Von Neumann Architecture – Explained in Simple Terms
Von Neumann Architecture is a type of computer architecture developed by John Von Neumann in 1945. John was a well-known mathematician and physicist. This architecture introduced the concept of a stored-program computer, where the program and data are both stored in the main memory.
In this system, the CPU fetches and executes one instruction at a time from memory. Even modern computers today still use this architecture as a foundation.
Main Components of Von Neumann Architecture
The Von Neumann Architecture consists of the following units:
- Control Unit
- Arithmetic and Logic Unit (ALU)
- Registers
- Input/Output Devices
- CPU (Central Processing Unit)
- Buses
Let’s understand each of these in detail.
1. Control Unit
The Control Unit manages and controls the operation of the ALU, memory, and input/output devices.
It sends control signals to all the components to ensure proper coordination and execution of instructions.
2. Arithmetic and Logic Unit (ALU)
The ALU is a part of the CPU that performs all arithmetic and logical operations.
✅ Common tasks of ALU include:
- Addition
- Subtraction
- Multiplication
- Division
- Logical operations (like AND, OR, NOT)
- Bit-level operations
3. Registers (Main Memory Unit)
Registers are small, high-speed storage areas located inside the CPU. Data is temporarily stored in these registers before or after processing.
🔹 Common types of registers:
- Accumulator – Stores results of ALU operations.
- Program Counter (PC) – Keeps track of the address of the next instruction to execute.
- Memory Address Register (MAR) – Holds the memory location of data or instructions that need to be accessed.
- Memory Data Register (MDR) – Holds data that is fetched from or written to memory.
- Current Instruction Register (CIR) – Stores the current instruction being executed.
- Instruction Buffer Register (IBR) – Temporarily holds instructions that are not yet ready for execution.
4. Input/Output Devices
Input devices are used to send data or programs into the main memory.
Output devices display the results after processing.
🖱️ Examples:
- Input devices: Keyboard, Mouse, Scanner
- Output devices: Monitor, Printer, Speaker
5. Central Processing Unit (CPU)
The CPU is the brain of the computer. It is an electronic circuit that executes computer programs and manages all the other parts of the system.
It is also known as the Processor or Microprocessor.
6. Buses
Buses are communication channels that transfer data between different parts of the computer.
🛣️ Types of Buses:
- Data Bus – Transfers actual data between CPU, memory, and I/O devices.
- Address Bus – Carries memory addresses from the CPU to other components.
- Control Bus – Sends control signals (like read/write commands) from the CPU.
Von Neumann Bottleneck – What is it?
In Von Neumann Architecture, the CPU can process only one instruction at a time, and instructions must be executed sequentially. This limits the speed and performance of the system.
This limitation is known as the Von Neumann Bottleneck – a situation where the data transfer rate between CPU and memory becomes a major performance issue.
Conclusion
Von Neumann Architecture is a fundamental concept in computer science. Even today, it is the backbone of most personal computers, laptops, and even supercomputers.
Understanding this architecture helps us know how computers process and execute instructions.
Von Neumann architecture in Hindi
यह एक कंप्यूटर आर्किटेक्चर है जिसे 1945 में John Von Neumann ने विकसित किया था. John एक गणितज्ञ और भौतिकी विज्ञानी थे.
यह आर्किटेक्चर stored-program computer कांसेप्ट पर आधारित है. इसमें प्रोग्राम, memory में स्टोर होते है. CPU मैमोरी से एक समय में केवल एक instruction को fetch करता है और उसे execute करता है.
इस डिजाईन का प्रयोग आजकल के computers में भी किया जाता है.
Von Neumann Architecture में निम्नलिखित units होते है:-
- Control unit
- Arithmetic and logic unit (ALU)
- Registers (main memory unit)
- Input/output devices
- CPU (control processing unit)
- Buses
आइये अब इन्हें विस्तार से पढ़ते है:-
Control unit (कंट्रोल यूनिट)
control unit जो है वह ALU, memory, तथा input/output devices के ऑपरेशन को control करती है. तथा ये सभी processor control signals को कंट्रोल करती है.
Arithmetic and logic unit (ALU)
arithmetic logic unit जो है वह CPU का एक part होता है जो कि CPU की जरुरत के हिसाब से calculations (गणनाएं) करता है. जैसे:- जोड़ना. घटाना, गुणा करना, भाग करना आदि. यह logical operations, bit-snifing operations तथा arithmetic operations को पूरा करता है.
Registers (main memory unit)
रजिस्टर, CPU में high speed storage areas होते है. कोई भी data प्रोसेस होने से पहले registers में स्टोर होता है. ये registers निम्नलिखित होते है:-
1- Accumulator- यह ALU के द्वारा की गयी calculation के result को स्टोर करता है.
2- Program counter (PC)- यह अगले instruction के लिए memory locations को track करता है.
3- Memory address register (MAR)– यह instruction के लिए memory location को स्टोर करता है.
4- Memory data register (MDR)– यह मैमोरी से fetch हुए instruction को store करता है.
5- Current instruction register (CIR)– यह हाल-फिलहाल में fetch हुए instructions को स्टोर करता है.
6- Instruction buffer register (IBR)- वह instruction जो जल्दी से execute नहीं हो सकता वह IBR में स्टोर हो जाता है.
Input/Output devices
input device के द्वारा main memory में प्रोग्राम read होता है. तथा output device का प्रयोग कंप्यूटर से output को प्राप्त करने के लिए किया जाता है.
CPU (control processing unit)
cpu एक electronic circuit होता है जो कि कंप्यूटर प्रोग्राम को execute करने का कार्य करता है. इसे microprocessor या processor भी कहते है.
Buses
कंप्यूटर के एक part से दूसरे part में data का ट्रांसमिशन buses के द्वारा होता है. इसके प्रकार निम्नलिखित है:-
- Data Bus- यह memory unit, I/O devices तथा processor में data को ले जाती है.
- address bus- यह memory तथा processor के मध्य data के address को ले जाती है.
- control bus– यह CPU के लिए control commands को ले जाती है.
Von Neumann bottleneck क्या है?
इस architecture में एक समय में केवल एक instruction ही execute होता है. तथा सभी instruction एक sequence में ही perform किये जा सकते है. इससे CPU की performance में कमी आती है. इसे ही von neumann bottleneck कहते है.
यह von neumann architecture बहुत ही important है इसका प्रयोग हमारे कंप्यूटरों तथा super computers में किया जाता है.