Arhitektura von Neumann: povijest podrijetla pojma

Arhitektura strojeva von Neumann,

Pregled arhitekture

U izvješću von Neumann opisana je shema arhitekture za elektroničko digitalno računalo s dijelovima koji se sastoje od procesnih jedinica koje sadrže:

• aritmetička logička jedinica;
• registre procesora;
• kontrolnu jedinicu koja sadrži naredbeni registar i brojač naredbi;
• uređaj za spremanje podataka za spremanje podataka;
• vanjski uređaj za pohranu;
• ulaznih i izlaznih mehanizama.

Značenje razvoja bilo je da se bilo koji podatak pohranjen na računalu može koristiti programom u kojem se odabrani operacijski podaci ne mogu reproducirati istodobno jer dijele zajedničku sabirnicu. To se spominje u "Prvom projektu", koji opisuje znanstvenike misli o tome što arhitektura treba biti. Von Neumann ovu situaciju nazvao je "usko grlo", što često ograničava performanse sustava.

Načela von Neumannove arhitekture

Digitalno računalo je računalo koje pohranjuje program koji sadrži programske upute, podatke za čitanje, pisanje, a također uključuje i memoriju s izravnim pristupom (RAM). Načela arhitekture Johna von Neumanna također su izložena u svom radu Prvi projekt. Prema njegovim riječima, računala s programom pohranjenim u memoriju bili su poboljšanje u upravljanju računalima, poput ENIAC-a. Potonji je programiran postavljanjem prekidača i umetanjem zakrpa koja vodi do usmjeravanja podataka i kontrole signala između različitih funkcijskih blokova. U velikoj većini modernih računala, memorija se također koristi na sličan način. U ovom slučaju, arhitektura računala von Neumann se razlikuje, na primjer, iz Harvarda, jer ne koristi osnovnu, već memoriju cache memorije.

prapovijest

Prva računala imala su unaprijed postavljene fiksne programe. Neka vrlo jednostavna računala i dalje koriste ovaj dizajn ili za jednostavnost ili za obrazovne svrhe. Na primjer, stolni kalkulator je i računalo s fiksnim programom. Može raditi s osnovama matematike, ali se ne može koristiti kao program za obradu teksta ili igraću konzolu. Promjena fiksnog programa stroja zahtijeva ponovno instaliranje, restrukturiranje ili reorganizaciju stroja. Najranija računala nisu bila usko fokusirana, jer su se prvi put razvijala i za znanstvene svrhe. Reprogramiranje se pojavljuje mnogo kasnije, i to je dugotrajan proces, počevši s blok dijagramima i papirnate račune i završava s detaljnim tehničkim projektima. Posebno je teško bio proces fizičke modernizacije kanala oporavka stroja. Možda će trebati tri tjedna da biste instalirali program na ENIAC i pokušali ga pokrenuti.

Nova ideja

Uz prijedlog da računalo pohranjuje programe u memoriju, sve se promijenilo. Pohranjeni u memoriji, oni su dizajn s nizom uputa. Stroj može odmah dobiti skup naredbi za izvođenje izračuna.

Dizajn takvih programa odnosi se na samo-modifikacijske kodove. Jedna od prvih instalacija takvog objekta bila je potreba za algoritmom da poveća ili na neki drugi način mijenja dio adrese naredbi. To je učinjeno ručno u ranim dizajnom. To je postalo manje važno kada indeksni registri i neizravno adresiranje postanu uobičajene osobine koje računalna arhitektura računala Johna von Neumann posjeduje. Druga je upotreba umetanje često korištenih podataka u timsku nit pomoću trenutačnog rješenja. No kodeks samoizmjenjuje se jako kritiziran, jer je obično teško razumjeti i ukloniti pogreške. Osim toga, bilo je i neučinkovito u pogledu reprodukcije i caching shema modernih procesora.

Uglavnom, sposobnost za liječenje upute i podatke - to je ono što čini sastavljači, prevodiocima, sastavljači, utovarivače i druge instrumente s mogućim predmetima automatiziranog programa. Dakle, pisati programe koji pišu programe. U manjem opsegu, ponavljajućih intenzivnih ulazni i izlazni operacije, kao što BitBlt-slika manipulacije primitivnim ili piksela i Vertex programima za sjenčanje u modernim 3D grafiku, nađeno je da se nedjelotvornim pokrenuti bez korisničkog opreme.

