Neumann gépe

A mai PC ősének tekintett Neumann gép felépítése, működése. Évtizedeken át a fejlődés a számítógépek kapacitását, sebességét érintette, ám a működésük elve ugyanaz volt:

Neumann elv

Naumann János 1945-ben vetette papírra a számítógépek működésének elveit, szabályait. Következzen a Neumann elv 5 pontja:

1. Tárolt program. Az utasításokat az adatokkal azonos módon, közös nagy kapacitású memóriában , numerikus kódok formájában kell tárolni.
   Memória: szavanként címezhető tárolóegység, melynek rekeszei tárolják az utasításokat és az adatokat egyaránt. Értelmezés kérdése, hogy a tárolt kód az éppenséggel utasítás vagy adat, az ábrázolás módja ugyanaz.A memóriának gyorsan olvashatónak és írhatónak kell lennie, mert ez a sebesség alapvetően meghatározza az utasítások végrehajtásának sebességét. A gyorsaság csak úgy volt megfelelő, ha olyan anyagot alkalmaztak - félvezető memóriák -, amely az áram kikapcsolását követően elveszti tartalmát. Így váltak szükségessé a háttértárak, amelyek ugyan lassabbak ám az áram forrás megszűntével sem veszítik el a tartalmukat, az ott tárolt adatokat.
   Használatos elnevezés még: main storage, memory, operatív memória, operatív tár, főtár, központi tár, ...
    
2. Kettes számrendszer. Az adatok és program kódok ábrázolására a kettes számrendszert kell alkalmazni
   Elsősorban azért is találta Neumann alkalmasnak a kettes számrendszert, mivel ez mechanikusan is megvalósítható volt: a kettes számrendszer egy-egy bitjét úgy képzeljük el, mint egy kétállású kapcsolót. Egyik állásában 0 az értéke, a másik állapotában pedig 1.
    
3. Vezérlőegység. Szükség van egy olyan vezérlőegységre, amely különbséget tud tenni utasítás és adat között, majd önműködően végrehajtatja az utasításokat
   Tehát elegendő az adatokat és az utasításokat a memóriába betölteni és onnéttól a vezérlőegység értelmezi és végrehajtja az utasításokat, azaz futtatja a programot, amely valamilyen műveleteket végez az adatokon, valamilyen eredményt szolgáltat.
    
4. Aritmetikai- logikai egység(ALU). A számítógép tartalmazzon olyan egységet, amely az aritmetikai műveletek mellett képes elvégezni az alapvető logikai műveleteket is.
    
5. Perifériák. Szükség van olyan ki/bemeneti egységekre, amelyek biztosítják a kapcsolatot az ember és a számítógép között.
    

Neumann elvekhez kapcsolódó fogalmak, meghatározások

CPU (Central Processing Unit, központi egység, processzor ua.) Ellátja a verzérlőegység és az aritmetikai-logikai egység feladatát. A CPU értelmezi és hajtja végre az utasításokban kódolt aritmetikai és logikai műveleteket, vezérli az adatforgalmat a memória és a perifériák között.

Perifériák - alapvető feladatuk a kapcsolattartás a külvilággal, a felhasználóval. A felhasználóval való kapcsolattartás tipikus eszköze a billentyűzet, az egér, monitor, nyomtató, ...és még sok-sok más típusú eszköz. A perifériák legfontosabbja talán a háttértár, amely lehetővé teszi az adatok és utasítások hosszútávű tárolását.

Busz vagy sín. Biztosítja az egyes funkcionális egységek közötti kapcsolatot, adat forgalmat. A buszon keresztül kommunikáló eszközöknek azonos nyelvet kell beszélniük.

A Neumann ciklus

A memória és a processzor együttműködésének folyamatát írja le az úgynevezett Neumann-ciklus. Ebben nem szerepelnek a perifériák, nem szerepel a külvilággal való kapcsolattartás sem

Az operációs rendszer egy programként értelmezhető a gépen, a Neumann ciklusban, amely a hardver kezelését hivatott megkönnyíteni. Program, tehát a helye a memóriában van.

 Kommunikáció a perifériákkal

A külvilággal történő kapcsolattartás a perifériák feladata. A perifériákkal történő kommunikáció  az alábbiak szerint 3 féleképpen történhet:

1. Polling azaz lekérdezéses átvitel. A processzor folyamatosan kérdezi le a periféria állapotát és ha érdemleges információt talál, beolvassa azt.
   Ennek a módszer nagyon nagy hátránya, hogy a processzor állandóan foglalt, a periféria átvitel alatt semmi mást nem végez.
2. Megszakításos átvitel (IRQ - Interrupt ReQuest) A periféria maga értesíti a processzort - a megszakítási rendszeren keresztül -, ha adatátvitelt igényel. A CPU alkalmas időpillanatban átvált és lebonyolítja az adatátvitelt, majd visszatér eredeti folyamatának folytatásához. Így már nem foglalt állandóan a CPU a perifériák álta, ám az átváltás és visszaváltás(adatok mentése és visszatöltése) komoly adminisztrációt és szervezést igényel, mindezen által időt is.
3. Közvetlen memória átvitel(DMA - Direct Memory Access) A memória és a periféria közötti átvitel a processzortól függetlenül, önálló vezérlő által történik. A processzor egy percig sem foglalt.

e-bookban a Neumann gép:

Mindezen leírás részletesebben + további információk ebben a Google Docs könyvben