ARSITEKTUR VON NEUMANN: ASAL, MODEL, CARA KERJANYA - TEKNOLOGI - 2025

The arsitektur von Neumann adalah desain teoritis sehingga komputer dapat memiliki program yang tersimpan secara internal, melayani sebagai dasar untuk hampir semua komputer yang saat ini dibuat.

Mesin von Neumann terdiri dari unit pemrosesan pusat, yang mencakup unit logika aritmatika dan unit kontrol, ditambah memori utama, penyimpanan sekunder, dan perangkat input / output.

Sumber: David strigoi - Karya sendiri, Domain Publik, commons.wikimedia.org

Arsitektur ini mengasumsikan bahwa setiap komputasi mengekstrak data dari memori, memprosesnya, dan kemudian mengirimkannya kembali ke memori.

Dalam arsitektur von Neumann, memori yang sama dan bus yang sama digunakan untuk menyimpan data dan instruksi yang menjalankan program.

Perbaikan arsitektur

Karena data dan memori program tidak dapat diakses secara bersamaan, arsitektur von Neumann rentan terhadap kemacetan dan kinerja komputer yang melemah. Inilah yang dikenal sebagai kemacetan von Neumann, di mana daya, kinerja, dan biaya terpengaruh.

Salah satu perubahan yang dibuat melibatkan pemikiran ulang berapa banyak data yang sebenarnya perlu dikirim ke memori dan berapa banyak yang dapat disimpan secara lokal.

Dengan cara ini, alih-alih harus mengirim semuanya ke memori, beberapa cache dan cache proxy dapat mengurangi aliran data dari chip prosesor ke perangkat yang berbeda.

Asal

Pada tahun 1945, setelah Perang Dunia II, dua ilmuwan secara independen mengemukakan cara membuat komputer yang lebih lunak. Salah satunya adalah ahli matematika Alan Turing dan yang lainnya adalah ilmuwan yang sama berbakatnya, John Von Neumann.

Alan Turing dari Inggris telah terlibat dalam memecahkan kode Enigma di Bletchley Park, menggunakan komputer 'Colossus'. Di sisi lain, John Von Neumann dari Amerika sedang mengerjakan Proyek Manhattan untuk membuat bom atom pertama, yang membutuhkan banyak perhitungan manual.

Sampai saat itu, komputer masa perang kurang lebih "diprogram" dengan menghubungkan kembali seluruh mesin untuk melaksanakan tugas yang berbeda. Misalnya, komputer pertama yang disebut ENIAC membutuhkan waktu tiga minggu untuk tersambung kembali untuk melakukan penghitungan yang berbeda.

Konsep baru terdiri dari bahwa dalam memori tidak hanya data yang harus disimpan, tetapi juga program yang memproses data tersebut harus disimpan dalam memori yang sama.

Arsitektur program yang disimpan secara internal ini umumnya dikenal sebagai arsitektur 'Von Neumann'.

Ide baru ini berarti bahwa komputer dengan arsitektur ini akan lebih mudah untuk diprogram ulang. Memang, program itu sendiri akan diperlakukan sama dengan datanya.

Model

Fondasi utama dari model Von Neumann adalah pemikiran bahwa program disimpan secara internal di dalam mesin. Unit memori berisi data dan juga kode program. Desain arsitektur terdiri dari:

Sumber: Dari UserJaimeGallego - File ini berasal dari Von Neumann Architecture.svg, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.org

- Unit Pemrosesan Pusat (CPU)

Ini adalah sirkuit digital yang bertanggung jawab untuk menjalankan instruksi program. Ini juga disebut prosesor. CPU berisi ALU, unit kontrol, dan satu set register.

Unit aritmatika logis

Bagian dari arsitektur ini hanya terlibat dalam melakukan operasi aritmatika dan logika pada data.

Penghitungan biasa untuk menambah, mengalikan, membagi, dan mengurangi akan tersedia, tetapi perbandingan data seperti 'lebih besar dari', 'kurang dari', 'sama dengan' juga akan tersedia.

Unit kontrol

Ini mengontrol pengoperasian ALU komputer, memori, dan perangkat input / output, menginstruksikan mereka bagaimana untuk bertindak atas instruksi dalam program yang baru saja Anda baca dari memori.

Unit kontrol akan mengatur proses pemindahan data dan program ke dan dari memori. Ini juga akan mengurus pelaksanaan instruksi program, satu per satu atau secara berurutan. Ini termasuk gagasan register untuk menampung nilai-nilai antara.

Rekaman

Mereka adalah area penyimpanan berkecepatan tinggi pada CPU. Semua data harus disimpan dalam register sebelum dapat diproses.

Register alamat memori berisi lokasi memori dari data yang akan diakses. Register data memori berisi data yang ditransfer ke memori.

- Penyimpanan

Komputer akan memiliki memori yang dapat menampung data, serta program yang memproses data tersebut. Dalam komputer modern, memori ini adalah RAM atau memori utama. Memori ini cepat dan dapat diakses langsung oleh CPU.

RAM dibagi menjadi beberapa sel. Setiap sel terdiri dari alamat dan isinya. Alamat tersebut secara unik akan mengidentifikasi setiap lokasi dalam memori.

- Pintu keluar masuk

Arsitektur ini memungkinkan untuk menangkap ide yang dibutuhkan seseorang untuk berinteraksi dengan mesin, melalui perangkat input-output.

- Bus

Informasi harus mengalir di antara berbagai bagian komputer. Di komputer dengan arsitektur von Neumann, informasi ditransmisikan dari satu perangkat ke perangkat lain di sepanjang bus, menghubungkan semua unit CPU ke memori utama.

