वॉन न्यूमैन वास्तुकला: मूल, मॉडल, यह कैसे काम करता है - प्रौद्योगिकी - 2025

वॉन न्यूमैन आर्किटेक्चर एक सैद्धांतिक डिजाइन इतना है कि एक कंप्यूटर एक कार्यक्रम आंतरिक रूप से संग्रहीत किया है सकते हैं, लगभग सभी कंप्यूटर है कि वर्तमान में बना रहे हैं के लिए आधार के रूप में सेवारत है।

एक वॉन न्यूमैन मशीन में एक केंद्रीय प्रसंस्करण इकाई होती है, जिसमें एक अंकगणितीय तर्क इकाई और एक नियंत्रण इकाई, एक मुख्य मेमोरी, द्वितीयक भंडारण और इनपुट / आउटपुट डिवाइस शामिल होते हैं।

स्रोत: डेविड स्ट्राइगी - खुद का काम, सार्वजनिक डोमेन, commons.wikimedia.org

यह वास्तुकला मानता है कि प्रत्येक गणना स्मृति से डेटा निकालती है, इसे संसाधित करती है, और फिर इसे मेमोरी में वापस भेजती है।

एक वॉन न्यूमैन आर्किटेक्चर में, एक ही मेमोरी और एक ही बस का उपयोग डेटा और निर्देशों को स्टोर करने के लिए किया जाता है जो किसी प्रोग्राम को निष्पादित करते हैं।

वास्तुकला में सुधार

क्योंकि डेटा और प्रोग्राम मेमोरी को एक ही समय में एक्सेस नहीं किया जा सकता है, वॉन न्यूमैन आर्किटेक्चर को अड़चनों और कंप्यूटर के कमजोर होने का खतरा है। यह वही है जिसे वॉन न्यूमैन की अड़चन के रूप में जाना जाता है, जहां शक्ति, प्रदर्शन और लागत प्रभावित होती है।

परिवर्तनों में से एक को पुनर्विचार करना शामिल था कि स्मृति को भेजे जाने के लिए वास्तव में कितना डेटा चाहिए और स्थानीय रूप से कितना संग्रहीत किया जा सकता है।

इस तरह, मेमोरी में सबकुछ भेजने के बजाय, कई कैश और प्रॉक्सी कैश प्रोसेसर चिप से विभिन्न उपकरणों पर डेटा के प्रवाह को कम कर सकते हैं।

मूल

1945 में, द्वितीय विश्व युद्ध के बाद, दो वैज्ञानिकों ने स्वतंत्र रूप से उठाया कि एक अधिक निंदनीय कंप्यूटर कैसे बनाया जाए। उनमें से एक गणितज्ञ एलन ट्यूरिंग था और दूसरा समान रूप से प्रतिभाशाली वैज्ञानिक जॉन वॉन न्यूमैन था।

ब्रिटिश एलन ट्यूरिंग 'Colossus' कंप्यूटर का उपयोग करते हुए, Bletchley Park में Enigma कोड को क्रैक करने में शामिल थे। दूसरी ओर, अमेरिकी जॉन वॉन न्यूमैन पहले परमाणु बम बनाने के लिए मैनहट्टन प्रोजेक्ट पर काम कर रहे थे, जिसके लिए मैन्युअल गणना की बहुत आवश्यकता थी।

तब तक, एक अलग कार्य को पूरा करने के लिए, पूरे मशीन को फिर से जोड़कर, युद्धकालीन कंप्यूटरों को कम या ज्यादा "क्रमादेशित" किया गया था। उदाहरण के लिए, ENIAC नामक पहला कंप्यूटर अलग गणना करने के लिए पुन: कनेक्ट होने में तीन सप्ताह लेता है।

नई अवधारणा में यह शामिल था कि एक मेमोरी में न केवल डेटा को संग्रहीत किया जाना था, बल्कि उस प्रोग्राम को भी संसाधित करना चाहिए जो डेटा को उसी मेमोरी में संग्रहीत किया जाना चाहिए।

