O que é a Arquitetura de von Neumann?
Usada na maioria dos PCs atuais, a arquitetura de von Neumann revolucionou a computação ao estabelecer três bases para o funcionamento dessas máquinas em 1945
Criada em 1945, a Arquitetura de von Neumann é a arquitetura de computadores criada pelo matemático de mesmo nome usada em quase todos os PCs atuais. Com ela, os computadores se tornaram máquinas mais fáceis de programar e passaram a ser capazes de armazenar programas e não somente realizar cálculos.
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Por isso, a Arquitetura de von Neumann muitas vezes é descrita como uma arquitetura stored-program, ou seja, um sistema em que é possível salvar dados e aplicações em estruturas chamadas de memórias.
Esse tipo de design revolucionou como os seres humanos lidam com máquinas inteligentes e complexas, levando ao desenvolvimento dos computadores de uso pessoal anos depois. Na verdade, uma série de outros sistemas se basearam nessa arquitetura para evoluir.
Contexto histórico
John von Neumann foi um matemático e cientista húngaro-americano nascido em 1903. Habilidoso, Neumann integrou equipes importantes no curso da humanidade, como a participação no Projeto Manhattan ao lado de J. Robert Oppenheimer, e a criação do ENIAC, o primeiro computador da história.
Até então, os computadores eram máquinas arcaicas, essencialmente projetadas para realizar cálculos matemáticos. Contudo, em 1945 John von Neumann publicou o artigo Electronic Discrete Variable Automatic Computer (EDVAC), revolucionando as bases da computação. No estudo, o matemático conceitua que um computador deveria ter três bases universais: um processador, uma memória primária e um conjunto de dispositivos de entrada e saída.
A Arquitetura de von Neumann
Também conhecida como Modelo de Princeton, a Arquitetura de von Neumann tem seu elemento principal na possibilidade dos dados serem executados e armazenados de maneira uniforme. Em outras palavras, o sistema deve conseguir realizar todo o seu processo de cálculos harmonicamente por meio do envio e recebimento de dados e instruções.
Por ser uma máquina, a maneira para os componentes entenderem os dados é por meio de códigos binários representados entre os números 0 e 1. Fundamentalmente, mesmo após a inovação de von Neumann, os computadores ainda são grandes calculadoras, mas o que realmente importa é como essas máquinas calculam os dados e os transformam em uma informação possível de ser interpretada pelo ser humano.
Elementos da Arquitetura de von Neumann
Apesar de von Neumann ter constituído o processador, a memória primária e os dispositivos de entrada e saída como as bases de sua tese, os elementos que compõem essa arquitetura são mais complexos.
Unidade Central de Processamento (CPU)
Popularmente conhecida como processador, a CPU é o componente primordial de todo computador, pois é o responsável direto pelo cálculo, interpretação e execução das demandas em uma máquina. Em seu interior, a Arquitetura de von Neumann elenca três subdivisões importantes para seu funcionamento:
- Unidade Lógica e Aritmética (ULA): é o segmento que realiza as operações matemáticas da CPU, como uma calculadora embutida nesse componente;
- Unidade de Controle: a unidade de controle tem como missão garantir que todos os processos sejam executados corretamente e de maneira organizada;
- Registradores: são uma "memória de baixo nível" para armazenar dados intermediários muito específicos da CPU.
Memória
O design de von Neumann contempla uma memória para se comunicar no sistema. Essa memória é dividida entre primária e secundária, mas nos termos atuais podemos entender a primária como a memória RAM e a secundária como o armazenamento interno, ou seja, HDs e SSDs.
A memória RAM é responsável pela comunicação direta com o processador, enviando e recebendo dados. Mais do que essa simples definição, é na RAM onde ficam armazenadas as instruções para os programas serem executados, já que ela pega esses dados do armazenamento, insere em seus módulos e os "digere" para a CPU processar.
Já a memória secundária possui como função o armazenamento permanente das informações. Lá, o usuário deixará seus arquivos, instruções ou dados, e eles ficarão permanentemente dentro desse sistema.
