Von Neumannová schéma

Princíp počítača, von Neumannova schémaV dnešnom svete plnom techniky sa s počítačmi stretávame na takmer každom kroku. Väčšina z nich, či je to obyčajný stolový počítač, či server, palubný počítač v aute, mobilný telefón alebo PDA zariadenie, všetko sú to počítače, ktoré pracujú na rovnakom princípe, ktorý popísal už v roku 1945 americký matematik narodený v Maďarsku John von Neumann. Podľa tejto teórie, ktorá s menšími obmenami platí dodnes, sa bloková schéma počítača skladá zo piatich blokov:1.ALU – Aritmeticko-Logická jednotka – jednotka vykonávajúca všetky aritmetické a logické operácie. Obsahuje bloky určené na aritmetické operácie ako sčítanie, odčítanie, násobenie a delenie a bloky na logické operácie ako porovnávanie a pod. Úlohou ALU je krok po kroku vykonávať program uložený v pamäti.2.Operačná pamäť – slúži ako skladisko pre samotný program, dáta programu, dočasné skladisko pre medzivýpočty a samotné výsledky.

V operačnej pamäti sa nachádzajú miesta na uloženie daných dát, ktoré je možné adresovať a tým čítať a zapisovať z a do ľubovoľného miesta v pamäti. Najzákladnejšou bunkou pamäte je jeden bit, ktorý reprezentuje logický stav 0 alebo 1. Množina ôsmich bitov sa nazýva jeden bajt (slabika) a je to najzákladnejšia a najmenšia adresovateľná jednotka v pamäti. Keďže jeden bajt je pomerne malá jednotka, pre potreby vyčíslenia väčších pamäťových kapacít sa používajú násobky kilo, mega, giga a najnovšie aj tera, pričom sa tieto násobky mierne odlišujú od bežných metrických násobkov v číselnom vyjadrení. Zatiaľ čo napr. kilogram má 1000 gramov, kilobajt obsahuje 1024 bajtov. Je to dané tým, že číslo 1000 nie je mocninou dvojky a najbližšie číslo, ktoré túto podmienku spĺňa je 210=1024. Teda:1 kilobajt = 210 bajtov = 1024 bajtov1 megabajt = 1024 kilobajtov = 220 bajtov = 1 048 576 bajtov1 gigabajt = 1024 megabajtov = 230 bajtov = 1 073 741 824 bajtov1 terabajt = 1024 gigabajtov = 240 bajtov = 1 099 511 627 776 bajtovOkrem bajtov sa v počítačovej terminológii používa aj pojem word (slovo).

Veľkosť jedného slova je daná hardvérom a operačným systémom a pohybuje sa od 1 až do 4 bajtov.3.Radič – riadiaca jednotka počítača, ktorá riadi jeho celú činnosť. Toto riadenie sa uskutočňuje pomocou riadiacich signálov, ktoré predáva každému zariadeniu. Reakciou na riadiace signály sú stavové hlásenia radiča, ktoré sú mu posielané na spracovanie a následné rozhodnutie nad ďalším krokom.4.Vstupné zariadenie – zariadenie, ktoré slúži na vstup programu a dát5.Výstupné zariadenie – zariadenie, ktoré slúži na výstup spracovaných dát, ktoré ALU spracovala pomocou programu.Medzi týmito blokmi počítačovej schémy prebieha neustála komunikácia, ktorá sa dá rozdeliť na tri časti:•Riadiace signály radiča – týmito signálmi predáva radič informácie ostatným zariadeniam svoje požiadavky.•Stavové hlásenia pre radič – tieto signály sú v podstate odpoveďou na riadiace signály. Zariadenie nimi dáva informácie radiču o úspešnej/neúspešnej vykonaní požadovanej operácie, poprípade poskytne dodatočné informácie požadované radičom.•Dátový tok – predstavuje samotné dáta prúdiace zo vstupných zariadení cez ALU do pamäte alebo výstupných zariadení.Počítač, ktorého metódy spĺňajú metódy von Neumannovej schémy pracuje nasledovne:1.Do pamäte sa cez ALU zapíše program (postupnosť inštrukcií, ktoré sú postupne vykonávané ALU) zo vstupných zariadení.