यह आंतरिक रूप से संग्रहीत कार्यक्रम वास्तुकला आमतौर पर 'वॉन न्यूमैन' वास्तुकला के रूप में जाना जाता है।

इस उपन्यास विचार का मतलब था कि इस वास्तुकला के साथ एक कंप्यूटर रिप्रोग्राम करने के लिए बहुत आसान होगा। दरअसल, प्रोग्राम को डेटा के समान ही माना जाएगा।

नमूना

वॉन न्यूमैन मॉडल का मुख्य आधार यह सोचा जाता है कि कार्यक्रम को मशीन में आंतरिक रूप से संग्रहीत किया जाता है। मेमोरी यूनिट में डेटा और प्रोग्राम कोड भी होता है। वास्तुकला डिजाइन में शामिल हैं:

स्रोत: UserJaimeGallego से - यह फ़ाइल वॉन न्यूमैन आर्किटेक्चर.स्विग, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.org से ली गई है।

- सेन्ट्रल प्रॉसेसिंग यूनिट (सीपीयू)

यह डिजिटल सर्किट है जो एक कार्यक्रम के निर्देशों को निष्पादित करने के लिए जिम्मेदार है। इसे प्रोसेसर भी कहा जाता है। CPU में ALU, कंट्रोल यूनिट और रजिस्टरों का एक सेट होता है।

तार्किक अंकगणितीय इकाई

आर्किटेक्चर का यह हिस्सा केवल डेटा पर अंकगणितीय और तार्किक संचालन करने में शामिल है।

जोड़ने, गुणा करने, विभाजित करने और घटाने की सामान्य गणना उपलब्ध होगी, लेकिन डेटा की तुलना 'से अधिक', 'से कम', 'के बराबर' भी उपलब्ध होगी।

नियंत्रण विभाग

यह कंप्यूटर के ALU, मेमोरी और इनपुट / आउटपुट डिवाइसेस के संचालन को नियंत्रित करता है, उन्हें निर्देश देता है कि जिस प्रोग्राम को आप सिर्फ मेमोरी से पढ़ते हैं, उसमें निर्देशों पर कैसे कार्य करें।

नियंत्रण इकाई डेटा और प्रोग्राम को मेमोरी से और उसके पास ले जाने की प्रक्रिया का प्रबंधन करेगी। यह कार्यक्रम के निर्देशों को निष्पादित करने का भी ध्यान रखेगा, एक समय पर या क्रमिक रूप से। इसमें मध्यवर्ती मूल्यों को धारण करने के लिए एक रजिस्टर का विचार शामिल है।

अभिलेख

वे सीपीयू पर उच्च गति भंडारण क्षेत्र हैं। संसाधित होने से पहले सभी डेटा को एक रजिस्टर में संग्रहीत किया जाना चाहिए।

मेमोरी एड्रेस रजिस्टर में एक्सेस किए जाने वाले डेटा की मेमोरी लोकेशन होती है। मेमोरी डेटा रजिस्टर में वह डेटा होता है जिसे मेमोरी में ट्रांसफर किया जाता है।

- स्मृति

कंप्यूटर में मेमोरी होगी जो डेटा को पकड़ सकती है, साथ ही प्रोग्राम जो उस डेटा को प्रोसेस करता है। आधुनिक कंप्यूटरों में यह मेमोरी रैम या मुख्य मेमोरी है। यह मेमोरी सीपीयू द्वारा सीधे तेज और सुलभ है।

रैम को कोशिकाओं में विभाजित किया गया है। प्रत्येक सेल में एक पता और उसकी सामग्री होती है। पता विशिष्ट रूप से स्मृति में प्रत्येक स्थान की पहचान करेगा।

- प्रवेश निकास

यह आर्किटेक्चर इस विचार को पकड़ने की अनुमति देता है कि एक व्यक्ति को इनपुट-आउटपुट डिवाइस के माध्यम से मशीन के साथ बातचीत करने की आवश्यकता है।

