Von Neumannova architektura (Von Neumann architecture)

Příklady z praxe

1. 01

   Čekání na paměť v jednoduché smyčce

   Součet velkého pole ukazuje úzké hrdlo v praxi. Sečtení deseti milionů čísel je pro ALU triviální, ale procesor musí každou hodnotu přenést z hlavní paměti. Při sekvenčním průchodu pomáhá prefetch a cache, při náhodném pořadí indexů stejný počet operací trvá i několikanásobně déle, přestože výpočtů je stejně.

   long soucet = 0;
   for (int i = 0; i < n; i++) {
       soucet += pole[i];   // ALU zvládne hned, sběrnice ne
   }

2. 02

   Program jako data u JIT kompilace

   Javascriptový engine V8 za běhu přeloží horkou funkci do strojového kódu a zapíše ho do paměti, kterou pak označí jako spustitelnou a skočí do ní. Přesně tohle umožňuje sdílený adresní prostor pro kód a data. Operační systém proto vyžaduje explicitní změnu práv stránky, protože zápis i spuštění naráz je bezpečnostní riziko.

Časté omyly

MýtusVon Neumannovu architekturu vymyslel John von Neumann sám.

Ve skutečnostiKoncept uloženého programu vznikl v týmu kolem projektu EDVAC, kde zásadně přispěli John Mauchly a J. Presper Eckert. Von Neumann je autorem rozšířené zprávy z roku 1945, na které je uveden jako jediný autor, a jméno se tak vžilo.

MýtusModerní vícejádrové procesory už von Neumannovy nejsou.

Ve skutečnostiVíce jader, cache a mimopořadové vykonávání jsou implementační techniky. Každé jádro stále načítá instrukce uloženého programu ze společného adresního prostoru a vykonává je v cyklu fetch, decode, execute.

MýtusHarvardská architektura je prostě rychlejší, takže je lepší.

Ve skutečnostiOddělené paměti přinášejí propustnost, ale ztěžují nahrávání nového programu za běhu a plýtvají kapacitou, když je jedna paměť plná a druhá prázdná. Proto se používá hlavně v mikrokontrolérech a DSP, ne v univerzálních počítačích.

Časté dotazy

Kdy von Neumannova architektura vznikla?

Von Neumannova architektura byla popsána v návrhu stroje EDVAC v roce 1945, v dokumentu známém jako First Draft of a Report on the EDVAC. První funkční počítače s uloženým programem se rozběhly kolem let 1948 až 1949, mezi nimi manchesterský Small-Scale Experimental Machine a cambridgeský EDSAC. Myšlenka univerzálního stroje řízeného programem má teoretický základ ještě dříve, v práci Alana Turinga z roku 1936 o univerzálním stroji.

Proč se von Neumannovo úzké hrdlo nedá jednoduše odstranit?

Von Neumannovo úzké hrdlo plyne z fyzikálních a ekonomických mezí paměti. Rychlá paměť typu SRAM je drahá a zabírá mnoho plochy čipu, kapacitní DRAM je levná, ale má vysokou latenci danou mimo jiné vzdáleností a způsobem čtení. Návrháři proto staví hierarchii cache, která zakrývá latenci u dat s dobrou lokalitou. Odstranit hrdlo úplně by znamenalo mít veškerou paměť tak rychlou jako registry, což zatím nikdo nedokáže vyrobit za rozumnou cenu.

Jak souvisí von Neumannova architektura s výkonem aplikací, které píšu?

Von Neumannova architektura určuje, že přístup do paměti stojí víc než samotný výpočet. V praxi to znamená, že datové struktury s dobrou lokalitou, tedy pole souvislých hodnot, běží rychleji než rozházené spojové seznamy nebo stromy plné ukazatelů, i když mají stejnou asymptotickou složitost. Optimalizace typu uspořádání struktur podle přístupových vzorů, zmenšení objektů nebo dávkové zpracování dat proto přinášejí měřitelné zrychlení i v jazycích s automatickou správou paměti.

