Modello di Von Neumann

Schema dell'architettura di von Neumann

Lo schema si basa su cinque componenti fondamentali:

1. CPU (o unità di lavoro) che si divide a sua volta in
• Unità operativa, nella quale uno dei sottosistemi più rilevanti è l'unità aritmetica e logica (o ALU)
• Unità di controllo che si occupa della decodifica e dell'esecuzione dele istruzioni
2. Unità di memoria, intesa come memoria di lavoro o memoria principale (RAM, Random Access Memory), il cui compito e' contenere sia i dati elaborati, sia le istruzioni (=programma) da eseguire
3. Unità di input, tramite la quale i dati vengono inseriti nel calcolatore per essere elaborati
4. Unità di output, necessaria affinché i dati elaborati possano essere restituiti all'operatore
5. Bus, un canale che collega tutti i componenti fra loro. Questo a sua volta si divide in tre parti:
   • Bus di controllo (Control Bus): invia e riceve i segnali dalle altre unità
   • Bus degli indirizzi (Address Bus): trasmette e riceve gli indirizzi delle varie locazioni di memoria
   • Bus dati (Data Bus): consente il transito dei dati tra le varie unità

All'interno dell'ALU è presente un registro detto accumulatore, che fa da buffer tra memoria e ALU grazie a una speciale istruzione che carica una parola dalla memoria all'accumulatore e viceversa.

È importante sottolineare che tale architettura, a differenza di altre, si distingue per la caratteristica di immagazzinare all'interno dell'unità di memoria, sia i dati dei programmi in esecuzione che il codice di questi ultimi.

Bisogna comunque precisare che questa è una schematizzazione molto sintetica, sebbene molto potente: basti pensare che i moderni computer di uso comune sono progettati secondo l'architettura Von Neumann.

Ciclo del processore

Tipicamente la CPU è l'Interprete del linguaggio macchina. Il suo funzionamento si basa sul seguente ciclo, che si ripete ininterrottamente dall'accensione allo spegnimento:

• Indirizzamento (Instruction Addressing): l'istruzione da caricare viene individuata tramite un registro (PC= Program Counter), che si imcrementa ad ogni ciclo
• Acquisizione dell'istruzione (Instruction Fetch): il processore preleva l'istruzione dalla memoria, e la copia nell' apposito registro (IR = Instruction Register)
• Decodifica (Instruction Decoding): una volta che l'struzione è stata prelevata, viene determinata quale operazione debba essere eseguita e come ottenere gli operandi, in base un circuito riconoscitore delle diverse configurazioni di bit
• Esecuzione (Instruction Executing): viene eseguita l'operazione desiderata. Nell'ultimo passo dell'esecuzione viene incrementato il PC: tipicamente di uno se l'istruzione non era un salto condizionale, altrimenti l'incremento dipende dall'istruzione e dall'esito di questa.

  Esecuzione

  Questa fase può impiegare anche diversi clock del processore, a seconda di quali dispositivi vengono coinvolti.
  Ad esempio, una operazione di salto richiede un solo clock per modificare il Program Counter.
  Una operazione di calcolo richiede l'attivazione dell'ALU, che restituisce il risultato in un tempo prevedibile a seconda della lunghezza dei dati coinvolti (operazione sincrona)
  Una assegnazione richede più clock per trasferire i dati nei registri di accesso alla memoria (anche questa è una operazione sincrona).
  Le operazioni di I/O richiedono l'impiego di dispositivi esterni che possono essere più o meno veloci, quindi il tempo di completamento dell'istruzione non è prevedibile (operazioni asincrone). In genere il compito del processore è quello di spostare i dati da o nel buffer relativo alla periferica coinvolta.
  La sincronizzazione delle operazioni viene effettuato tramite le interruzioni.

Set d'istruzioni macchina

Le istruzioni di una CPU (instruction set) sono semplicemente dei numeri, detti opcode o codici operativi: in base al loro valore l'unità di controllo intraprende delle azioni predefinite, come per esempio leggere la successiva locazione di memoria per caricare un dato, oppure attivare la ALU per eseguire un calcolo, oppure scrivere il contenuto di un registro in una certa locazione di memoria o in un altro registro, oppure una combinazione di queste.

Spostamento dati MOV

Operazioni aritmetiche ADD, SUB, MUL, DIV

Operazioni di confronto CMP

Salto condizionato e incondizionato JMP