- बस

सूचना कंप्यूटर के विभिन्न भागों के बीच प्रवाहित होनी चाहिए। वॉन न्यूमैन वास्तुकला के साथ एक कंप्यूटर में, बस सीपीयू इकाइयों को मुख्य मेमोरी से कनेक्ट करते हुए, सूचना को एक डिवाइस से दूसरे बस में प्रसारित किया जाता है।

पता बस प्रोसेसर और मेमोरी के बीच डेटा के पते को ले जाता है, लेकिन डेटा को नहीं।

डेटा बस प्रोसेसर, मेमोरी और इनपुट-आउटपुट डिवाइस के बीच डेटा ले जाता है।

वॉन न्यूमैन वास्तुकला कैसे काम करती है?

वॉन न्यूमैन वास्तुकला का प्रासंगिक सिद्धांत यह है कि डेटा और निर्देश दोनों को मेमोरी में संग्रहीत किया जाता है और उसी के साथ व्यवहार किया जाता है, जिसका अर्थ है कि निर्देश और डेटा दिशात्मक हैं।

यह चार सरल चरणों का उपयोग करके काम करता है: "मशीन चक्र" कहा जाता है, डीकोड करें, निष्पादित करें, स्टोर करें।

सीपीयू द्वारा मेमोरी से निर्देश प्राप्त किए जाते हैं। CPU तब इन निर्देशों को डिकोड और निष्पादित करता है। निर्देश निष्पादन चक्र पूरा होने के बाद परिणाम को वापस मेमोरी में संग्रहीत किया जाता है।

निम्न को खोजें

इस चरण में निर्देश रैम से प्राप्त किए जाते हैं और नियंत्रण इकाई द्वारा पहुंच के लिए कैश किए जाते हैं।

व्याख्या करना

नियंत्रण इकाई निर्देशों को इस तरह से व्याख्यायित करती है कि तार्किक अंकगणितीय इकाई उन्हें समझ सके, और फिर उन्हें तार्किक अंकगणितीय इकाई में भेजती है।

Daud

अंकगणितीय तार्किक इकाई निर्देशों को निष्पादित करती है और परिणाम को वापस कैश में भेजती है।

संग्रहण करना

एक बार प्रोग्राम काउंटर स्टॉप इंगित करता है, तो अंतिम परिणाम मुख्य मेमोरी में डाउनलोड किया जाता है।

टोंटी

यदि कोई वॉन न्यूमैन मशीन मेमोरी में डेटा के साथ एक ऑपरेशन करना चाहता है, तो उसे बस के माध्यम से सीपीयू में स्थानांतरित करना होगा। गणना करने के बाद, परिणाम को उसी बस के माध्यम से मेमोरी में स्थानांतरित करना होगा।

वॉन न्यूमैन की अड़चन तब होती है जब डेटा को स्मृति में प्रवेश या हटाया जा रहा होता है, जबकि वर्तमान मेमोरी ऑपरेशन पूरा हो जाता है।

यही है, अगर प्रोसेसर ने एक गणना पूरी कर ली है और अगले एक प्रदर्शन के लिए तैयार है, तो उसे समाप्त गणना लिखना होगा, जो कि बस पर कब्जा कर लेता है, स्मृति में नए डेटा को पुनः प्राप्त करने से पहले, जो उसी बस का उपयोग करता है।

यह अड़चन समय के साथ और भी बदतर होती जा रही है, क्योंकि माइक्रोप्रोसेसरों ने अपनी गति बढ़ा दी है और दूसरी तरफ स्मृति इतनी जल्दी उन्नत नहीं हुई है।

फायदा

- कंट्रोल यूनिट मेमोरी से उसी तरह डेटा और निर्देश प्राप्त करता है। इसलिए, नियंत्रण इकाई के डिजाइन और विकास को सरल, सस्ता और तेज किया जा रहा है।

- इनपुट / आउटपुट डिवाइस और मुख्य मेमोरी से डेटा उसी तरह से पुनर्प्राप्त किया जाता है।

- मेमोरी का संगठन प्रोग्रामर द्वारा किया जाता है, जो सभी मेमोरी क्षमता का उपयोग करने की अनुमति देता है।