Bus alamat membawa alamat data, tetapi bukan data, antara prosesor dan memori.

Bus data membawa data antara prosesor, memori, dan perangkat input-output.

Bagaimana cara kerja arsitektur von Neumann?

Prinsip yang relevan dari arsitektur von Neumann adalah bahwa baik data maupun instruksi disimpan dalam memori dan diperlakukan sama, yang berarti bahwa instruksi dan data bersifat terarah.

Ia bekerja menggunakan empat langkah sederhana: temukan, dekode, jalankan, simpan, yang disebut "Siklus Mesin."

Instruksi diperoleh oleh CPU dari memori. CPU kemudian menerjemahkan dan menjalankan instruksi ini. Hasilnya disimpan kembali dalam memori setelah siklus eksekusi instruksi selesai.

Pencarian untuk

Pada langkah ini instruksi diperoleh dari RAM dan di-cache untuk diakses oleh unit kontrol.

Membaca sandi

Unit kontrol menerjemahkan instruksi sedemikian rupa sehingga unit aritmatika logis dapat memahaminya, dan kemudian mengirimkannya ke unit aritmatika logis.

Lari

Unit logis aritmatika menjalankan instruksi dan mengirimkan hasilnya kembali ke cache.

Untuk stok

Setelah penghitung program menunjukkan berhenti, hasil akhir diunduh ke memori utama.

Kemacetan

Jika mesin Von Neumann ingin melakukan operasi dengan data dalam memori, itu harus ditransfer melalui bus ke CPU. Setelah melakukan perhitungan, hasilnya perlu dipindahkan ke memori melalui bus yang sama.

Hambatan Von Neumann terjadi ketika data yang dimasukkan atau dihapus dari memori harus berlama-lama sementara operasi memori saat ini selesai.

Artinya, jika prosesor baru saja menyelesaikan kalkulasi dan siap untuk melakukan kalkulasi berikutnya, ia harus menulis kalkulasi yang telah selesai, yang menempati bus, ke dalam memori sebelum dapat mengambil data baru dari memori, yang juga menggunakan bus yang sama.

Kemacetan ini semakin parah dari waktu ke waktu, karena mikroprosesor telah meningkatkan kecepatannya dan di sisi lain memori tidak berkembang begitu cepat.

Keuntungan

- Unit kontrol mengambil data dan instruksi dengan cara yang sama dari memori. Oleh karena itu, desain dan pengembangan unit kontrol disederhanakan, menjadi lebih murah dan lebih cepat.

- Data dari perangkat input / output dan memori utama diambil dengan cara yang sama.

- Organisasi memori dilakukan oleh programmer, yang memungkinkan untuk menggunakan semua kapasitas memori.

- Mengelola satu blok memori lebih sederhana dan lebih mudah untuk dicapai.

- Desain chip mikrokontroler jauh lebih sederhana, karena hanya satu memori yang akan diakses. Hal terpenting tentang mikrokontroler adalah akses ke RAM dan dalam arsitektur von Neumann ini dapat digunakan untuk menyimpan data dan menyimpan instruksi program.

Pengembangan sistem operasi

Keuntungan utama memiliki memori yang sama untuk program dan data adalah program dapat diproses seolah-olah menjadi data. Dengan kata lain, Anda dapat menulis program yang datanya adalah program lain.

Sebuah program yang datanya adalah program lain tidak lebih dari sebuah sistem operasi. Faktanya, jika program dan data tidak diperbolehkan dalam ruang memori yang sama, seperti halnya dengan arsitektur von Neumann, sistem operasi tidak akan pernah bisa dikembangkan.

Kekurangan

Meskipun keuntungannya jauh lebih besar daripada kerugiannya, masalahnya adalah hanya ada satu bus yang menghubungkan memori ke prosesor, jadi hanya satu instruksi atau satu item data yang dapat diambil pada satu waktu.

Ini berarti prosesor mungkin harus menunggu lebih lama untuk data atau instruksi tiba. Ini dikenal sebagai kemacetan von Neumann. Karena CPU jauh lebih cepat daripada bus data, ini berarti sering menganggur.

- Karena pemrosesan instruksi secara berurutan, implementasi paralel dari program tidak diperbolehkan.

- Dengan berbagi memori, ada risiko satu instruksi akan ditimpa instruksi lainnya karena kesalahan dalam program, yang menyebabkan sistem crash.

- Beberapa program yang rusak tidak dapat mengosongkan memori ketika selesai, yang dapat menyebabkan komputer macet karena memori tidak cukup.

- Data dan instruksi berbagi bus data yang sama, meskipun kecepatan setiap pengambilan biasanya sangat berbeda.

Referensi

1. Teknik Semikonduktor (2019). Arsitektur Von Neumann. Diambil dari: semiengineering.com
2. Scott Thornton (2018). Apa perbedaan antara arsitektur Von-Neumann dan Harvard? Tip Mikrokontroler. Diambil dari: microcontrollertips.com.
3. Ajarkan ICT (2019). Mesin Von Neumann. Diambil dari: teaching-ict.com.
4. Ilmu Komputer (2019). Arsitektur Von Neumann. Diambil dari: computercience.gcse.guru.
5. Pelajari IT dengan Mr C (2019). Mesin Von Neumann. Diambil dari: learnitwithmrc.co.uk.
6. Solid State Media (2017). Bagaimana cara kerja komputer? Arsitektur Von Neumann. Diambil dari: solidstateblog.com.