Dispositivos de input e output
Os dispositivos de input e output são os periféricos usados em um computador, ou seja, todo equipamento externo que usamos para controlar a máquina. O mouse, teclado e caixa de som são periféricos comuns, assim como monitores e impressoras.
Barramento
Além desse tripé citado anteriormente, a Arquitetura de von Neumann coloca ainda um quarto elemento conhecido como System Bus, ou barramento. O barramento é um caminho, como uma rodovia, que permite a passagem dos dados por meio de elétrons que percorrem os componentes e fornecem essas peças com informações.
Podemos considerar o barramento como uma ponte gigantesca que liga os componentes entre si por meio de pequenos conectores ou pinos. Todo componente encaixado em um PC é vinculado a outro por meio de alguma conexão metálica, servindo como pontos de contato para a energia e dados serem transmitidos harmonicamente.
Como funciona a Arquitetura de von Neumann?
Com partes relativamente simples, a Arquitetura de von Neumann foi criada para seguir um caminho lógico. Após o computador ser ligado, a unidade de controle na CPU busca instruções da RAM já decodificadas, sendo enviadas e inseridas em um registrador.
A unidade de controle continua puxando todo o conjunto de instruções necessárias para que uma tarefa seja executada, armazenando-as em outros registradores. Quando isso acontece, a ULA começa a realizar todos os cálculos matemáticos dos dados presentes nos registradores.
Conforme as respostas matemáticas são criadas, esses dados prontos voltam a ser armazenados em outros registradores, então a unidade de controle entende que é hora de realizar o próximo ciclo de execuções e recomeçar o processo.
Vale lembrar que o processo de funcionamento de um computador é bem mais complexo que esse, exigindo o equilíbrio constante na troca de dados entre todos os componentes físicos e softwares, como o sistema operacional.
Pontos positivos da Arquitetura de von Neumann
Inovadora, a ideia proposta por John von Neumann no século passado molda nossa vida cotidiana e como interagimos com diversas máquinas ao nosso redor. A arquitetura é conhecida por sua simplicidade, modularidade e desempenho. Conheça todos os pontos positivos:
- Design simples: por usar poucos componentes, tendo a base principal na CPU, memória, I/O e o barramento, a arquitetura se tornou muito popular e fácil de ser empregada pela indústria e consumidores ao longo dos anos;
- Facilidades: a arquitetura também foi responsável por facilitar o trabalho dos programadores, já que se tornou mais fácil desenvolver softwares para esses sistemas;
- Vários formatos de peças: apesar de ter componentes obrigatórios, o design de Princeton faz com que seja possível inserir diversos tipos de peças diferentes, desde que elas cumpram as funções. Isso tornou a adoção dos computadores mais democrática, pois possibilitou o uso de hardwares com diferentes níveis de performance e preço;
- Armazenamento de dados: talvez sua maior característica, a Arquitetura de von Neumann fez com que os computadores pudessem armazenar dados de maneira temporária e permanente. A chegada das memórias também permitiu o acesso rápido e comunicação facilitada entre componentes.
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Pontos negativos da Arquitetura de von Neumann
Apesar de ser extremamente importante, a teoria e prática da Arquitetura de von Neumann encontra dificuldades em certas áreas, como a limitação de desempenho.
- Gargalo de von Neumann: problema clássico da computação, o Gargalo de von Neumann refere-se a uma teoria que diz que a taxa de transferência do sistema (barramento) é limitada pela demora no recebimento de dados do processador pela RAM. Em outras palavras, há uma demora na comunicação entre as peças, gerando uma limitação de desempenho no sistema;
- Processamento sequencial: embora muito veloz, a Arquitetura de von Neumann faz com que a CPU execute instruções sequencialmente, ou seja, uma após a outra. Diferente da placa de vídeo, que realiza essas tarefas em paralelo, o processador é limitado por fazer tudo em sequência, resultando também na perda de performance.
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