Arhitectura lui von Neumann: istoria originii termenului

Arhitectura mașinii von Neumann, cunoscută și sub numele de modelul von Neumann sau arhitectura de la Princeton, se bazează pe o tehnică descrisă în 1945 de matematicianul și fizicianul John von Neumann ca parte a raportului "Primul proiect" al computerului EDVAC.

Arhitectura contur

Raportul von Neumann descrie o schemă de arhitectură pentru un calculator digital electronic cu părți care constau din unități de procesare care conține:

• Unitate logică aritmetică;
• Registre de procesoare;
• O unitate de control care conține un registru de comandă și un contor de comandă;
• Un dispozitiv de stocare pentru stocarea datelor;
• Dispozitiv de stocare extern;
• Mecanisme de intrare și ieșire.

Sensul dezvoltării a fost acela că orice informație stocată pe computer ar putea fi utilizată de programul în care datele de operare selectate nu pot fi redate simultan, deoarece aceștia împărtășesc o magistrală comună. Acest lucru este menționat în "Primul Proiect", care descrie gândurile omului de știință despre ce fel de arhitectură ar trebui să fie. Von Neumann a numit această situație o "strangulare", care adesea limitează performanța sistemului.

Principiile arhitecturii von Neumann

Un computer digital este un calculator care stochează un program care conține instrucțiuni de program, date pentru citire, scriere și include, de asemenea, memorie cu acces aleator (RAM). Principiile arhitecturii lui John von Neumann sunt prezentate și în lucrarea sa "Primul proiect". Potrivit lui, computerele cu un program stocat în memorie au fost o îmbunătățire față de gestionarea computerelor, cum ar fi ENIAC. Acesta din urmă a fost programat prin setarea comutatoarelor și introducerea unui plasture care duce la rutarea datelor și semnalele de comandă între diferitele blocuri de funcții. În marea majoritate a computerelor moderne, memoria este folosită și în mod similar. În acest caz, arhitectura calculatorului lui von Neumann diferă, de exemplu, de la Harvard, prin faptul că nu utilizează memoria principală, ci memoria cache.

preistorie

Primele computere au avut programe fixe fixe. Unele computere foarte simple utilizează încă acest design, fie pentru simplitate, fie în scopuri educaționale. De exemplu, un calculator desktop este, de asemenea, un calculator cu un program fix. Acesta poate funcționa cu elementele de bază ale matematicii, dar nu poate fi folosit ca un procesor de text sau o consolă de jocuri. Schimbarea programului fix al mașinii necesită reinstalarea, restructurarea sau reorganizarea aparatului. Cele mai vechi computere nu au fost atât de înguste, deoarece au fost dezvoltate pentru prima dată și în scopuri științifice. Reprogramarea a apărut mult mai târziu și a fost un proces consumator de timp, începând cu diagrame bloc și facturi de hârtie și terminând cu proiecte tehnice detaliate. Mai ales dificil a fost procesul de modernizare fizică a canalelor de restaurare a mașinii. S-ar putea să dureze trei săptămâni pentru a instala programul pe ENIAC și pentru a încerca să-l duc la lucru.

O idee nouă

Odată cu sugerarea stocării de programe în memorie, totul sa schimbat. Stocate în memorie, ele sunt un design cu un set de instrucțiuni. Deci, mașina poate obține imediat un set de comenzi pentru a efectua calcule.

Proiectarea unor astfel de programe se referă la codurile de auto-modificare. Una dintre primele setări pentru un astfel de obiect a fost necesitatea unui algoritm de a mări sau de a schimba în alt mod partea de adresă a comenzilor. A fost făcută manual în modelele timpurii. Acest lucru a devenit mai puțin important atunci când registrele indexului și adresarea indirectă au devenit caracteristicile obișnuite pe care le deține arhitectura calculatorului calculatorului lui John von Neumann. O altă utilizare este de a introduce datele utilizate frecvent în fluxul de comandă utilizând o soluție imediată. Dar codul de auto-modificare a fost puternic criticat, deoarece este de obicei dificil de înțeles și de depanat. În plus, a fost, de asemenea, ineficientă în ceea ce privește redarea și schemele de cache ale procesoarelor moderne.

În general, abilitatea de a trata instrucțiunile ca date este ceea ce asamblatorii, compilatorii, constructorii, încărcătoarele și alte unelte cu obiecte automate de programare posibile. Așa să spun, scrie programe care scriu programe. Pe o scară mai mică, operațiile de intrare și ieșire repetate, cum ar fi manipulările BitBlt cu imagini ale shaderelor primitive sau pixel și vârf în grafica 3D moderne, au fost considerate ineficiente pentru a lucra fără echipamentul utilizatorului.

