Arhitectura lui von Neumann: istoria originii termenului

Arhitectura mașinilor von Neumann,

Arhitectura contur

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

• unitate logică aritmetică;
• registrele procesoarelor;
• 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 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 aleatoriu (RAM). Principiile arhitecturii lui Ioan 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 semnale de rutare și control al datelor între diferitele blocuri de funcții. În marea majoritate a computerelor moderne, memoria este folosită și în mod similar. În acest caz, arhitectura calculatoarelor von Neumann diferă, de exemplu, de la Harvard, prin faptul că nu folosește memoria de bază, ci memoria cache.

preistorie

Primele computere au avut programe presetate fixate. 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 lucra cu elementele de bază ale matematicii, dar nu poate fi folosit ca a 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 concentrate atât de îngust, 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 recuperare 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 sugestia memoriei 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 instalări pentru un astfel de obiect a fost necesitatea unui algoritm de a mări sau 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 introducerea datelor utilizate frecvent în firul echipei utilizând o soluție imediată. Dar codul de auto-modificare a fost puternic criticat, deoarece este de obicei dificil de înțeles și depanare. În plus, a fost, de asemenea, ineficientă în ceea ce privește schemele de redare și cache ale procesoarelor moderne.

În general, capacitatea de a trata instrucțiuni ca date - aceasta este ceea ce face ca asamblorii, compilatoare, asamblorii, încărcătoare și alte instrumente cu posibile obiecte de programare automate. Deci, să spun, scrie programe care scriu programe. Pe o scară mai mică, operațiunile recurente de intrare și de ieșire intense, cum ar fi manipulări bitblt-imagine primitive sau pixel si vertex shader 3D-grafica moderne, au dovedit a fi ineficiente pentru a rula fără echipament de utilizator.

Dezvoltarea conceptului de program memorat

matematician Alan Turing, care a avut un interes în problema logicii matematice, după prelegeri Max Newman de la Universitatea din Cambridge, a scris un articol în 1936, a fost publicat în ediția a Mathematical Society 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 a făcut cunoștință cu Turing la un moment dat, când a fost profesor invitat la Cambridge în 1935, și în timpul apărării teza de doctorat la Institutul Turing pentru Studii Avansate Princeton (New Jersey), în 1936-1937.

În mod independent, Ji Presper Eckert și John Mauchly, care a dezvoltat ENIAC Școala de Inginerie Electrică de la Universitatea din Pennsylvania, a scris despre conceptul mașinii, care stochează programul în memorie, în decembrie 1943. Atunci când se planifică o nouă mașină, EDVAC, Eckert a scris în ianuarie 1944 că va stoca datele și programele în noul dispozitiv de memorie adresabil folosind întârziere de mercur metalic. Aceasta a fost prima dată când a fost propusă construcția unei mașini care a stocat un program în memorie. În același timp, el și Mauchly nu erau conștienți de lucrarea lui Turing (foto de mai jos).

Arhitectura calculatoarelor: principiul von Neumann

Von Neumann a fost implicat în Proiectul Manhattan de la Laboratorul Național din Los Alamos, care a necesitat un volum mare de calcul. Acest lucru la atras la proiectul ENIAC în vara anului 1944. Acolo sa alăturat discuțiilor privind dezvoltarea calculatorului EDVAC. In cadrul acestui grup, a scris o lucrare intitulată „Un prim proiect de raport privind EDVAC», bazată pe activitatea Eckert și Mauchly. A fost neterminat când colegul său Goldstein distribuit proiect cu von Neumann (de altfel, Eckert și Mauchly au fost uimiți această știre). Acest document a fost citit de zeci de colegi von Neumann din America și Europa și a avut un impact major asupra etapei viitoare de dezvoltare a calculatorului.

Principiile de bază ale arhitecturii von Neumann, astfel cum este prevăzut în „primul proiect“, a câștigat popularitate largă, în timp ce Turing a acoperit raportul său pe calculator electronic, care a fost descrisă în detaliu în inginerie și programare. Acesta conținea prezentarea de către autor a mașinii, numită Motorul automat de calcul (ACE). A prezentat-o ​​Comitetului Executiv al Laboratorului Fiziologic Național Britanic în 1946. După un timp, s-au realizat chiar și diverse implementări reușite ale designului ACE.

