Neumann építészete: a kifejezés eredetének története

A von Neumann gép felépítése, szintén ismerta Neumann modell, vagy a Princeton építészet alapján leírt módszerrel 1945-ben, matematikus és fizikus, Neumann János, a jelentés „Az első tervezet” a számítógép EDVAC.

Építészet vázlata

A von Neumann jelentés egy olyan elektronikus digitális számítógép architektúra-sémáját írta le, amely olyan feldolgozóegységekből áll, amelyek:

• aritmetikai logikai egység;
• processzor nyilvántartások;
• egy parancsregisztert és egy parancsszámlálót tartalmazó vezérlőegység;
• adattároló eszköz;
• külső tárolóeszköz;
• bemeneti és kimeneti mechanizmusok.

A fejlesztés jelentése az volt, hogy bármelyikA számítógépen tárolt információkat felhasználhatja a program, amelyben a kiválasztott műveleti adatok nem játszhatók le egyszerre, mert megosztják a közös buszokat. Ezt említi az "Első projekt", amely leírja a tudós gondolatait arról, hogy mi legyen az építészet. Von Neumann ezt a helyzetet "szűk keresztmetszetnek" nevezte, ami gyakran korlátozza a rendszer teljesítményét.

A von Neumann architektúra alapelvei

A digitális számítógép olyan számítógép, amely tárol egy programot,amely program utasításokat, olvasási, írásbeli adatokat tartalmaz, valamint véletlen hozzáférésű memóriát is tartalmaz (RAM). Neumann János építészetének elveit az "Első projekt" munkájában is bemutatják. Elmondása szerint a memóriában tárolt program számítógépek javulást jelentettek a számítógépek, mint például az ENIAC kezelésénél. Ez utóbbit a kapcsolók beállításával és a javítások beillesztésével állították elő, amelyek az adatátviteli és vezérlő jeleket a különböző funkcióblokkok között vezetik. A modern számítógépek túlnyomó többségében hasonlóan használják a memóriát is. Ugyanakkor a von Neumann számítógépének architektúrája például eltér a Harvardtól, mivel nem a fő, hanem a gyorsítótárat használja.

őstörténet

Az első számítógépek előre meghatároztákfix programok. Néhány nagyon egyszerű számítógép még mindig egyszerűen vagy oktatási célra használja ezt a tervet. Például egy asztali számológép egy fix programmal rendelkező számítógép is. Működik a matematika alapjaival, de nem használható szövegszerkesztőként vagy játékkonzolként. A gép fix programjának megváltoztatása a gép újbóli telepítését, szerkezetátalakítását vagy átszervezését igényli. A legkorábbi számítógépek nem voltak olyan keskenyek, mert először és tudományos célokra fejlesztettek ki. Az átprogramozás sokkal később jelent meg, és ez időigényes folyamat volt, kezdve blokkdiagramokkal és papírlapokkal, és részletes technikai projektekkel zárult. Különösen nehéz volt a gép visszanyerésének csatornáinak fizikai korszerűsítése. Három hét telt el a program telepítéséhez az ENIAC-nál, és próbálja meg működésbe lépni.

Egy új ötlet

A számítógépes program ajánlattételévelmemória, minden megváltozott. A memóriában tárolva olyan utasításokat tartalmaznak, amelyek utasításokat tartalmaznak. Így a gép azonnal kap egy parancskészletet a számítások elvégzéséhez.

Az ilyen programok tervezésére utalönmódosító kódok. Az ilyen objektumok egyikének első telepítése az volt, hogy egy algoritmusra szükség van a parancsok címrészének növelésére vagy megváltoztatására. Manuálisan készült korai tervekben. Ez kevésbé fontosabbá vált, amikor az index-nyilvántartások és a közvetett címzés a Neumann John vonat számítógépének számítógépes architektúrájának szokásos jellemzői lettek. Egy másik felhasználás a gyakran használt adatok beillesztése a csapatcsatornába azonnali megoldással. Az önmódosító kódot azonban sokat kritizálták, mivel általában nehéz megérteni és hibázni. Ezenkívül nem volt hatékony a modern processzorok lejátszási és gyorsítótáraiban sem.

Nagyjából az a képesség, hogy kapcsolódniAz adatokra vonatkozó utasítások az, hogy az összeszerelők, fordítók, építők, rakodók és egyéb eszközök, amelyek az esetleges automatizált programozással rendelkeznek. Szóval írj olyan programokat, amelyek programokat írnak. Kisebb léptékben az ismételt intenzív bemeneti és kimeneti műveletek, mint például a BitBlt-manipulációk primitív vagy képpont-képekkel és csúcs-árnyékolókkal a modern 3D-s grafika terén, eredménytelennek bizonyultak a felhasználói eszközök nélkül való munkavégzéshez.

