Architektura von Neumanna: historie původu termínu

Architektura strojů von Neumann,

Architektonický obrys

V von Neumannově zprávě byla popsána schéma architektury elektronického digitálního počítače s částmi sestávajícími z procesních jednotek, které obsahují:

• aritmetická logická jednotka;
• procesorové registry;
• řídicí jednotka obsahující registr příkazů a čítač příkazů;
• paměťové zařízení pro ukládání dat;
• externí paměťové zařízení;
• vstupních a výstupních mechanismů.

Význam vývoje byl, že jakékoliv informace uložené v počítači mohou být použity programem, ve kterém nelze vybrané operační data současně přehrávat, protože sdílejí společnou sběrnici. To je zmíněno v "Prvním projektu", který popisuje myšlenky vědců o tom, jaká architektura by měla být. Von Neumann označil tuto situaci za "překážku", která často omezuje výkon systému.

Principy architektury von Neumanna

Digitální počítač je počítač, který ukládá program, který obsahuje programové instrukce, data pro čtení, zápis a také paměť s RAM. Principy architektury Johna von Neumanna jsou také uvedeny v jeho díle První projekt. Podle něj počítače s programem uloženým v paměti byly zlepšením nad řízením počítačů, jako je ENIAC. Ten byl naprogramován nastavením přepínačů a vložením patchů, které vedou ke směrování dat a řídícím signálům mezi různými funkčními bloky. V převážné většině moderních počítačů se paměť používá podobně. V tomto případě, počítačová architektura von Neumann se liší například od Harvard, protože nepoužívá základní, ale paměť cache.

Prehistorie

První počítače měly přednastavené pevné programy. Některé velmi jednoduché počítače stále používají tento design buď pro jednoduchost, nebo pro vzdělávací účely. Například desktopová kalkulačka je také počítačem s pevným programem. Může pracovat se základy matematiky, ale nemůže být použit jako a textový procesor nebo herní konzole. Změna pevného programu stroje vyžaduje opětovné instalování, restrukturalizaci nebo reorganizaci stroje. Nejčasnější počítače nebyly tak úzce zaměřeny, jak byly vyvinuty poprvé a pro vědecké účely. Reprogramování se objevilo mnohem později a byl to časově náročný proces, počínaje blokovými diagramy a papírovými účty a končící se podrobnými technickými projekty. Obzvláště obtížný byl proces fyzické modernizace kanálů obnovy stroje. Může trvat tři týdny, než program ENIAC nainstalujete a pokusíte se dostat do práce.

Nový nápad

S návrhem počítače ukládání programů do paměti se všechno změnilo. Uložené v paměti jsou konstrukcí se sadou instrukcí. Stroj tedy může okamžitě dostat sadu příkazů pro výpočty.

Návrh takových programů se týká kódů s vlastním modifikováním. Jednou z prvních instalací pro takový objekt byla potřeba algoritmu pro zvýšení nebo jinou změnu adresové části příkazů. To bylo děláno ručně v časných návrzích. Toto bylo méně důležité, když indexové registry a nepřímé adresy se staly obvyklými vlastnostmi, které má počítačová architektura počítače Johna von Neumanna. Dalším použitím je vložení často používaných dat do podprocesu týmu pomocí okamžitého řešení. Samoobslužný kód byl však silně kritizován, protože je obvykle obtížné pochopit a ladit. Navíc byla také neúčinná, pokud jde o přehrávání a ukládání do mezipaměti moderních procesorů.

Celkově je schopnost zpracovávat instrukce jako údaje, co dělají montéři, překladatelé, stavitelé, nakladače a další nástroje s možnými automatizovanými programovacími objekty. Řekněme, psát programy, které zapisují programy. V menším měřítku, bylo zjištěno, že opakující intenzivní vstupní a výstupní operace, jako jsou BitBlt-image manipulace primitivních nebo pixel a vertex shadery v moderních 3D grafice jako neúčinná běžet bez zásahu uživatele zařízení.

