Hogyan működik a számítógép?

Utolsó frissités: 2016.július.13

Amilyen egyszerű a kérdés a válasz annál összetettebb. Minden iskolás azonnal rávágná, hogy a Neumann elv szerint.

A Neumann elvű számítógép
A Neumann elvek szerint felépülő számítógép logikai vázlata
A kép forrása: Wikipédia

A válasz azonnal hibás, hiszen Neumann János több elvet is előírt:

  • Elektronikus működés (A korábbi elektronikus/mechanikus felépítéssel szemben)
  • A kettes számrendszer használata (elektronikusan könnyen megvalósítható)
  • Belső memória használata
  • Tárolt program elve. A számításokhoz szükséges adatokat és programutasításokat a gép azonos módon, egyaránt a belső memóriában (operatív tár) tárolja, azonos formában, tehát csak egy kiragadott memóriatartalmat vizsgálva nem dönthető el, hogy az adott információ adat vagy utasítás
  • Soros utasítás végrehajtás (ez természetesen a feltételes és feltétel nélküli ugró utasításokat megengedi)
  • Univerzális felhasználhatóság (A különböző feladatok elvégzését a programok és nem a hardver elemek cseréje biztosítja)
  • A számítógépet a következő logikai részekre bontja: központi vezérlőegység, aritmetikai egység,  memória, bemeneti és kimeneti egységek

Az iskolai válasz így már kicsit korrektebb, azonban még mindig nem teljes, ugyanis nem ejt egy szót sem a Harvard-architektúráról

A Harvard architektúra vázlata
A Harvard architektúra logikai vázlata
A kép forrása: Wikipédia

Harvard architektúra

A Harvard-architektúra a Harvard egyetem Mark-1 számítógépéhez kidolgozott rendszer, amely a mai napig megtartotta a helyét egyes rendszerekben, sőt gyakran a Neumann és Harvard architektúrát vegyesen használják.

A Harvard architektúra jellegzetessége az egymástól elválasztott adat és utasítás memória (eredetileg lyukszalag).

Ennek a rendszernek több előnye van a Neumann gépekhez képest:

Külön hozzáférés az adat és utasítás memóriához csökkenti a processzorhoz képest lassú memória okozta szűk keresztmetszetet

Az adat és utasítás memória szétválasztása lehetővé teszi, hogy a két memóriarész bitszáma eltérő legyen.

Az adat és utasításmemória szétválasztása csökkenti a vírusfertőzés veszélyét, hiszen a vírusok nagy részének működése azon alapul, hogy adatként kerül a számítógépre majd programként elindítják.

Nyilvánvaló hátránya, hogy a szétválasztott adat- és utasítás- memória külön korlátot jelent az adatok és külön korlátot az adatok méretének. A Neuman elvek szerint felépített számítógépek esetén a programok és adatok együttes mennyiségére jelent korlátot a közös memória mérete.

A Harvard-architektúrát gyakran egylapkás rendszerekben, mikróvezérlőkben, illetve a Neumann elvű rendszerekkel kombinálva használják.

Turing gép

A Turing gép egy matematikai modell a mai számítógépek leegyszerűsített modellje. Alan Turing dolgozta ki és publikálta 1936-ban. A turing gép elvileg megvalósítható nagyon egyszerű számítógép. A gyakorlatban azonban azonban PC-n megvalósított emulációként létezik.

Eredetileg egy lyukszalag vezérelt egyszerű számítógép, amely minden olyan feladat végrehajtására alkalmas, amelyet algoritmussal meg lehet oldani.