A memóriában tárolt program koncepciójának fejlesztése

Alan Turing matematikus, aki érdeklődöttA probléma a matematikai logika, miután Max Newman előadások A Cambridge Egyetemen írt egy cikket 1936-ben megjelent a kiadás a London Mathematical Society. Ebben leírt egy hipotetikus gépet, amit "univerzális számológépnek" nevezett, és amelyet ma univerzális Turing gépnek neveznek. Végtelen tárháza volt (modern terminológiában - memória), amely tartalmazta mind az utasításokat, mind az adatokat, amelyekhez az adott architektúra létrejött. Neumann megismerkedett Turing egy időben volt, amikor egy vendég professzora Cambridge-ben 1935-ben, és ennek során a védekezés a doktori disszertációját a Turing Institute for Advanced Study Princetonban (New Jersey) az 1936-1937.

Függetlenül attól, hogy Ji Presper Eckert ésJohn Mauchly, aki az ENIAC-t a Pennsylvani Egyetem Villamosmérnöki Főiskoláján dolgozott ki, arról írt egy 1943 decemberében memóriában tárolt gép fogalmáról. Amikor egy új gépet, az EDVAC-t terveztek, 1944 januárjában írta az Eckert, hogy tárolja az adatokat és a programokat egy új eszközzel, memóriakezeléssel a fémhigany késleltetésével. Ez volt az első alkalom, hogy egy memóriában programot tároló gépet terveztek. Ugyanakkor ő és Mauchly nem tudtak Turing munkájáról (az alábbi képen).

Számítógépes architektúra: a von Neumann-elv

Von Neumann részt vett a Manhattan projektbenA Los Alamos-i Nemzeti Laboratórium, amely óriási számításokat igényelt. Ez 1944 nyarán vonzott az ENIAC projekthez. Itt csatlakozott az EDVAC számítógép fejlesztéséhez. E csoport keretében az Eckert és a Mauchly munkáján alapuló tanulmányt írt az "Az első jelentéstervezet az EDVAC-ról" címmel. Nem volt teljes, amikor kollégája, Goldstein egy Neumann nevû projektet hirdetett (egyébként Eckert és Mauchly elkáprázták az ilyen híreket). Ezt a dokumentumot több ezer von Neumann kollégája olvasta Amerikában és Európában, és nagy hatással volt a számítógépes fejlődés következő szakaszára.

A von Neumann-architektúra alapelvei,az "első projektben" leírtakat széles körben népszerűvé tette, míg Turing az elektronikus számológépre vonatkozó beszámolóját részletezte, amelyet részletesen a tervezés és a programozás ír le. Ez magában foglalta a gép bemutatását, melyet az automatikus számítástechnikai motor (ACE) neveztek. 1946-ban bemutatta az Egyesült Nemzetek Nemzeti Fizikai Laboratóriumának Végrehajtó Bizottságának. Egy idő után még az ACE design különböző sikeres implementációi is megtörténtek.

A projekt megvalósításának kezdete

Mind a von Neumann tervezet, mind a Turing-dokumentumokamelyek egy adott programot tároltak a memóriában, de a von Neumann cikke egyre nagyobb forgalmat ért el a társadalomban, és a számítógépes architektúra Neumann von John vonzerejének ismertté vált.

1945-ben Neumann professzor, aki akkorPhiladelphiai mérnöki iskolában dolgozott, ahol az első ENIAC épült, kollégái egy csoportjának nevében kiadott egy jelentést a digitális számítógépek logikai kialakításáról. A jelentés meglehetősen részletes javaslatot tartalmaz a gép tervezésére vonatkozóan, amely azóta EDVAC néven ismert. Nemrég Amerikában telepedett le, de a jelentés ihlette von Neumannot az EDSAC létrehozására.

Maniacs és Joniacs

1947-ben Burks, Goldstein és von Neumannegy újabb jelentést tett közzé, amely egy másik típusú gépet (ezúttal párhuzamos) tervezett, amely rendkívül gyorsnak mondható, másodpercenként akár 20 000 művelet elvégzésére is képes. Megjegyezték, hogy a megoldás megoldatlan problémája a megfelelő memória fejlesztése, melynek tartalmát azonnal elérhetővé kell tenni. Először egy speciális, a Selectron nevű vákuumcsövet használtunk, amelyet a Princeton Laboratóriumban találtunk fel. Az ilyen csövek drágák voltak, és nagyon nehézzé téve őket, különösen, ha ezt az architektúrát használják. Von Neumann később úgy döntött, hogy egy gépet épít a Williams emlékére. Ez a gép, amely 1952 júniusában készült el Princetonban, széles körben ismert MANIAC (vagy egyszerűen Maniacs). A design ihlette az alkotókat, hogy olyan fél tucat vagy több hasonló eszközt tervezzenek, amiket most Amerikában építettek, és komikusan Johniacsnak nevezik.

