Архітектура фон неймана: історія виникнення терміна

Архітектура машини фон Неймана, також відома як модель фон Неймана, або Прінстонського архітектура, заснована на методиці, описаної в 1945 році математиком і фізиком Джоном фон Нейманом в рамках доповіді «Перший проект» про обчислювальній машині EDVAC.

схема архітектури

У доповіді фон Неймана описувалася схема архітектури для електронної цифрової обчислювальної машини з частинами, що складаються з блоків обробки, яка містить:

• арифметико-логічний пристрій;
• процесор регістрів;
• блок управління, що містить регістр команд і лічильник команд;
• накопичувач для зберігання даних;
• зовнішній пристрій;
• вхідні і вихідні механізми.

Сенс розробки полягав у тому, щоб будь-яка зберігається на комп`ютері інформація могла використовуватися програмою, в якій вибрані дані операції не можуть відтворюватися одночасно, тому що вони поділяють спільну шину. Це згадується в «Першому проект», який описує думки вченого про те, якою має бути архітектура. фон Нейман називав таку ситуацію «вузьким місцем», яке часто обмежує продуктивність системи.

Принципи архітектури фон Неймана

Цифровий комп`ютер - це ЕОМ, що зберігає програму, яка містить програмні інструкції, дані для читання, записи, а також включає в себе пам`ять з довільним доступом (RAM). Принципи архітектури Джона фон Неймана викладені також в його праці «Перший проект». Згідно з ним, комп`ютери з зберiгається в пам`ятi були удосконаленням в порівнянні з управлінням комп`ютерів, таких як ENIAC. Останній був запрограмований за допомогою установки перемикачів і вставки патча, що приводить до маршрутизації даних і сигналів керування між різними функціональними блоками. У переважній більшості сучасних комп`ютерів пам`ять також використовується подібним чином. При цьому архітектура ЕОМ фон Неймана відрізняється, наприклад, від Гарвардської, тим, що вона використовує не основну, а кеш-пам`ять.

Передісторія

Перші обчислювальні машини мали задані фіксовані програми. Деякі дуже прості комп`ютери досі використовують цю конструкцію або для простоти, або в навчальних цілях. Наприклад, настільний калькулятор також є ЕОМ з фіксованою програмою. Він може працювати з основами математики, але він не може бути використаний як текстовий процесор або ігрова консоль. Зміна фіксованого програми машини вимагає перемонтажа, реструктуризації або реорганізації апарату. Найбільш ранні комп`ютери не були настільки вузьконаправленими, так як вони були розроблені вперше і в наукових цілях. Перепрограмування з`явилося набагато пізніше, і це був трудомісткий процес, починаючи з блок-схем і паперових купюр і закінчуючи докладними технічними проектами. Особливо важким був процес фізичної модернізації каналів відновлення машини. Може зайняти три тижні установка програми на ENIAC і спроби змусити її працювати.

Нова ідея

З пропозицією комп`ютера, що зберігає програми в пам`яті, все змінилося. Збережені в пам`яті, вони є конструкцією з набором інструкцій. А значить, машина може відразу отримати набір команд, щоб зробити обчислення.

Конструкція таких програм відноситься до самомодіфіцірующіміся кодами. Однією з перших установок для такого об`єкта була необхідність в алгоритмі для збільшення або іншим чином зміни адресної частини команд. Він робився вручну в ранніх конструкціях. Це стало менш важливим, коли індексні регістри і непряма адресація стали звичайними характеристиками, якими володіє архітектура ЕОМ Джона фон Неймана машини. Інше використання - вставляти часто використовувані дані в потоці команди за допомогою негайного вирішення. Але самомодіфіцірующіміся код в значній мірі піддався критиці, оскільки його, як правило, важко зрозуміти і налагодити. Крім того, він виявився також неефективним в плані відтворення і кешування схем сучасних процесорів.

За великим рахунком, здатність ставитися до інструкції як до даних - це те, що робить асемблери, компілятори, збирачі, навантажувачі та інші інструменти з можливими об`єктами автоматизованого програмування. Так би мовити, писати програми, які пишуть програми. У меншому масштабі повторювані інтенсивні операції введення і виведення, такі як BitBlt-маніпуляції з зображенням примітивних або піксельних і вершинних шейдеров в сучасній 3D-графіці, були визнані неефективними для роботи без користувацького обладнання.

