Il modello  di Von Neumann è una tipologia di architettura hardware per computer digitali programmabili a programma memorizzato la quale condivide i dati del programma e le istruzioni del programma nello stesso spazio di memoria. Per tale caratteristica l'architettura di Von Neumann si contrappone all'architettura Harvard nella quale invece i dati del programma e le istruzioni del programma sono memorizzati in spazi di memoria distinti.
L'importanza dell'architettura di Von Neumann è notevole in quanto è l'architettura hardware su cui sono basati la maggior parte dei moderni computer programmabili. E se si pensa che è stata sviluppata più di settant'anni fa si può comprendere quanto erano notevoli anche le capacità di chi l'ha concepita. Primi fra tutti J. Presper Eckert e John Mauchly, principali progettisti anche dell'ENIAC.

Il modello Harvard è un tipo di architettura hardware per computer digitali in cui vi è separazione tra la memoria contenente i dati e quella contenente le istruzioni. Il termine inizialmente indicava l'architettura del computer Harvard Mark I, un computer basato su relè che memorizzava le istruzioni su un nastro perforato mentre i dati venivano memorizzati in un contatore elettromeccanico a 23 cifre. Questa macchina non era dotata di un'unità di immagazzinamento dei dati, questi erano interamente memorizzati dalla CPU e il loro caricamento e salvataggio era un processo eseguito in modo manuale agendo sui contatori.

        2.    RAM;
        3.    Unità di input, tramite la quale i dati vengono inseriti nel calcolatore per essere elaborati;
        4.    Unità di output, necessaria affinché i dati elaborati possano essere restituiti all'operatore;
        5.    Bus, un canale che collega tutti i componenti fra loro.

È importante sottolineare che questa architettura si distingue per la caratteristica di immagazzinare all'interno dell'unità di memoria, sia i dati dei programmi in esecuzione che il codice di questi ultimi. Basti pensare che i moderni computer di uso comune sono progettati secondo l'architettura Von Neumann. Difatti essa regola non solo gli insiemi, ma l'intera architettura logica interna, ovvero la disposizione delle porte logiche che sono circuiti integrali in grado di implementare una particolare operazione logica.
 

I primi sistemi di elaborazione dati sono stati realizzati secondo le teorie fondate da  Neumann (1903 - 1957), detta architettura di von Neumann. Essa prevede che le varie componenti del sistema siano interconnesse tra di loro attraverso un bus. 

Questo bus può essere comune a dati e indirizzi, ma anche suddiviso in due parti. Questa struttura è comune a gran parte dei sistemi a microprocessore. 

Gli elementi fondamentali dell' architettura di von Neumann sono: 

  1  l' unità centrale, o CPU (Central Processor Unit) di cui fanno parte 

        -L' ALU (Aritmethic Logic Unit) preposta all' esecuzione delle operazioni logico-aritmetiche 

        -il sistema di controllo che gestisce il flusso delle operazioni (sincronismi, Program Counter, ecc) 

  2  Una unità di memoria, che può comprendere la memoria di lavoro (RAM - Random Access Memory), la memoria programmai, eventuali firmware su chip (ad esempio i BIOS), memoria non vaolatile, ecc 

 3   Unità periferiche che permettono la ricezione di dati dall' esterno (input) e l' emissione dei risultati dell' elaborazione (output) e di cui fanno parte anche le memorie di massa (dischi, nastri, ottici, ecc) 

4    Il BUS, ovvero il sistema di interconnessioni che unisce le varie parti 

Questa architettura ha la caratteristica di immagazzinare all'interno dell'unità di memoria sia i dati sia il codice dei programmi in esecuzione. 

Il fatto di dovere accedere alla memoria programma e a quella dati su un unico canale di interconnessione può costituire un collo di bottiglia: l' esecuzione di una istruzione richiede almeno due cicli macchina. 

L'architettura Harvard dispone di bus separati per dati e periferiche e un' altro per le istruzioni. 

Quindi, la gestione della memoria dati e delle istruzioni avviene su circuiti separati. L' unità centrale può effettuare un accesso ai due bus contemporaneamente e, sfruttando sistemi di pipeline, si può eseguire una istruzione per ogni ciclo macchina.  Questa struttura si presenta come la più adeguata a macchine RISC. 

