Architettura di von Neumann: come funziona, schema

Un unico spazio per dati e istruzioni

Quando un computer esegue un programma, da qualche parte deve tenere sia le istruzioni da seguire sia i numeri su cui lavorare. Nell’architettura di von Neumann questo “qualche parte” è uno solo: un’unica memoria contiene entrambi, e il processore li raggiunge attraverso lo stesso bus, il canale che collega memoria e unità di calcolo.

È un’idea più sottile di quanto sembri. Il rapporto che la descrive per la prima volta, il «First Draft of a Report on the EDVAC» di John von Neumann, pubblicato nel 1945, nota che sarebbe “allettante trattare l’intera memoria come un solo organo, rendendone le parti persino intercambiabili” — invece di riservare un pezzo di hardware ai dati e un altro alle istruzioni. Da questa scelta prende forma tutto il resto: dove sta un programma, dove stanno i suoi risultati intermedi, come il processore va a cercarli. Chi vuole ripercorrere come si è arrivati fin qui può leggere prima la storia del computer, che racconta le macchine precedenti all’EDVAC.

Gli organi del rapporto sull’EDVAC

Il documento del 1945 divide la macchina in organi, un termine che oggi suona quasi biologico ma che era la scelta lessicale di von Neumann. Tre sono al centro dell’architettura: l’unità aritmetica (CA), che esegue addizione, sottrazione, moltiplicazione e divisione; l’unità di controllo (CC), che ordina la sequenza delle operazioni; la memoria (M), che conserva sia i dati numerici sia le istruzioni del programma. A questi si aggiungono gli organi di input e output, che portano informazioni dentro e fuori dal sistema.

Le istruzioni di un programma complesso, scrive il rapporto, “possono costituire una quantità di materiale considerevole”, e questo materiale “deve essere ricordato” — proprio come i risultati intermedi di un calcolo. Trattarli allo stesso modo, dentro la stessa memoria, è il punto di partenza di tutta l’architettura.

Esempio pratico: quando un calcolatore esegue “somma 2 e 3”, il processore prima va in memoria a cercare l’istruzione (l’ordine “somma”), poi torna in memoria a cercare i due numeri, poi scrive il risultato. Tre viaggi diversi, ma un solo percorso: lo stesso bus che porta le istruzioni porta anche i dati. Un algoritmo è esattamente questa sequenza di passi che l’unità di controllo fa eseguire uno dopo l’altro.

Il bus condiviso e il von Neumann bottleneck

Condividere memoria e bus semplifica la costruzione della macchina, ma ha un prezzo: se dati e istruzioni viaggiano sullo stesso canale, non possono viaggiare insieme. Il processore deve aspettare il proprio turno per leggere ciò che gli serve, e più la memoria è grande rispetto alla velocità del bus, più questo turno pesa. Wikipedia chiama questo limite «von Neumann bottleneck»: il rallentamento nel trasferimento dati tra processore e memoria rispetto alla quantità di memoria disponibile. L’espressione non compare nel rapporto originale del 1945; è un’etichetta arrivata più tardi, resa nota anche dall’informatico John Backus in una conferenza del 1977, dove si chiedeva se non ci fosse “un modo meno primitivo di spostare grandi quantità di parole avanti e indietro attraverso il von Neumann bottleneck”.

Il confronto con l’architettura Harvard

Un’alternativa esiste, e ha un nome altrettanto storico: l’architettura Harvard. Invece di un solo bus, ne prevede due, uno per i dati e uno per le istruzioni, con percorsi fisicamente separati verso la memoria. Il vantaggio è che il processore può leggere un’istruzione e accedere a un dato nello stesso momento, senza che si mettano in fila sullo stesso canale.

L’architettura Harvard è comune nei microcontrollori — il PIC di Microchip Technology e l’AVR di Atmel sono due esempi — e nei processori dedicati all’audio o al video, dove la velocità di lettura conta più della flessibilità. Nei personal computer, invece, il modello che ha prevalso è rimasto quello di von Neumann.

Perché è ancora la base dei computer di oggi

Non è solo una questione di abitudine. IBM Research, spiegando perché questa architettura pesa anche sul calcolo per il machine learning e sulle reti neurali, nota che la sua forza sta nella flessibilità: memoria e unità di calcolo separate ma collegate possono essere configurate quasi in qualunque modo, ed è per questo — scrive IBM — che l’architettura di von Neumann resta oggi la più diffusa per il calcolo di uso generale. Per compiti molto specifici, come l’elaborazione di grandi quantità di dati numerici in parallelo, il bus condiviso torna a farsi sentire, ed è uno dei motivi per cui la ricerca su nuovi tipi di processori per l’intelligenza artificiale continua.

Di chi è davvero l’idea

Il rapporto del 1945 porta la sola firma di John von Neumann, che nel 1944 era stato chiamato come consulente sul progetto EDVAC. Ma la voce Wikipedia dedicata all’argomento è netta su un punto: attribuire l’invenzione dell’architettura al solo von Neumann sarebbe scorretto, perché John Mauchly e J. Presper Eckert, alla Moore School of Electrical Engineering dell’Università della Pennsylvania, avevano già impostato in gran parte il progetto di un computer a programma memorizzato prima di discuterne con von Neumann e con il suo collega Herman Goldstine. Fu proprio Goldstine a far circolare il documento ancora incompiuto, con il solo nome di von Neumann in copertina — con il disappunto di Eckert e Mauchly, riporta la stessa fonte. Resta un fatto verificabile in prima persona, leggendo il documento originale: il rapporto del 1945 non porta altre firme.

Chi vuole vedere come questi principi si sono tradotti nei sistemi operativi dei computer moderni può proseguire con la storia di Linux, che racconta come il kernel gestisca oggi memoria e processore su questa stessa architettura.