Vykonává GPU program podle von Neumannova modelu?

GPU se od von Neumannova modelu částečně odklání. Jednotlivé výpočetní jednotky stále načítají instrukce uloženého programu a vykonávají je, ale model je masivně paralelní: jedna instrukce se aplikuje na mnoho datových prvků najednou a paměťová hierarchie je navržena pro propustnost, ne pro nízkou latenci jednoho přístupu. Přesto zůstává jádro myšlenky zachováno, protože shader nebo kernel je běžný program uložený v paměti, který ovladač nahraje a spustí.

Zdroje

1. Von Neumann architecture(otevře se v novém okně)Wikipedia
2. First Draft of a Report on the EDVAC(otevře se v novém okně)Wikipedia
3. Harvard architecture(otevře se v novém okně)Wikipedia
4. Von Neumannova architektura(otevře se v novém okně)Wikipedie

Související pojmy

• CacheCache je mezipaměť, do které se ukládá výsledek náročné operace, aby se při dalším stejném dotazu nemusel počítat znovu. Vyměňuje čerstvost dat za rychlost a téměř vždycky přináší otázku, kdy uloženou hodnotu zahodit.
• CPUCPU je hlavní výpočetní část počítače, která načítá a vykonává instrukce programů, řídí tok dat mezi pamětí a periferiemi a provádí aritmetické i logické operace. V praxi rozhoduje o tom, jak rychle běží sekvenční kód, kolik úloh lze obsluhovat paralelně a kde vzniká výpočetní úzké hrdlo.
• Instrukční sadaInstrukční sada je formální soubor strojových instrukcí, registrů, datových typů a pravidel, kterým procesor nebo virtuální stroj rozumí. Tvoří hranici mezi hardwarem a softwarem: kompilátor do ní překládá program a procesor podle ní provádí operace, například aritmetiku, skoky nebo práci s pamětí.
• ACIDACID je sada čtyř vlastností databázové transakce: atomicity, consistency, isolation a durability. Zaručuje, že skupina zápisů proběhne jako jeden celek, neporuší definovaná pravidla databáze, nebude se nebezpečně míchat s jinými transakcemi a po potvrzení přežije pád systému, například při převodu peněz.
• Adaptive IconAdaptivní ikona je formát ikony aplikace na Androidu, který se místo jedné hotové bitmapy skládá z oddělených vrstev: pozadí a popředí. Systém výsledný tvar sám ořízne podle masky výrobce zařízení a může vrstvy animovat nebo přebarvit. Vývojář tak dodá jeden zdroj a launcher z něj vytvoří kruh, čtverec i squircle.
• Adresa v pamětiAdresa v paměti je číslo, kterým procesor jednoznačně označuje konkrétní buňku operační paměti, obvykle jeden bajt. Program pomocí adresy říká, odkud má data načíst nebo kam je zapsat. Adresy tvoří souvislý číselný rozsah, jehož velikost určuje šířka adresní sběrnice a architektura, typicky 32 nebo 64 bitů.
• AI agentAI agent je softwarový systém, který pomocí modelu umělé inteligence vnímá zadaný kontext, plánuje další kroky a samostatně volá nástroje nebo služby k dosažení cíle. Na rozdíl od jednorázového promptu udržuje stav úlohy, vyhodnocuje výsledky akcí a může opakovat postup, dokud nesplní zadání nebo nenarazí na limit.
• AndroidAndroid je operační systém postavený nad linuxovým jádrem, který vyvíjí Google a otevřeně uvolňuje jako projekt AOSP. Android pohání převážnou většinu chytrých telefonů, dále tablety, televize, hodinky i palubní systémy aut. Aplikace se pro něj píší hlavně v Kotlinu nebo Javě a distribuují přes Google Play i alternativní obchody.