اقترح فون نيومان تصميمه المعماري للكمبيوتر في عام 1945 والذي عُرف فيما بعد باسم هندسة فون نيومان. وهي تتألف من وحدة التحكم ووحدة الذاكرة الحسابية والمنطقية (ALU) والسجلات والمدخلات / المخرجات.
تعتمد بنية فون نيومان على مفهوم الكمبيوتر ذو البرنامج المخزن، حيث يتم تخزين بيانات التعليمات وبيانات البرنامج في نفس الذاكرة. لا يزال هذا التصميم مستخدمًا في معظم أجهزة الكمبيوتر المنتجة اليوم.
كمبيوتر يعتمد على فون نيومان:
- يستخدم معالج واحد
- يستخدم ذاكرة واحدة لكل من التعليمات والبيانات.
- ينفذ البرامج بعد دورة الجلب وفك التشفير والتنفيذ
مكونات نموذج فون نيومان:
- وحدة معالجة مركزية
- الباصات
- وحدة ذاكرة
وحدة معالجة مركزية
يُطلق على جزء الكمبيوتر الذي يقوم بمعظم عمليات معالجة البيانات اسم وحدة المعالجة المركزية ويشار إليها باسم وحدة المعالجة المركزية (CPU).
كما يمكن تعريف وحدة المعالجة المركزية بأنها دائرة كهربائية مسؤولة عن تنفيذ تعليمات برنامج الكمبيوتر.
تقوم وحدة المعالجة المركزية بتنفيذ مجموعة متنوعة من الوظائف التي يمليها نوع التعليمات المضمنة في الكمبيوتر.
المكونات الرئيسية لوحدة المعالجة المركزية هي وحدة الحساب والمنطق (ALU)، ووحدة التحكم (CU) ومجموعة متنوعة من السجلات.
وحدة الحساب والمنطق (ALU)
تقوم وحدة الحساب والمنطق (ALU) بتنفيذ العمليات الدقيقة المطلوبة لتنفيذ التعليمات. بكلمات بسيطة، يسمح ALU بتنفيذ العمليات الحسابية (الجمع والطرح وما إلى ذلك) والعمليات المنطقية (AND، OR، NOT، إلخ).
وحدة التحكم
تتحكم وحدة التحكم في نظام الكمبيوتر في عمليات المكونات مثل ALU والذاكرة وأجهزة الإدخال / الإخراج.
تتكون وحدة التحكم من عداد برنامج يحتوي على عنوان التعليمات التي سيتم جلبها وسجل التعليمات الذي يتم جلب التعليمات إليه من الذاكرة للتنفيذ.
السجلات
تشير السجلات إلى مناطق التخزين عالية السرعة في وحدة المعالجة المركزية. يتم جلب البيانات التي تتم معالجتها بواسطة وحدة المعالجة المركزية من السجلات.
فيما يلي قائمة السجلات التي تلعب دورا حاسما في معالجة البيانات.
| السجلات | وصف |
|---|---|
| MAR (تسجيل عنوان الذاكرة) | يحتفظ هذا السجل بموقع الذاكرة للبيانات التي يجب الوصول إليها. |
| MDR (تسجيل بيانات الذاكرة) | يحتفظ هذا السجل بالبيانات التي يتم نقلها من وإلى الذاكرة. |
| التيار المتردد (المركم) | يحمل هذا السجل النتائج الحسابية والمنطقية المتوسطة. |
| الكمبيوتر (عداد البرامج) | يحتوي هذا السجل على عنوان التعليمة التالية التي سيتم تنفيذها. |
| CIR (سجل التعليمات الحالي) | يحتوي هذا السجل على التعليمات الحالية أثناء المعالجة. |
الباصات
الناقلات هي الوسيلة التي يتم من خلالها مشاركة المعلومات بين السجلات في نظام تكوين متعدد السجلات.
يتكون هيكل الناقل من مجموعة من الخطوط المشتركة، واحدة لكل بتة من السجل، والتي يتم من خلالها نقل المعلومات الثنائية واحدة تلو الأخرى. تحدد إشارات التحكم السجل الذي يتم تحديده بواسطة الناقل أثناء كل عملية نقل سجل معينة.
تتألف بنية Von-Neumann من ثلاثة أنظمة ناقلة رئيسية لنقل البيانات.
| حافلة | وصف |
|---|---|
| عنوان الحافلة | يحمل ناقل العنوان عنوان البيانات (وليس البيانات) بين المعالج والذاكرة. |
| مركبة البيانات | ينقل ناقل البيانات البيانات بين المعالج ووحدة الذاكرة وأجهزة الإدخال والإخراج. |
| حافلة التحكم | يحمل ناقل التحكم إشارات/أوامر من وحدة المعالجة المركزية. |
وحدة ذاكرة
وحدة الذاكرة عبارة عن مجموعة من خلايا التخزين مع الدوائر المرتبطة اللازمة لنقل المعلومات داخل وخارج وحدة التخزين. تقوم الذاكرة بتخزين المعلومات الثنائية في مجموعات من البتات تسمى الكلمات. يتم تحديد البنية الداخلية لوحدة الذاكرة من خلال عدد الكلمات التي تحتوي عليها وعدد البتات في كل كلمة.
يتم استخدام نوعين رئيسيين من الذاكرة في أنظمة الكمبيوتر:
- ذاكرة الوصول العشوائي (ذاكرة الوصول العشوائي)
- ROM (ذاكرة القراءة فقط)