Arquitetura de Von Neumann: características e limitações

John Von Neumann foi um matemático nascido na Hungria, famoso por duas coisas. A primeira é por ter trabalhado no Projeto Manhattan, onde foi desenvolvida a bomba atômica que os Estados Unidos lançaram contra o Japão no final da Segunda Guerra Mundial. O segundo é o desenvolvimento da arquitetura base que nossos PCs usam hoje em dia, sejam quais forem seus tamanhos, bem como a forma dos programas que executam.

O que é a arquitetura de Von Neumann?

A arquitetura Von Neumann é na qual todos os processadores para PC são baseados, já que todos eles são organizados com uma série de componentes comuns, que são os seguintes:

• Unidade de Controle: In responsável pelas etapas de aquisição e decodificação do ciclo de instrução.
• Unidade lógico-aritmética ou ALU: Em encarregado de realizar as operações matemáticas e lógicas exigidas pelos programas.
• Memória: A memória em que o programa é armazenado, que conhecemos como memória RAM
• Dispositivo de entrada: A partir do qual nos comunicamos com o computador.
• Dispositivo de saída: A partir do qual o computador se comunica conosco.

Como você pode ver, é a arquitetura comum em todos os processadores e por isso não tem mais segredo, mas existe um outro tipo de arquitetura conhecido como arquitetura Harvard em que o RAM a memória é dividida em dois poços diferentes, em um deles armazenam as instruções do programa e os dados na outra memória, tendo barramentos separados para endereçamento de memória e instruções.

Quais são as limitações da arquitetura Von Neumann?

A principal desvantagem é que a memória RAM, onde estão localizadas as instruções e os dados a serem processados, são unificados e compartilhados através do mesmo barramento de dados e endereçamento comum. Portanto, as instruções e os dados devem ser capturados sequencialmente da memória. Esse gargalo é o chamado gargalo de Von Neumann. É por isso que os diferentes microprocessadores possuem o cache mais próximo do processador dividido em dois tipos, um para dados e outro para instruções.

Nos últimos anos, as velocidades do processador aumentaram muito mais rápido do que a memória RAM, aumentando assim o tempo que leva para os dados serem comunicados da memória. O que obrigou a desenvolver soluções para amenizar esse problema, é um produto do gargalo de Von Neumann.

Nos processadores onde a arquitetura Harvard é normalmente usada, eles são independentes e, portanto, não têm acesso à RAM comum do sistema, mas em vez disso, executam sua própria memória e programa isoladamente do principal CPU. Esses processadores recebem a lista de dados e instruções em duas ramificações de dados diferentes. Um para a memória de instruções e outro para a memória de dados do referido processador.

Por que ele é usado na CPU e GPU?

O principal motivo é o fato de que aumentar o número de barramentos significa aumentar o perímetro do próprio processador, pois para se comunicar com a memória externa é necessário que a interface esteja do lado de fora dela. Isso leva a processadores muito maiores e mais caros. Portanto, o principal motivo pelo qual a arquitetura de Von Neumann se tornou padronizada é o custo.

A segunda razão é que os dois poços de memória precisam ser sincronizados para que uma instrução não se aplique a dados errôneos. O que leva a ter que criar sistemas de coordenação entre os dois poços de memória. É claro que boa parte dos gargalos seria eliminada com a separação dos dois ônibus. Mas também não reduziria completamente o gargalo de Von Neumann.

Isso se deve ao fato de que o gargalo de Von Neumann apesar de ser uma consequência do armazenamento de dados e instruções na mesma memória também pode ocorrer em uma arquitetura Harvard se não for rápida o suficiente para alimentar o processador. É por isso que as arquiteturas de Harvard foram reduzidas especialmente a microcontroladores e DSP. Enquanto Von Neumann é comum na CPU e GPU