O que é a Arquitetura de von Neumann?

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.

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.

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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.

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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