Historiallisesti on ollut kahdenlaisia tietokoneita:
- Kiinteäohjelmaiset tietokoneet – Niiden toiminta on hyvin spesifistä, eikä niitä voi ohjelmoida, esim. laskimet.
- Tallennetun ohjelman tietokoneet – Nämä voidaan ohjelmoida suorittamaan monia eri tehtäviä, niihin tallennetaan sovelluksia, tästä nimi.
Nykyaikaiset tietokoneet perustuvat John Von Neumannin esittelemään tallennetun ohjelman käsitteeseen. Tässä tallennetun ohjelman konseptissa ohjelmat ja data tallennetaan erilliseen muistiksi kutsuttuun tallennusyksikköön ja niitä käsitellään samalla tavalla. Tämä uusi ajatus tarkoitti sitä, että tällä arkkitehtuurilla rakennettu tietokone olisi paljon helpompi ohjelmoida uudelleen.
Perusrakenne on seuraavanlainen,
Se tunnetaan myös nimellä IAS-tietokone, ja siinä on kolme perusyksikköä:
- Keskusyksikkö (CPU)
- Päämuistiyksikkö
- Tulo/lähtölaite
Käsitellään niitä tarkemmin.
- Ohjausyksikkö –
Ohjausyksikkö (CU) käsittelee kaikki prosessorin ohjaussignaalit. Se ohjaa kaikkea tulo- ja lähtövirtaa, hakee koodia käskyjä varten ja ohjaa sitä, miten data liikkuu järjestelmässä.
- Aritmeettinen ja looginen yksikkö (ALU) –
Aritmeettislogiikkayksikkö on se osa suorittimesta, joka käsittelee kaikki laskutoimitukset, joita suoritin voi tarvita, esim. yhteenlasku, vähennyslasku, vertailu. Se suorittaa loogisia operaatioita, bittisiirto-operaatioita ja aritmeettisia operaatioita.
Kuva – CPU:n perusrakenne, joka havainnollistaa ALU:ta - Päämuistiyksikkö (rekisterit) –
- Akku: Tallentaa ALU:n tekemien laskutoimitusten tulokset.
- Ohjelmalaskuri (PC): Pitää kirjaa seuraavan käsiteltävän käskyn muistipaikasta. PC välittää sitten tämän seuraavan osoitteen muistiosoiterekisteriin (MAR).
- Muistiosoiterekisteri (MAR): Säilyttää niiden ohjeiden muistipaikat, jotka on haettava muistista tai tallennettava muistiin.
- Memory Data Register (MDR): Siihen tallennetaan muistista noudettavat käskyt tai kaikki tiedot, jotka on siirrettävä ja tallennettava muistiin.
- Current Instruction Register (CIR): Tallentaa viimeisimmän haetun käskyn odottaessaan koodausta ja suorittamista.
- Instruction Buffer Register (IBR): Ohje, jota ei ole tarkoitus suorittaa välittömästi, sijoitetaan ohjepuskurirekisteriin IBR.
- Tulo-/lähtölaitteet – Ohjelma tai data luetaan keskusmuistiin syöttölaitteesta tai toissijaisesta tallennustilasta CPU:n syöttöohjeen ohjaamana. Lähtölaitteita käytetään tietojen tulostamiseen tietokoneesta. Jos tietokone arvioi joitain tuloksia ja ne tallennetaan tietokoneeseen, niin tulostuslaitteiden avulla voimme esittää ne käyttäjälle.
- Väylät – Tieto siirretään tietokoneen yhdestä osasta toiseen, jolloin kaikki tärkeimmät sisäiset komponentit yhdistetään keskusyksikköön ja muistiin väylien avulla. Tyypit:
- Dataväylä: Kuljettaa dataa muistiyksikön, I/O-laitteiden ja prosessorin välillä.
- Osoiteväylä: Kuljettaa datan osoitteen (ei varsinaista dataa) muistin ja prosessorin välillä.
- Ohjausväylä: Kuljettaa CPU:lta tulevia ohjauskäskyjä (ja muilta laitteilta tulevia tilasignaaleja) kaikkien tietokoneen sisäisten toimintojen ohjaamiseksi ja yhteensovittamiseksi.
Von Neumannin pullonkaula –
Mitä ikinä teemmekin suorituskyvyn parantamiseksi, emme pääse eroon siitä tosiasialta, että käskyjä voidaan tehdä vain yksi kerrallaan ja ne voidaan suorittaa vain peräkkäin. Molemmat näistä tekijöistä jarruttavat suorittimen osaamista. Tätä kutsutaan yleisesti ”Von Neumannin pullonkaulaksi”. Voimme varustaa Von Neumann -prosessorin suuremmalla välimuistilla, suuremmalla RAM-muistilla tai nopeammilla komponenteilla, mutta jos prosessorin suorituskyvyssä halutaan saavuttaa alkuperäisiä parannuksia, prosessorin kokoonpanon vaikutusvaltainen tarkastelu on tehtävä.
Tämä arkkitehtuuri on erittäin tärkeä, ja sitä käytetään tietokoneissamme ja jopa supertietokoneissamme.