Razvoj koncepta programa pohranjenog u memoriju

matematičar Alan Turing, koji je imao interes u problemu Matematička logika nakon Max Newman je predavanja na Sveučilištu u Cambridgeu, napisao je članak u 1936, ona je objavljena u izdanju London Mathematical Society. U njemu je opisao hipotetski stroj, koji je nazvao „univerzalni stroj za računanje”, a koji je sada poznat kao univerzalni Turingov stroj. Imala je beskonačno skladište (u suvremenoj terminologiji - sjećanje), koja je sadržavala i upute i podatke za koje je stvorena arhitektura. Von Neumann je postao upoznat s Turinga u vrijeme kada je bio gostujući profesor na Cambridgeu 1935. godine, au tijeku je obranio doktorsku disertaciju na Turingov Institutu za Advanced Study u Princetonu (New Jersey) u 1936-1937.

Neovisno Ji Presper Eckert i John Mauchly, koji je razvio ENIAC škola elektrotehnike na Sveučilištu u Pennsylvaniji, piše o konceptu stroja, koji pohranjuje program u memoriju u prosincu 1943. Kada planirate novi stroj, EDVAC Eckert je napisao u siječnju 1944. da će pohraniti podatke i programe u novom uređaju koji se može adresirati memoriju pomoću metalne žive kašnjenje. Ovo je bio prvi put da je predložena izgradnja stroja koji pohranjuje program u memoriju. Istodobno, on i Mauchly nisu bili svjesni djela Turinga (slika u nastavku).

Arhitektura računala: von Neumannov princip

Von Neumann bio je uključen u projekt Manhattan u Nacionalnom laboratoriju u Los Alamosu, koji je zahtijevao veliku količinu računanja. To je privuklo ga ENIAC projektu u ljeto 1944. Tamo se pridružio raspravama o razvoju EDVAC računala. U okviru ove skupine napisao je rad pod nazivom "Prvi nacrt izvješća o EDVAC-u", temeljen na radu Eckerta i Mauchlyja. Bio je nepotpun kad je njegov kolega Goldstein objavio projekt pod imenom von Neumann (usput, Eckert i Mauchly bili su zbunjeni takvim vijestima). Ovaj je dokument pročitao desetine von Neumannovih kolega u Americi i Europi i imao je značajan utjecaj na sljedeću fazu razvoja računala.

Osnovna načela Von Neumannova arhitektura, kao što je navedeno u „prvi nacrt”, stekao veliku popularnost, a Turingov pokrila izvješće o elektroničkom kalkulator, koji je detaljno opisan u inženjering i programiranje. Sadržava autorovu prezentaciju stroja, koji je nazvan Automatic Computing Engine (ACE). Predstavio ga je Izvršnom odboru britanskog nacionalnog fizikalnog laboratorija 1946. godine. Nakon nekog vremena napravljene su i različite uspješne implementacije ACE dizajna.

Početak provedbe projekta

I projekt von Neumann i Turingov dokumenata opisuje računalo pohranjuje u memoriji određeni program, ali članak Von Neumann postići veću cirkulaciju u društvu, a arhitektura računala postala poznata kao John von Neumann arhitekture.

Godine 1945. profesor Neumann, koji je tada radio u inženjerskoj školi u Philadelphiji, gdje je prvi put sagrađena ENIAC, izdana u ime svojih kolega izvješće o logičkom dizajn digitalnih računala. Izvješće sadrži prilično detaljni prijedlog za dizajn stroja, koji je od tada postao poznat kao EDVAC. Tek je nedavno uspostavljen u Americi, no izvješće je inspiriralo von Neumann da stvori EDSAC.

Manijaka i Jonijaca

Godine 1947., Burks, Goldstein i von Neumann objavljen još jedan izvještaj koji je regulirao gradnju drugog tipa automobila (ovaj put paralelno), koji je trebao biti iznimno brz, sposoban, možda, da nose do 20.000 operacija u sekundi. Istaknuli su da je neriješen problem izgradnje odgovarajuće memorije, čiji sadržaj treba odmah biti dostupan. Najprije su predložili korištenje posebne vakuumske cijevi, nazvanog Selectron, koji je bio izumljen u Princeton Laboratoriju. Takve su cijevi bile skupe i čine ih vrlo teškim, pogotovo ako se koristi ta arhitektura. Von Neumann je kasnije odlučio izgraditi stroj temeljen na sjećanju na Williams. Ovaj stroj, koji je završen u lipnju 1952. u Princetonu, postao je poznat MANIAC (ili jednostavno Maniacs). Njegov dizajn je inspiriran kreatora na izgradnji pola tuceta ili više sličnih uređaja, koji se sada gradi u Americi i zove strip Johniacs.