Dezvoltarea conceptului de program stocat în memorie

Matematicianul Alan Turing, care a fost interesat de problema logicii matematice după prelegerea lui Max Newman de la Universitatea Cambridge, a scris articolul în 1936, a fost publicat în ediția Societății Matematice din Londra. În el, el a descris o mașină ipotetică, pe care o numea "mașină universală de calcul" și care este acum cunoscută ca o mașină universală Turing. Avea un depozit infinit (în terminologia modernă - memorie), care conținea atât instrucțiuni, cât și date, pentru care a fost creată arhitectura dată. Von Neumann sa întâlnit cu Turing la vremea când a fost profesor invitat la Cambridge în 1935, dar și în timpul apărării disertației sale doctorale Turing la Institutul de Studii Avansate din Princeton (NJ) în 1936-1937.

Indiferent unul de celălalt, Ji Presper Eckert și John Mauchly, care au dezvoltat ENIAC la Școala de Inginerie Electrică de la Universitatea din Pennsylvania, au scris despre conceptul de mașină care a stocat programul în memorie în decembrie 1943. Când a planificat o mașină nouă, EDVAC, Eckert a scris în ianuarie 1944 că va stoca date și programe într-un dispozitiv nou cu adresare de memorie prin întârzierea mercurului metalic. Aceasta a fost prima dată când a fost propusă construcția unei mașini de stocare a unui program în memorie. În același timp, el și Mauchly nu erau conștienți de lucrarea lui Turing (fotografia de mai jos).

Arhitectura calculatorului: principiul von Neumann

Von Neumann a fost implicat în Proiectul Manhattan la Laboratorul Național din Los Alamos, care a necesitat o cantitate imensă de calcul. Acest lucru la atras la proiectul ENIAC în vara anului 1944. Acolo sa alăturat discuțiilor privind dezvoltarea calculatorului EDVAC. În cadrul acestui grup, el a scris o lucrare intitulată "Primul proiect de raport privind EDVAC", pe baza lucrărilor lui Eckert și a lui Mauchly. A fost incompletă când colegul său Goldstein a circulat un proiect cu numele von Neumann (apropo, Eckert și Mauchly au fost uimiți de astfel de știri). Acest document a fost citit de zeci de colegi von Neumann din America și Europa și a avut un impact major asupra următoarei etape a dezvoltării computerelor.

Principiile de bază ale arhitecturii lui von Neumann, prezentate în "Primul proiect", au câștigat popularitate largă, în timp ce Turing și-a acoperit raportul despre calculatorul electronic, descris în detaliu în inginerie și programare. Acesta conținea prezentarea autorului mașinii, numită Motorul automat de calcul (ACE). El a prezentat-o Comitetului Executiv al Laboratorului Fizic National al Marii Britanii in 1946. După un timp, s-au făcut chiar și diverse implementări reușite ale designului ACE.

Începerea implementării proiectului

Atât designul lui von Neumann, cât și documentele lui Turing au descris computerele care stochează un anumit program în memorie, însă articolul lui von Neumann a atins o circulație mai mare în societate, iar arhitectura calculatorului a devenit cunoscută sub numele de arhitectură a lui John von Neumann.

În 1945, profesorul Neumann, care a lucrat apoi la școala de inginerie din Philadelphia, unde a fost construit primul ENIAC, a emis un raport privind proiectarea logică a computerelor digitale în numele unui grup de colegi. Raportul conține o propunere destul de detaliată pentru proiectarea mașinii, care de atunci a devenit cunoscută sub numele de EDVAC. A fost doar recent stabilită în America, dar raportul la inspirat pe von Neumann să creeze EDSAC.

Maniacii și Joniacii

În 1947, Berks, Goldstein și von Neumann au publicat un alt raport, care a acoperit construcția unui alt tip de mașină (paralel aceasta), care trebuia să fie extrem de rapidă, capabilă să efectueze până la 20.000 operațiuni pe secundă. Ei au remarcat că o problemă nerezolvată în construirea ei a fost dezvoltarea unei memorii adecvate, întregul conținut al căruia ar trebui să fie disponibil imediat. Mai intai au sugerat utilizarea unui tub special de vacuum numit Selectron, care a fost inventat la Laboratorul Princeton. Astfel de țevi erau scumpe și făcându-le foarte dificile, mai ales dacă arhitectura este folosită. Von Neumann a decis ulterior să construiască o mașină bazată pe memoria lui Williams. Această mașină, care a fost finalizată în iunie 1952, la Princeton, a devenit cunoscută MANIAC (sau pur și simplu Maniacs). Designul său a inspirat creatorii să proiecteze o jumătate de duzină sau mai multe dispozitive similare care sunt acum construite în America și sunt numite Johniacs comic.

