Архитектурата на фон Нойман: историята на произхода на термина

Архитектура на машините фон Нойман,

Архитектурен план

Докладът von Neumann описва схема на архитектурата за електронен цифров компютър с части, състоящи се от обработващи единици, които съдържат:

• аритметична логическа единица;
• регистрите на процесорите;
• контролен блок, съдържащ команден регистър и команден брояч;
• устройство за съхранение на данни;
• външно устройство за съхранение;
• механизми за въвеждане и извеждане.

Значението на разработката е, че всяка информация, съхранявана на компютъра, може да бъде използвана от програмата, в която избраните данни за операцията не могат да се възпроизвеждат едновременно, защото споделят обща шина. Това е споменато в "Първият проект", който описва мисълта на учените за това какво трябва да бъде архитектурата. Фон Нойман нарече тази ситуация "затруднение", което често ограничава представянето на системата.

Принципи на архитектурата на фон Нойман

Цифровият компютър е компютър, който съхранява програма, която съдържа програмни инструкции, данни за четене, писане и включва памет с произволен достъп (RAM). Принципите на архитектурата на Джон фон Нойман са изложени в неговата работа "Първият проект". Според него компютрите с програма, съхранена в паметта, са подобрение в управлението на компютрите, като ENIAC. Последният бе програмиран чрез задаване на ключове и вмъкване на кръпка, която води до маршрутизиране на данни и управляващи сигнали между различните функционални блокове. В по-голямата част от съвременните компютри паметта се използва и по подобен начин. В този случай, компютърна архитектура фон Нойман се различава, например, от Харвард, тъй като използва не основната, а кеш паметта.

праистория

Първите компютри разполагаха с предварително зададени фиксирани програми. Някои много прости компютри все още използват този дизайн или за простота, или за образователни цели. Например, настолен калкулатор също е компютър с фиксирана програма. Той може да работи с основите на математиката, но не може да се използва като текстов процесор или игрална конзола. Смяната на фиксираната програма на машината изисква повторно инсталиране, преструктуриране или реорганизация на машината. Най-ранните компютри не бяха толкова тясно фокусирани, както бяха разработени за първи път и за научни цели. Репрограмирането се появи много по-късно и процес отнемаше много време, като се започне с блок-диаграми и хартиени сметки и завърши с подробни технически проекти. Особено трудно беше процесът на физическа модернизация на каналите за възстановяване на машината. Може да са необходими три седмици, за да инсталирате програмата на ENIAC и да се опитате да я накарате да работи.

Нова идея

С предложението на компютъра да се съхраняват програми в паметта, всичко се промени. Съхранявани в паметта, те са дизайн с набор от инструкции. Така че, машината може веднага да получи набор от команди за извършване на изчисления.

Дизайнът на такива програми се отнася до кодовете за самоконтрол. Една от първите инсталации за такъв обект е необходимостта от алгоритъм за увеличаване или по друг начин промяна на адресната част на командите. Това е направено ръчно в началото на дизайна. Това стана по-малко важно, когато индексните регистри и непрякото адресиране станаха обичайните характеристики, които компютърната архитектура на компютъра на Джон фон Нойман притежава. Друга употреба е да се вмъкват често използвани данни в екипната нишка, като се използва незабавно решение. Но кодексът за самоконтрол е силно критикуван, тъй като обикновено е трудно да се разбере и отстранява проблема. Освен това, той е също така неефективен по отношение на схемите за възпроизвеждане и кеширане на съвременните процесори.

Като цяло, способността за лечение на инструкции и данни - това е това, което прави за сглобяване, компилатори, монтажници, товарачи и други инструменти с възможни обекти на автоматизирано програмиране. Така да кажа, пишете програми, които пишат програми. В по-малък мащаб, повтарящи се интензивни входни и изходни операции, като например BitBlt-изображения манипулации примитивни или пикселни и вертексни шейдъри в модерните 3D-графика, е установено, че е неефективно да се движат без потребителско оборудване.