Vývoj koncepce programu uloženého v paměti

Matematik Alan Turing, kdo měl zájem na problém matematické logiky po přednáškách Max Newman na Cambridge University, napsal článek, v roce 1936 bylo zveřejněno ve vydání Londýnské matematické společnosti. V něm popsal hypotetický stroj, který nazýval "univerzální výpočetní stroj" a který je nyní znám jako univerzální stroj Turing. Měla nekonečný sklad (v moderní terminologii - paměť), která obsahovala jak instrukce, tak data, pro které byla daná architektura vytvořena. Von Neumann se seznámil s Turing v době, kdy byl hostujícím profesorem na Cambridge v roce 1935, a v průběhu obhajobou disertační práci na Turing Institute for Advanced Study v Princetonu (New Jersey) v 1936-1937.

Nezávisle Ji Presper Eckert a John Mauchly, který vyvinul ENIAC škola elektrotechnická na University of Pennsylvania, píše o konceptu stroje, který uchovává program v paměti v prosinci 1943. Při plánování nového stroje, EDVAC, Eckert napsal v lednu 1944, že ukládá data a programy do nového zařízení s adresou paměti oddalováním kovové rtuti. Toto bylo poprvé, kdy byla navržena konstrukce stroje, která ukládá program do paměti. Současně s Mauchly nevěděli o díle Turinga (foto níže).

Počítačová architektura: princip von Neumann

Von Neumann byl zapojen do projektu Manhattan v Národním laboratoři v Los Alamos, který vyžadoval obrovské množství výpočtů. To ho přilákalo k projektu ENIAC v létě roku 1944. Tam se připojil k diskusi o vývoji počítače EDVAC. V rámci této skupiny napsal článek s názvem "První návrh zprávy o EDVAC", založený na práci Eckerta a Mauchlyho. Byl to nedokončený, když jeho kolega Goldstein distribuován projektu s von Neumann (mimochodem, Eckert a Mauchly byli ohromeni tuto zprávu). Tento dokument četl desítky kolegů von Neumanna v Americe a Evropě a měl velký vliv na další fázi vývoje počítačů.

Základní principy von Neumann architektuře, jak je stanoveno v „první verzi,“ získala širokou popularitu, zatímco Turing zakryla zprávu o elektronickém kalkulátoru, který byl podrobně popsán ve strojírenství a programování. Obsahovala autorskou prezentaci stroje, která se nazývala Automatický výpočetní motor (ACE). Představil ji Výkonnému výboru britské národní fyzikální laboratoře v roce 1946. Po chvíli se uskutečnily i různé úspěšné implementace návrhu ACE.

Začátek realizace projektu

A projekt dokumentů von Neumann a Turing popisuje počítač ukládání do paměti specifický program, ale ten článek Von Neumann dosahuje většího oběhu ve společnosti a počítačové architektury se stal známý jako John von Neumann architektuře.

V roce 1945 profesor Neumann, který pak pracoval ve strojírenském škole ve Filadelfii, kde se poprvé byla postavena ENIAC, vydaný jménem svým kolegům zprávu o logickém návrhu číslicových počítačů. Zpráva obsahuje poměrně podrobný návrh na návrh stroje, který se od té doby stal známým jako EDVAC. To bylo teprve nedávno založeno v Americe, ale zpráva inspirovala von Neumann vytvořit EDSAC.

Maniaci a Jóncici

V roce 1947, Burks, Goldstein a von Neumann publikoval další zprávu, která pokryla výstavba jiný typ vozu (tentokrát paralelní), který měl být velmi rychlý, schopný snad nést až 20.000 operací za sekundu. Poznamenali, že nevyřešený problém při jeho konstrukci byl vývoj vhodné paměti, jejíž obsah by měl být okamžitě k dispozici. Nejdříve navrhli použití speciální vakuové trubice nazvané Selectron, která byla vynalezena v Princeton Laboratory. Takové trubky byly drahé a velmi obtížné, zvláště pokud se používá tato architektura. Von Neumann se následně rozhodl postavit stroj založený na vzpomínce na Williama. Tento stroj, který byl dokončen v červnu 1952 v Princetonu, se stal široce známým MANIACEM (nebo prostě Maniacs). Jeho návrh inspiroval tvůrce, aby navrhli půl tuctu nebo více podobných zařízení, která jsou nyní postavena v Americe a jsou nazývána komicky Johniacs.