Розробка концепції зберігається в пам`яті програми

математик Алан Тьюринг, який відчував інтерес до проблеми математичної логіки після лекції Макса Ньюмана в Кембриджському університеті, написав статтю в 1936 році, вона була опублікована у виданні Лондонського математичного товариства. У ній він описав гіпотетичну машину, яку назвав «універсальної обчислювальної машиною», і яка тепер відома як універсальна машина Тьюринга. Вона мала нескінченне сховище (в сучасній термінології - пам`ять), яке містило як інструкції, так і дані, для чого і створювалася ця архітектура. Фон Нейман познайомився з Тьюрингом в той час, коли він був запрошеним професором в Кембриджі в 1935 році, а також в ході захисту докторської дисертації Тьюринга в Інституті перспективних досліджень у Прінстоні (штат Нью-Джерсі) в 1936-1937 роках.

Незалежно один від одного Джі Преспер Еккерт і Джон Мочлі, які розробляли ENIAC в школі електротехніки в Університеті штату Пенсільванія, писали про концепцію машини, що зберігає програму в пам`яті в грудні 1943 року. При плануванні нової машини, EDVAC, Еккерт писав в січні 1944 року, що вона буде зберігати дані і програми в новому пристрої з адресацією пам`яті за допомогою затримки металевої ртуті. Це був перший раз, коли було запропоновано будівництво на практиці машини, що зберігає програму в пам`яті. У той же час він і Мочлі були інформовані про роботу Тьюринга (фото нижче).

Архітектура комп`ютера: принцип фон Неймана

Фон Нейман був залучений в «Проект Манхеттен» в Національній лабораторії в Лос-Аламосі, який вимагав величезної кількості обчислень. Це привернуло його до проекту ENIAC влітку 1944 року. Там він вступив в дискусії з розробки комп`ютера EDVAC. В рамках цієї групи він написав роботу під назвою «Перший проект доповіді про EDVAC», засновану на роботі Еккерта і Мочлі. Вона була незавершеною, коли його колега Гольдштейн поширив проект з ім`ям фон Неймана (до слова, Еккерт і Мочлі були ошелешені такою новиною). Цей документ був прочитаний десятками колег фон Неймана в Америці і Європі і надав серйозний вплив на наступний етап комп`ютерних розробок.

Основні принципи архітектури фон Неймана, викладені в «Першому проект», набирали широку популярність, в той час як Тьюринг висвітлював свою доповідь про електронний калькуляторі, який був докладно описаний в техніці і програмуванні. У ньому було викладено і уявлення автора про машину, яка називалася Automatic Computing Engine (ACE). Він представив її виконавчому комітету британської Національної фізичної лабораторії в 1946 році. Через деякий час навіть були проведені різні успішні реалізації конструкції ACE.

Початок реалізації проектів

І проект фон Неймана, і документи Тьюринга описували комп`ютери, що зберігають в пам`яті певну програму, але стаття фон Неймана досягла більшої циркуляції в суспільстві, і комп`ютерна архітектура стала відома як архітектура Джона фон Неймана.

У 1945 році професор Нейман, який тоді працював в інженерній школі у Філадельфії, де і був побудований перший ENIAC, послав він від імені групи своїх колег доповідь про логічному проектуванні цифрових обчислювальних машин. У доповіді міститься досить детальну пропозицію по конструкції машини, яка з тих пір стала відома як EDVAC. Вона тоді тільки недавно була створена в Америці, але доповідь надихнув фон Неймана на створення EDSAC.

Maniacs і Joniacs

У 1947 році Беркс, Гольдштейн і фон Нейман опублікували ще одну доповідь, в якому висвітлювалася конструкція іншого типу машини (на цей раз паралельна), яка повинна була стати надзвичайно швидкої, здатної, можливо, здійснювати до 20 000 операцій в секунду. Вони відзначили, що невирішеною проблемою при побудові її була розробка відповідної пам`яті, весь вміст якої має бути миттєво доступно. Спочатку вони запропонували використовувати спеціальну вакуумну трубку, звану Selectron, яка була винайдена в Прінстонської лабораторії. Такі трубки були дорогими, і зробити їх дуже важко, особливо якщо використовується дана архітектура. Фон Нейман згодом вирішив побудувати машину, засновану на пам`яті Williams. Ця машина, яка була завершена в червні 1952 року в Прінстоні, стала широко відома MANIAC (або просто Maniacs). Її дизайн надихнув творців на конструювання півдюжини або більше аналогічних приладів, які зараз будуються в Америці і називаються жартівливо Johniacs.