Разработване на концепцията за програма, съхранена в паметта

математик Алън Тюринг, който имаше интерес към проблема с математическата логика след лекции Макс Нюман Университета в Кеймбридж, пише статия през 1936 г., тя е публикувана в изданието на Лондон Математическо общество. В него той описва хипотетична машина, която нарича "универсална компютърна машина" и която сега е известна като универсална машина Тюринг. Имаше безкраен склад (в съвременната терминология - памет), който съдържаше както инструкции, така и данни, за които е създадена дадена архитектура. Фон Нойман се запознава с Тюринг в момент, когато той е бил гостуващ професор в Кеймбридж през 1935 г., и в хода на защитата на докторската си дисертация на Тюринг Института за напреднали изследвания в Принстън (Ню Джърси), в 1936-1937.

Независимо Джи Presper Екерт и Джон Мокли, които са развили ENIAC гимназия по електротехника в университета в Пенсилвания, пише за концепцията на машината, който съхранява програмата в паметта през декември 1943 година. Когато планира нова машина, EDVAC, Eckert пише през януари 1944 г., че ще съхранява данни и програми в ново устройство с адресиране на паметта, като забавя металния живак. Това беше първият път, когато беше предложено изграждането на машина, съхраняваща програма в паметта. В същото време той и Маукли не бяха наясно с работата на Тюринг (снимката по-долу).

Компютърна архитектура: принципът фон Нойман

Фон Нойман е участвал в проекта "Манхатън" в Националната лаборатория в Лос Аламос, което изисква огромно количество изчисления. Това го привлича в проекта ENIAC през лятото на 1944 година. Там той се присъединява към дискусиите за развитието на компютъра EDVAC. В рамките на тази група, той написа книга, озаглавена "Първият проект на доклад за EDVAC», въз основа на работата на Екерт и Мокли. Това беше недовършена, когато колегата му Голдщайн разпределени проект с фон Нойман (между другото, Екерт и Мокли бяха потресени тази новина). Този документ бе прочетен от десетки колеги фон Нойман в Америка и Европа и имаше голямо влияние върху следващия етап от развитието на компютърните технологии.

Основните принципи на фон Нойман архитектура, както е посочено в "първата чернова", придобили широка популярност, а Тюринг покрит доклада си на електронен калкулатор, който е описан подробно в техническите и програмни. В него се съдържаше авторското представяне на машината, наречена автоматичен изчислителен двигател (ACE). Той го представи на Изпълнителния комитет на Британската национална физическа лаборатория през 1946 г. След известно време бяха направени различни успешни реализации на ACE дизайн.

Начало на изпълнението на проекта

И проекта на фон Нойман и Тюринг документи описва компютър съхраняване в паметта на специална програма, но статията фон Нойман постигне по-голяма циркулация в обществото, както и компютърна архитектура стана известен като Джон фон Нойман архитектура.

През 1945 г. професор Нойман, който след това е работил в инженерното училище във Филаделфия, където е построен първият ENIAC, публикува доклад за логическия дизайн на цифрови компютри от името на група от колеги. Докладът съдържа доста подробно предложение за проектиране на машината, която оттогава е станала известна като EDVAC. Тя беше създадена едва наскоро в Америка, но докладът вдъхнови фон Нойман да създаде EDSAC.

Маниаци и джоняци

През 1947 г., Бъркс, Голдщайн и фон Нойман, публикуван друг доклад, който обхваща изграждането на друг тип автомобил (този път паралелно), който е трябвало да бъде изключително бързо, способен, може би, за да превозва до 20000 операции в секунда. Те отбелязват, че неразрешен проблем при изграждането му е развитието на подходяща памет, чието съдържание трябва да бъде незабавно достъпно. Първо те предложиха използването на специална вакуумна тръба, наречена Selectron, която беше изобретена в лабораторията в Принстън. Такива тръби са скъпи и ги правят много трудни, особено ако се използва тази архитектура. Вон Нойман впоследствие реши да построи машина, основана на паметта на Уилямс. Тази машина, която приключи през юни 1952 г. в Принстън, стана широко известен MANIAC (или просто Maniacs). Неговият дизайн вдъхнови създателите да проектират половин дузина или повече подобни устройства, които сега се строят в Америка и се наричат ​​комично Джониас.