Principiile creației

Una dintre cele mai moderne computere digitale care a încorporat evoluțiile și îmbunătățirile în tehnica automatizării electronice a fost demonstrată la Laboratorul Național de Fizică din Teddington, unde a fost proiectat și construit de un mic grup de matematicieni, ingineri de electronică și cercetători, cu ajutorul unui număr de ingineri de producție de la British Electric Company Ltd. Echipamentul este încă în laborator, dar numai ca un prototip al unei instalații mult mai mari, cunoscută sub denumirea de motor automat de calcul. Dar, în ciuda masei relativ mici și a conținutului a doar 800 de supape termonice, este o mașină de numărare extrem de rapidă și universală.

Conceptele de bază și principiile abstracte de calcul cu o mașină au fost formulate de Dr. Turing pe baza aceleiași Societăți matematice din Londra încă din 1936, dar lucrul la astfel de mașini în Marea Britanie a fost întârziat de război. În 1945, examinarea problemelor de creare a unor astfel de dispozitive a continuat în laboratorul fizic național de Dr. Vormsley, superintendent al laboratorului Departamentului de Matematică. El sa alăturat Turing cu micul său personal de specialiști, iar până în 1947 planificarea preliminară a fost suficient de avansată pentru a justifica crearea unui grup special.

Primele calculatoare din arhitectura lui von Neumann

Primul proiect descrie o schemă care a fost folosită de multe universități și corporații pentru a-și construi calculatoarele. Dintre acestea, numai ILLIAC și ORDVAC au seturi de instrucțiuni compatibile.

Arhitectura clasică von Neumann a fost încorporată în Mese experimentale mici din Manchester (SSEM), poreclită Baby de la Universitatea din Manchester, care a făcut prima sa lansare de succes ca un dispozitiv care a stocat programul în memorie la 21 iunie 1948.

EDSAC de la Universitatea Cambridge, primul calculator electronic practic de acest tip, a fost lansat pentru prima dată cu succes în mai 1949.

Dezvoltarea modelelor create

IBM SSEC a avut capacitatea de a vizualiza instrucțiunile ca date și a fost demonstrată public la 27 ianuarie 1948. Această abilitate a fost aprobată în brevetul SUA. Cu toate acestea, a fost parțial o mașină electromecanică, și nu complet electronică. În practică, instrucțiunile au fost citite de pe banda de hârtie datorită memoriei sale limitate.

Bebelusul a fost primul computer complet electronic care rulează programe stocate. A condus programul de factoring timp de 52 de minute pe 21 iunie 1948, după ce a început un simplu calcul al împărțirii și calculului, ceea ce arată că două numere sunt relativ prime.

ENIAC a fost modificat pentru a funcționa ca un calculator primitiv numai pentru citire, dar pentru aceeași arhitectură și a fost demonstrat la 16 septembrie 1948 și lansarea programului Adel Goldstein, organizat cu ajutorul lui von Neumann.

BINAC a desfășurat mai multe programe de testare în februarie, martie și aprilie 1949, deși nu a fost finalizat până în septembrie 1949. În plus, s-au lansat teste (unele reușite) ale altor computere electronice pentru care această arhitectură este inerentă. Von Neumann, apropo, a continuat să lucreze la proiectul Manhattan. Aceasta este o persoană atât de universală.

Evoluția sistemului de arhitectură a autobuzelor

În deceniile anilor '60 și '70, computerele ca întreg au devenit mai mici și mai rapide, ceea ce a dus la unele evoluții pe care le-a suferit arhitectura de calculatoare aflată sub von Neumann. De exemplu, afișajul din memoria de intrare și ieșire permite ca dispozitivele, datele și instrucțiunile corespunzătoare pentru integrarea în sistem să fie procesate, pentru a rămâne în memorie. Un sistem de autobuz poate fi utilizat pentru a furniza un sistem modular cu mai puțini. Aceasta este uneori numită "raționalizarea" arhitecturii. În deceniile următoare, microcontrolerele simple nu folosesc uneori anumite caracteristici ale unui model tipic pentru a reduce costurile și dimensiunile. Dar calculatoarele mari urmează arhitectura stabilită, deoarece au adăugat caracteristici pentru a îmbunătăți performanța.