Începerea implementării proiectului

Iar proiectul de documente von Neumann și Turing descrie un calculator de stocare în memorie a unui program specific, dar articolul Von Neumann realizat o mai mare circulație în societate, și arhitectura de calculator a devenit cunoscut sub numele de arhitectura von Neumann John.

În 1945, profesorul Neumann, care a lucrat apoi la scoala de inginerie din Philadelphia, unde a fost construit primul ENIAC, emis în numele colegilor sai raport cu privire la proiectarea logică a calculatoarelor digitale. 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, Burks, Goldstein și von Neumann a publicat un alt raport care a acoperit construcția unui alt tip de masina (de data aceasta paralela), care trebuia să fie extrem de rapid, capabil, probabil, pentru a transporta până la 20.000 de operații pe secundă. Ei au remarcat că o problemă nerezolvată în construirea ei a fost dezvoltarea unei memorii adecvate, a cărui conținut ar trebui să fie imediat disponibil. În primul rând 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 utilizată. Von Neumann a decis ulterior să construiască o mașină bazată pe memoria lui Williams. Această mașină, finalizată în iunie 1952 în Princeton, a devenit cunoscută pe scară largă 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 calculatoarele digitale moderne, întruchipând dezvoltarea și îmbunătățirea tehnicii de calcul electronic automat a fost demonstrată la National Physical Laboratory din Teddington, unde a fost proiectat și construit de un mic grup de matematicieni, ingineri și ingineri de cercetare, cu ajutorul unui număr de ingineri de producție din limba engleză 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.

Concepte de bază și principii abstracte de calcul folosirea utilajelor Nu au fost formulate de către Dr. Turing pe baza aceleiași societăți Londra matematică în 1936, dar de lucru pe astfel de mașini din Marea Britanie a fost întârziată de război. În 1945, examinarea problemelor de creare a unor astfel de dispozitive au continuat la Laboratorul National Physical Dr. Vormsli, Supravegheatorul Departamentului de Matematică de laborator. 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 de pe 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, doar ILLIAC și ORDVAC au seturi de instrucțiuni compatibile.

Arhitectura clasică von Neumann a fost concretizată în Manchester mașină experimentală mici (SSEM), poreclit Baby, de la Universitatea din Manchester, care a făcut prima sa lansare cu succes a dispozitivului care deține memoria de program, 21 iunie 1948.

EDSAC de la Universitatea Cambridge, primul calculator electronic practic de acest tip, a fost lansat pentru prima data cu succes in 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 din banda de hârtie datorită memoriei sale limitate.

Bebelusul a fost primul computer complet electronic care rulează programe stocate. Acesta program de factoring a fugit timp de 52 de minute, douăzeci și unu iunie 1948, după pornire și un calcul simplu împărțind calcul care arată că cele două numere sunt prime între ele.

ENIAC a fost modificat pentru a lucra ca un computer primitiv pentru read-only, dar pe aceeași arhitectură, și a fost demonstrată până la 16 septembrie 1948, iar lansarea programului Adele Goldstein organizat cu ajutorul 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

Prin decenii, deja în anii `60 și `70, calculatoare, în general, au devenit mai mici și mai rapide, rezultând într-o evoluție care a fost supus arhitectura de calculator von Neumann. De exemplu, afișarea memoriei de intrare și de ieșire permite respectivelor dispozitive, date și instrucțiuni privind modul în care să se integreze în sistem, care va fi procesat, rămân în memorie. Un sistem de magistrală poate fi utilizat pentru a asigura un sistem modular cu mai mic. Aceasta este uneori numită "raționalizarea" arhitecturii. În deceniile următoare, uneori, microcontrolere simple, nu folosesc unele caracteristici ale unui model tipic pentru a reduce costul și dimensiunea. Dar calculatoare mari să urmeze arhitectura stabilit, deoarece acestea au adăugat caracteristici pentru a îmbunătăți performanța.