Принципи на сътворението

Един от най-модерните цифрови компютри, въплъщаваща развитие и усъвършенстване на техниката за автоматично електронно изчисление е демонстрирана в Националната физическа лаборатория в Тедингтън, където е проектиран и построен от една малка група от математици, инженери и инженери, с помощта на редица производствени инженери от Английската Electric Фирма "ООД Оборудването все още е в лабораторията, но само като прототип на много по-голяма инсталация, известна като автоматичен изчислителен двигател. Но въпреки сравнително малката маса и съдържанието само на 800 термовизионни клапана, тя е изключително бърза и универсална машина за броене.

Основните понятия и абстрактни принципи за изчисляване с машина бяха формулирани от д-р Тюринг на базата на същото Лондонско математическо дружество през 1936 г., но работата по такива машини във Великобритания се забави от войната. През 1945 г. разглеждането на проблемите при създаването на такива устройства продължава в Националната физическа лаборатория от д-р Ворсли, ръководител на лабораторията в катедрата по математика. Той се присъединява към Тюринг със своя малък екип от специалисти и до 1947 г. предварителното планиране е достатъчно напреднало, за да оправдае създаването на специална група.

Първите компютри в архитектурата на фон Нойман

Първият проект описва схема, която е била използвана от много университети и корпорации за изграждане на компютри. Сред тях само ILLIAC и ORDVAC имат съвместими комплекти инструкции.

Класическа фон Нойман архитектура е въплътен в Манчестър малка експериментална машина (SSEm), по прякор бебе в Университета на Манчестър, което направи първия си успешен старт на устройството, която държи паметта на програмата, 21 юни 1948.

EDSAC от университета в Кеймбридж, първият практичен електронен компютър от този тип, стартира за първи път успешно през май 1949 г.

Разработване на създадени модели

IBM SSEC имаше възможността да разглежда инструкциите като данни и бе демонстрирана публично на 27 януари 1948 г. Тази способност беше одобрена в патента на САЩ. Въпреки това, тя е частично електромеханична машина, а не изцяло електронна. На практика инструкциите се четат от хартиената лента поради ограничената памет.

Бебето беше първият напълно електронен компютър, който управляваше съхраняваните програми. Той ръководи факторинг програмата за 52 минути на 21 юни 1948 г., след като започна просто изчисление на разделянето и изчисляването, което показва, че две числа са сравнително високи.

ENIAC е променен, за да работи като примитивен компютър за само за четене, но на една и съща архитектура, и е доказано от 16 Септември 1948, както и стартирането на програма Адел Голдщайн, организиран с помощта на фон Нойман.

През февруари, март и април 1949 г. БИНАК проведе няколко тестови програми, въпреки че не беше завършена до септември 1949 г. В допълнение, имаше тестове (някои успешни) на други електронни компютри, за които тази архитектура е присъща. Фон Нойман, между другото, продължи да работи по проекта в Манхатън. Това е такъв универсален човек.

Еволюция на архитектурната система на шината

Чрез десетилетия, вече през 60-те и 70-те, компютрите като цяло са станали по-малки и по-бързо, което води до еволюция, която е преминала през компютър архитектура фон Нойман. Така например, на дисплея на входа и на изхода памет позволява на съответните устройства, данни и инструкции за това как да се интегрират в системата, които ще бъдат обработвани, остават в паметта. Една автобусна система може да се използва за осигуряване на по-малко модулна система. Това понякога се нарича "рационализация" на архитектурата. В следващите десетилетия обикновените микроконтролери понякога не използват някои характеристики на типичния модел, за да намалят цената и размера. Но големите компютри следват установената архитектура, защото добавят функции за подобряване на производителността.