Però, l'aumento di velocità viene compensato dalla presenza di circuiti più complessi all'interno del processore. Risulta quindi adatta a sistemi embedded, dove le interconnessioni e le logiche di controllo fanno parte di un unico substrato, più che a sistemi a schede inseriti su bus esterni. 

La struttura di una istruzione RISC contiene oltre al significato dell' istruzione stessa anche l'indirizzo di memorizzazione o di salto o il dato. 
 In queste condizioni, onde non far crescere l'ampiezza del bus istruzioni, la memoria può essere segmentata in pagine e banchi. 

 

L’architettura di von Neumann prevede che le varie componenti del sistema siano interconnesse tra di loro attraverso un bus.

Questo bus potrà essere comune a dati e indirizzi, ma anche suddiviso in due parti, una certa quantità di linee per i dati e altre linee per gli indirizzi; comprendere anche bus o sezioni di bus contenenti i segnali di controllo e sincronismo del colloquio tra le varie componenti.

Questa struttura è comune a gran parte dei sistemi a microprocessore. 

Gli elementi fondamentali dell'architettura di von Neumann sono:

·  l'unità centrale, o CPU (Central Processor Unit) di cui fanno parte:

   -  l'ALU (Aritmethic Logic Unit) preposta all' esecuzione delle operazioni logico-aritmetiche;

   -  il sistema di controllo che gestisce il flusso delle operazioni (sincronismi, Program Counter, ecc).

·  Una unità di memoria, che può comprendere la memoria di lavoro (RAM - Random Access Memory), la memoria programmi, eventuali firmware su chip (ad esempio i BIOS), memoria non vaolatile, ecc.

·  Unità periferiche che permettono la ricezione di dati dall'esterno (input) e l'emissione dei risultati dell'elaborazione (output) e di cui fanno parte anche le memorie di massa (dischi, nastri, ottici, ecc).

·  Il BUS, ovvero il sistema di interconnessioni che unisce le varie parti.

Questa architettura ha la caratteristica di immagazzinare all'interno dell'unità di memoria sia i dati sia il codice dei programmi in esecuzione. Il fatto di dovere accedere alla memoria programma e a quella dati su un unico canale di interconnessione può costituire un collo di bottiglia: l'esecuzione di una istruzione richiede almeno due cicli macchina.

Nei microcontrollori, e in particolare nei PIC, invece, è stata scelta una differente struttura, quella elaborata alla Harvard University.

L'architettura di tipo Harvard dispone di bus separati per dati e periferiche e un altro per le istruzioni.

Quindi, la gestione della memoria dati e delle istruzioni avviene su circuiti separati. L' unità centrale può effettuare un accesso ai due bus contemporaneamente e, sfruttando sistemi di pipeline, si può eseguire una istruzione per ogni ciclo macchina.

I due bus possono avere ampiezze diverse: ad esempio, nei PIC con bus dati a 8 bit, il bus istruzioni può essere ampio 12, 14 o 16 bit.

Questa struttura si presenta come la più adeguata a macchine RISC.

Però, l'aumento di velocità viene compensato dalla presenza di circuiti più complessi all'interno del processore. Risulta quindi adatta a sistemi embedded, dove le interconnessioni e le logiche di controllo fanno parte di un unico substrato, più che a sistemi a schede inseriti su bus esterni.
 Inoltre, la struttura di una istruzione RISC contiene oltre al significato dell'istruzione stessa anche l'indirizzo di memorizzazione o di salto o il dato. In queste condizioni, onde non far crescere l'ampiezza del bus istruzioni (costo e complessità), la memoria può essere segmentata in pagine e banchi. Per cambiare segmento o banco in uso occorre agire su appositi registri, fatto che complica la programmazione dei PIC nell' uso di linguaggio Assembly.

LAVORO DI BELLONIA MARZIO

All'interno dell'ALU è presente un registro detto accumulatore, che fa da ponte tra input e output grazie a una speciale istruzione che carica una parola dalla memoria all'accumulatore e viceversa.

Questa architettura si differenzia per la caratteristica di immagazzinamento all'interno dell'unità di memoria sia per i dati dei programmi in esecuzione che per le istruzioni di questi ultimi.