- एकल मेमोरी ब्लॉक का प्रबंधन सरल और आसान है।

- माइक्रोकंट्रोलर चिप का डिज़ाइन बहुत सरल है, क्योंकि केवल एक मेमोरी एक्सेस की जाएगी। माइक्रोकंट्रोलर के बारे में सबसे महत्वपूर्ण बात रैम तक पहुंच है और वॉन न्यूमैन वास्तुकला में यह डेटा को स्टोर करने और प्रोग्राम निर्देशों को स्टोर करने के लिए दोनों का उपयोग किया जा सकता है।

ऑपरेटिंग सिस्टम का विकास

कार्यक्रमों और डेटा के लिए समान मेमोरी होने का मुख्य लाभ यह है कि प्रोग्राम को संसाधित किया जा सकता है जैसे कि वे डेटा थे। दूसरे शब्दों में, आप ऐसे प्रोग्राम लिख सकते हैं जिनका डेटा अन्य प्रोग्राम है।

एक प्रोग्राम जिसका डेटा एक और प्रोग्राम है, एक ऑपरेटिंग सिस्टम से ज्यादा कुछ नहीं है। वास्तव में, यदि प्रोग्राम और डेटा को एक ही मेमोरी स्पेस में अनुमति नहीं दी गई थी, जैसा कि वॉन न्यूमैन वास्तुकला के मामले में है, तो ऑपरेटिंग सिस्टम कभी विकसित नहीं हो सकते थे।

नुकसान

हालांकि फायदे नुकसान को दूर करते हैं, समस्या यह है कि मेमोरी को प्रोसेसर से कनेक्ट करने के लिए केवल एक बस है, इसलिए एक समय में केवल एक निर्देश या एक डेटा आइटम प्राप्त किया जा सकता है।

इसका मतलब है कि प्रोसेसर को डेटा या निर्देशों के आने के लिए अधिक समय तक इंतजार करना पड़ सकता है। इसे वॉन न्यूमैन अड़चन के रूप में जाना जाता है। चूंकि सीपीयू डेटा बस की तुलना में बहुत तेज है, इसका मतलब है कि यह अक्सर निष्क्रिय है।

- निर्देशों के अनुक्रमिक प्रसंस्करण के कारण, कार्यक्रम के समानांतर कार्यान्वयन की अनुमति नहीं है।

- मेमोरी साझा करने से, एक जोखिम है कि कार्यक्रम में एक त्रुटि के कारण एक निर्देश दूसरे पर लिखा जाएगा, जिससे सिस्टम क्रैश हो सकता है।

- कुछ दोषपूर्ण प्रोग्राम स्मृति को तब मुक्त नहीं कर सकते जब वे इसके साथ किए जाते हैं, जो अपर्याप्त स्मृति के कारण कंप्यूटर को फ्रीज करने का कारण बन सकता है।

- डेटा और निर्देश समान डेटा बस साझा करते हैं, हालांकि जिस गति से प्रत्येक को पुनर्प्राप्त किया जाना चाहिए वह आमतौर पर बहुत अलग होता है।

संदर्भ

1. सेमीकंडक्टर इंजीनियरिंग (2019)। वॉन न्यूमैन आर्किटेक्चर। से लिया गया: semiengineering.com
2. स्कॉट थॉर्नटन (2018)। वॉन-न्यूमैन और हार्वर्ड आर्किटेक्चर के बीच अंतर क्या है? माइक्रोकंट्रोलर टिप्स। से लिया गया: microcontrollertips.com
3. सिखाओ आईसीटी (2019)। वॉन न्यूमैन मशीन। से लिया गया: सिखा-ict.com।
4. कंप्यूटर साइंस (2019)। वॉन न्यूमैन आर्किटेक्चर। से लिया गया: computerscience.gcse.guru।
5. श्री सी (2019) के साथ आईटी सीखें। वॉन न्यूमैन मशीन। से लिया गया: learnitwithmrc.co.uk
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