Zásady tvorby

Jeden z nejmodernějších digitálních počítačů, ztělesňující vývoj a zlepšení v technice automatického elektronického počítání byla prokázána v Národní fyzikální laboratoře v Teddington, kde byl navržen a postaven malou skupinou matematiků, inženýrů a výzkumných inženýrů, s pomocí celé řady výrobních inženýrů z anglického Electric Společnost Zařízení je stále v laboratoři, ale pouze jako prototyp mnohem větší instalace, která je známá jako automatický výpočetní motor. Ale i přes relativně malou hmotnost a obsah pouhých 800 thermionic ventily je extrémně rychlý a všestranný počítání stroj.

Základní pojmy a abstraktní principy výpočtu obsluha strojů byly formulovány Dr. Turing na základě stejného London matematické společnosti v roce 1936, ale práce na těchto strojích ve Velké Británii byla odložena válkou. V roce 1945 pokračovala zkoumání problémů s vytvářením takových zařízení v Národní fyzikální laboratoři Dr. Vormsley, vedoucí laboratoře katedry matematiky. Do Turingu se připojil se svým malým personálem specialistů a do roku 1947 bylo předběžné plánování dostatečně pokrokové, aby ospravedlnilo vytvoření zvláštní skupiny.

První počítače v architektuře von Neumanna

První projekt popisuje schéma, které mnoho univerzit a firem používá pro vybudování svých počítačů. Mezi nimi měly pouze kompatibilní instrukční sady ILLIAC a ORDVAC.

Klasická von Neumann architektura byla zakotvena v Manchesteru malé experimentální stroj (SSEM), přezdívaný dítě na univerzitě v Manchesteru, který dělal jeho první úspěšné vypuštění zařízení, které drží v paměti programu, 21. června 1948.

EDSAC z Cambridge University, první praktický elektronický počítač tohoto typu, byl poprvé úspěšně zahájen v květnu 1949.

Vývoj vytvořených modelů

Společnost IBM SSEC měla možnost zobrazit pokyny jako údaje a byla veřejně prokázána dne 27. ledna 1948. Tato schopnost byla schválena v americkém patentu. Jednalo se však částečně o elektromechanický stroj a ne úplně elektronický. V praxi byly z papírové pásky přečteny instrukce z důvodu omezené paměti.

Baby byl první plně elektronický počítač, který spustil uložené programy. Program Factoringu proběhl 52 minut 21. června 1948 poté, co začal jednoduchý výpočet rozdělení a výpočtu, což ukazuje, že dvě čísla jsou poměrně špičková.

ENIAC byl upraven tak, aby fungoval jako primitivní počítač pouze pro čtení, ale pro stejnou architekturu, a byl prokázán 16. září 1948 a zahájením programu Adel Goldstein pořádané za pomoci von Neumanna.

BINAC uskutečnil několik testovacích programů v únoru, březnu a dubnu 1949, i když nebylo dokončeno až do září 1949. Kromě toho se objevily testy (některé úspěšné) jiných elektronických počítačů, pro které je tato architektura neodmyslitelná. Von Neumann, mimochodem, pokračoval v práci na projektu v Manhattanu. Je to taková univerzální osoba.

Vývoj systému architektury sběrnice

V desetiletích, již v 60. a 70. letech se počítače jako celek zmenšovaly a zrychlily, což vedlo k některým vývojům, které prošla počítačová architektura pod von Neumannem. Například displej ve vstupní a výstupní paměti umožňuje, aby příslušná zařízení, data a instrukce pro integraci do systému pro zpracování zůstaly v paměti. Jeden sběrnicový systém může být použit pro poskytování modulárního systému s méně. Toto je někdy nazýváno "racionalizací" architektury. V následujících desetiletích jednoduché mikroprocesory někdy nepoužívají některé funkce typického modelu ke snížení nákladů a velikosti. Ale velké počítače používají zavedenou architekturu, protože přidávají funkce ke zlepšení výkonu.