Načela stvaranja

Jedan od najvažnijih suvremenih digitalnih računala, utjelovljujući razvoj i napredak u tehnici automatskog elektroničkog izračuna je pokazao na National Physical Laboratory u Teddington, gdje je projektiran i izgrađen od strane male grupe matematičara, inženjera i istraživačkih inženjera, uz pomoć brojnih proizvodnih inženjera iz engleskog Electric Tvrtka doo Oprema je još uvijek u laboratoriju, ali samo kao prototip mnogo veće instalacije, poznatog kao automatsko računalstvo. Ali, unatoč relativno maloj masi i sadržaju samo 800 termičnih ventila, to je iznimno brz i univerzalni računalni uređaj.

Osnovni pojmovi i apstraktni principi računanja pomoću stroja formulirali su dr. Turing na osnovi istog Londonskog matematičkog društva 1936. godine, ali rad na takvim strojevima u Velikoj Britaniji odgođen je ratom. Godine 1945. razmatranje problema stvaranja takvih uređaja nastavilo se u Nacionalnom fizikalnom laboratoriju dr. Vormsleyja, nadzornika laboratorija Odjela za matematiku. Pridružio se Turingu sa svojim malim osobljem stručnjaka, a do 1947. preliminarno planiranje bilo je dovoljno napredno da opravda stvaranje posebne skupine.

Prva računala na von Neumann arhitekturi

Prvi projekt opisuje shemu koju su mnogi sveučilišta i korporacije koristili za izgradnju svojih računala. Među njima, samo ILLIAC i ORDVAC imali kompatibilne setove za nastavu.

Klasična von Neumann je arhitektura bila utjelovljena u Manchester mali eksperimentalni stroj (SSEM), prozvan za bebe na Sveučilištu u Manchesteru, koji je napravio svoj prvi uspješno lansiranje uređaja koji drži programa memorije, 21. lipnja 1948.

EDSAC sa Sveučilišta Cambridge, prvo praktično elektroničko računalo ove vrste, uspješno je pokrenuto u svibnju 1949. godine.

Razvoj stvorenih modela

IBM SSEC je imao mogućnost pregledavati upute kao podatke i javno je demonstriran 27. siječnja 1948. Ta je sposobnost odobrena u američkom patentu. Međutim, djelomično je bio elektromehanički stroj, a ne potpuno elektronski. U praksi, upute su pročitane iz papirnate trake zbog ograničene memorije.

Baby je bio prvi potpuno elektroničko računalo za pokretanje pohranjenih programa. Vodio je program faktoringa za 52 minuta 21. lipnja 1948. nakon što je započeo jednostavan izračun podjele i izračuna, što pokazuje da su dva broja relativno premijera.

ENIAC je bio modificiran za rad kao primitivno računalo za čitanje, ali na istoj arhitekturi, te je pokazao 16. rujna 1948. godine, a lansiranje Adele Goldstein programa organiziran uz pomoć von Neumann.

BINAC je proveo nekoliko probnih programa u veljači, ožujku i travnju 1949., iako nije završen do rujna 1949. godine. Osim toga, bilo je i pokusnih pokusa (nekih uspješnih) drugih elektroničkih računala za koja je ova arhitektura inherentna. Von Neumann, usput, nastavio je raditi na projektu Manhattan. Ovo je takva univerzalna osoba.

Razvoj sustava sabirnice arhitekture

U desetljećima, već u 60-im i 70-im godinama, računala kao cjelina postala su manja i brža, što je dovelo do nekih evolucija koje su podvrgnute arhitekturi računala pod von Neumann. Na primjer, zaslon u ulaznoj i izlaznoj memoriji omogućuje da se odgovarajuće uređaje, podatke i upute za integraciju u sustav obrađuju kako bi ostali u memoriji. Jedan sustav sabirnice može se koristiti za manje modularnog sustava. Ovo se ponekad naziva "racionalizacija" arhitekture. U sljedećim desetljećima, jednostavni mikrokontroleri ponekad ne koriste neke značajke tipičnog modela kako bi se smanjili troškovi i veličina. Ali velika računala prate uspostavljene arhitekture, jer su dodale značajke kako bi poboljšale performanse.