A teremtés alapelvei

Az egyik legmodernebb digitális számítógép,megtestesítő fejlesztése és javítása a technika automatikus elektronikus számítási bebizonyosodott a Nemzeti Fizikai Laboratórium Teddington, ahol azt tervezte és építette egy kis csoportja matematikusok, mérnökök és kutatási mérnökök közreműködésével számos termelési mérnökök az angol Electric Company Ltd. A berendezés még mindig a laboratóriumban van, de csak mint egy sokkal nagyobb telepítésű prototípus, amelyet az automatikus számítástechnikai motornak neveznek. Azonban a viszonylag kis tömeg és a mindössze 800 termikus szelep tartalma ellenére rendkívül gyors és univerzális számlálógép.

A számítás alapfogalmai és absztrakt alapelveiA gépezetet Dr. Turing készítette ugyanazon London Mathematical Society alapján 1936-ban, de az ilyen gépeket az Egyesült Királyságban a háború késlelte. 1945-ben Dr. Vormsley, a matematika tanszék laboratóriuma főfelügyelője folytatta az ilyen eszközök megteremtésének problémáit a Nemzeti Fizikai Laboratóriumban. Kis létszámú szakemberrel csatlakozott Turing-hez, és 1947-ig az előzetes tervezés eléggé előrehaladott ahhoz, hogy igazolja egy speciális csoport létrehozását.

Az első számítógépek a von Neumann architektúrán

Az első projekt egy olyan rendszert ír le, amelyet számos egyetem és vállalat használt a számítógépek kiépítésére. Ezek közül csak ILLIAC és ORDVAC volt kompatibilis utasításkészlet.

A klasszikus von Neumann architektúra volta Manchester Small Experimental Machine (SSEM), amelyet a Manchester-i Egyetem Bábjává neveztek el, és amely 1948. június 21-én sikeresen indította útjára a programot.

A Cambridge Egyetem EDSAC-je, az első ilyen gyakorlati elektronikus számítógép, 1949 májusában sikeresen indult útjára.

A létrehozott modellek fejlesztése

Az IBM SSEC képes volt mérlegelniutasításokat adtak és 1948. január 27-én nyilvánosan bemutatták. Ezt a képességet az amerikai szabadalom jóváhagyta. Azonban részben elektromechanikus gép volt, és nem teljesen elektronikus. A gyakorlatban az utasításokat a papírszalagról a korlátozott memória miatt olvasták.

A Baby az első teljesen elektronikus számítógépa tárolt programok indításához. A faktoring programot 1948. június 21-én 52 percig futtatta, miután egyszerű megosztást és számításokat kezdett, ami azt mutatja, hogy két szám viszonylag elsődleges.

Az ENIAC-t módosították, hogy aprimitív számítógép csak az olvasáshoz, de ugyanazon architektúra számára, 1948. szeptember 16-án mutatta be, és Adel Goldstein program indítása Neumann segítségével.

A BINAC számos vizsgálati programot végzett1949 februárjában, márciusában és áprilisában, bár 1949 szeptemberéig nem fejeződött be. Emellett voltak olyan tesztek (néhány sikeresnek), amelyek más elektronikus számítógépekre vonatkoznak, amelyekhez ez az architektúra inherens. Von Neumann egyébként folytatta a Manhattan projekt munkáját. Ez egy ilyen univerzális ember.

A busz architektúra rendszerének fejlődése

Az évtizedek során, már a 60-as és 70-es években,a számítógépek általában kisebbek és gyorsabbak lettek, ami az evolúció néhány olyan változásához vezetett, amelyet a Neumann alatt a számítógépes architektúra alávetett. Például a bemeneti és a kimeneti memória kijelzője lehetővé teszi a megfelelő eszközök, adatok és utasítások feldolgozását a memóriában való feldolgozás céljából. Egy buszrendszerrel kevesebb moduláris rendszert tudunk biztosítani. Ezt néha az építészet "racionalizálásának" nevezik. Az ezt követő évtizedekben az egyszerű mikrokontrollerek néha nem használnak tipikus modellek bizonyos jellemzőit a költségek és a méret csökkentése érdekében. De a nagy számítógépek követték a kialakult architektúrát, mivel a teljesítmény növelése érdekében új funkciókkal bővültek.