualisasikan efek dari segala kegiatan yang ada (kalau inget plotter jadi pengen ketawa sendiri, karna punya pengalaman lucu sama nih hardware).

Akhirnya demikian lah tentang arsitektur Von Neumann yang dapat saya jabarkan, semoga bermanfaat.

Terima kasih.