Takýmto spôsobom sa zapíšu do pamäte aj vstupné dáta, ktoré program požaduje.2.Prebehne vlastný výpočet, ktorý postupne vykonáva ALU. Táto jednotka je riadená radičom, pričom si medzivýsledky ukladá do pamäte.3.Po ukončení programu sú výsledky kontrolovane poslané na výstupné zariadenie.Dnešné počítače sa v akomkoľvek prevedení a forme v teoretickej rovine podobajú tejto schéme. Je samozrejmé, že evolúcia počítačov sa mierne podpísala aj pod niektoré výnimky, ktoré nie sú obsiahnuté vo von Neumannovej schéme:•Dnešné počítače dokážu spracovávať niekoľko úloh a teda aj programov naraz – multitasking.•Počítač môže disponovať viacerými procesormi.•Existujú aj takzvané vstupno/výstupné zariadenia, z a do ktorých môže byť program a jeho výsledky zapísané a načítané.•Program sa nemusí zaviesť do pamäti celý, stačí len jeho najdôležitejšia časť, pričom ostatné časti sa zavedú vo chvíli keď sú potrebné•Program sa nemusí nahrávať do pamäte cez procesor – DMA (Direct Memory Access – priamy prístup do pamäte), šetrí procesorový čas, ktorý sa vďaka tomu môže venovať vykonávaniu programu.Von Neumannova schéma predstavuje len teoretickú schému a popis činnosti počítača.

V praktickej rovine sa táto schéma pomerne verne zhoduje s hardvérovým vybavením dnešných počítačov. Tie dnes disponujú týmito komponentami:Procesor – jadro celého počítača, vykonáva programy. V teoretickej rovine von Neumannovej schémy je to ALU. Jedným z rozhodujúcich parametrov procesora je takt, čiže frekvencia, na ktorej vykonáva operácie. Čím vyšší takt, tým vyššia rýchlosť vykonávania programu a tým vyšší celkový výkon počítača. Dnešné procesory majú takt od 1400 do 3200 MHz.Matičná doska – doska plošných spojov, na ktorej sú umiestnené prvky ako rôzne radiče, zbernice (spoje, po ktorých prúdia dáta medzi komponentami), pätica pre procesor, sloty (zásuvky) pre prídavné karty a operačnú pamäť a porty, ktoré zabezpečujú komunikáciu s externými perifériami.Operačná pamäť – má identickú funkciu ako rovnomenný blok von Neumannovej schémy. Dnešné operačné sa dodávajú vo forme plieškov s pamäťovými obvodmi s kapacitou od 128 do 512 MB, pričom je vo väčšine prípadov možné vložiť do matičnej dosky hneď niekoľko takýchto modulov.

Celková operačná pamäť počítača teda môže dosiahnuť 1GB aj viac. Operačná pamäť je typu RAM, čiže po vypnutí počítača sa jej obsah definitívne stratí.Diskové jednotky – slúžia na dlhodobejšie ukladanie dát. Existujú tri typy diskových jednotiek: pevné disky, pružné disky a optické disky – CDROM a DVDROM. Pevné disky sú tvorené systémom magnetických platní usporiadaných nad sebou, pričom dáta z týchto platní sníma systém hlavičiek. Dnešné pevné disky dosahujú kapacity od 40 do 360 gigabajtov a prenosové rýchlosti od 133 až do 480 megabitov za sekundu. Pružné disky pracujú na rovnakom princípe ako pevné, s tým rozdielom že sú tvorené len jednou magnetickou platňou vyrobenou z plastu v plastovom puzdre. Tento typ uchovávania dát je už dosť dlho na ústupe najmä kvôli veľkosti a malej kapacite, len 1,44 megabajtov.Optické disky sú momentálne najpopulárnejšie média na uchovávanie veľkého kvanta informácií.

Princíp spočíva v uchovávaní dát v systéme jamiek na opticky lesklom disku s priemerom 12 alebo 8 cm. Tento systém jamiek sníma laser a prenáša do operačnej pamäte. Vylepšenie CDROM médií sa nazýva DVDROM a prináša vylepšenie v podobe zhustenia dát a tým zvýšením kapacity médií.Rozširujúce karty - zasúvajú sa do slotov na matičnej doske a rozširujú funkčnosť počítača. Medzi najpoužívanejšie karty patria sieťová karta, grafická karta, príp. televízna karta. Ostatné externé periférie – patria medzi ne zariadenia ako napr. klávesnica, myš, monitor, tlačiareň, webkamera a pod. Väčšinou slúžia na kontakt používateľa s počítačom a spracovanie vstupu používateľa a zobrazenie výstupu počítača.Na záver sa patrí dodať len jediné. Nech sa výkon a vymoženosti počítačov menia akokoľvek, každý jeden bude logicky pracovať podľa princípov, ktoré vypracoval John von Neumann. Je samozrejmé, že postupom času sa skutočný obraz počítača začne pomaličky odkláňať od pôvodnej von Neumannovej schémy avšak to je vplyv evolúcie, ktorá sa nemôže striktne držať spôsobov definovaných veľmi dávno.