принципи створення

Один з найсучасніших цифрових комп`ютерів, які втілювали розробки і удосконалення в техніці автоматичного електронного обчислення, був продемонстрований в Національній фізичній лабораторії в Теддінгтоні, де він був спроектований і побудований невеликою групою математиків, електронників і інженерів-дослідників, за сприяння ряду виробничих інженерів з англійської Electric Company Ltd. Устаткування досі перебуває в лабораторії, але тільки як досвідчений зразок набагато більшою установки, яка відома як Automatic Computing Engine. Але, незважаючи на порівняно невелику масу і зміст тільки 800 термоіонних клапанів, він є надзвичайно швидкою і універсальної лічильної машиною.

Основні поняття і абстрактні принципи розрахунку за допомогою машини були сформульовані доктором Тьюрингом на базі все того ж Лондонського математичного товариства ще в 1936 році, але робота над такими машинами в Великобританії була затримана війною. У 1945 році розгляд проблем створення таких пристроїв продовжилося в Національній фізичній лабораторії доктором Вормслі, суперінтендантом лабораторії Відділення математики. Він приєднався до Тьюрингу зі своїм невеликим штатом фахівців, а до 1947 року попереднє планування було досить просунуте, щоб виправдати створення спеціальної групи.

Перші комп`ютери на архітектурі фон Неймана

Перший проект описує схему, яка була використана багатьма університетами та корпораціями, щоб побудувати свої комп`ютери. Серед них тільки ILLIAC і ORDVAC мали сумісні набори інструкцій.

Класична архітектура фон Неймана була втілена в Манчестерской малої експериментальної машині (SSEM) на прізвисько Baby з університету Манчестера, яка зробила свій перший успішний запуск як пристрій, що зберігає програму в пам`яті 21 червня 1948 року.

EDSAC з Кембриджського університету, перший практичний електронний комп`ютер такого типу, був запущений перший раз успішно в травні 1949 року.

Розвиток створених моделей

IBM SSEC мав можливість розглядати інструкції як дані і був публічно продемонстрований 27 січня 1948 року. Ця здатність затверджувалася в патенті США. Однак це була частково електромеханічна машина, а не повністю електронна. На практиці інструкції були прочитані з паперової стрічки через його обмеженою пам`яті.

Baby був першим повністю електронним комп`ютером для запуску збережених програм. Він запускав програму факторингу протягом 52 хвилин 21 червня 1948 роки після запуску простого обчислення розподілу і розрахунку, який показує, що два числа є взаємно простими.

ENIAC був змінений, щоб працювати в якості примітивної ЕОМ тільки для читання, але по тій же архітектурі, і був продемонстрований 16 вересня 1948 року народження, а запуск програми Адель Гольдштейн організувала за допомогою фон Неймана.

BINAC провів кілька тестових програм в лютому, березні і квітні 1949 року, хоча і не був завершений до вересня 1949 року. Крім того, здійснювалися тестові запуски (деякі успішні) інших електронно-обчислювальних машин, для яких властива дана архітектура. Фон Нейман, до слова, продовжував роботу і над проектом "Манхеттен". Ось такий універсальний людина.

Еволюція шинної системи архітектури

Через десятиліття, вже в 60-е і 70-е роки, комп`ютери в цілому стали менше і швидше, що привело до деяких еволюціям, які зазнала архітектура ЕОМ по фон Нейманом. Наприклад, відображення в пам`яті введення і виведення дозволяє відповідних пристроїв, дані і інструкції по інтеграції в систему яких будуть оброблятися, залишатися в пам`яті. Одна шинна система може бути використана для забезпечення модульної системи з меншими. Це іноді називають «раціоналізацією» архітектури. У наступні десятиліття прості мікроконтролери іноді не використовують деякі риси типової моделі, щоб знизити вартість і розмір. А ось великі комп`ютери слідують встановленої архітектурі, так як в них додані функції для підвищення продуктивності.

Статті схожі на "Архітектура фон неймана: історія виникнення терміна"

Клієнт-серверна архітектура: особливості взаємодії

Що собою являє архітектура пк

Що таке магистрально модульний принцип побудови комп`ютера

А ви знаєте, хто винайшов комп`ютер?