Von Neumann arhitektūra: termina vēsture

Arī von Neumann mašīnbūves arhitektūrakā von Neimann modelis vai Prinstonas arhitektūra balstās uz metodi, kuru 1945. gadā raksturoja matemātiķis un fiziķis Džons von Neimans, kas bija daļa no "Pirmā projekta" ziņojuma par EDVAC datoru.

Arhitektūras kontūra

Von Neimaņa ziņojumā aprakstīta elektroniskā digitālā datora arhitektūras shēma ar daļām, kas sastāv no apstrādes vienībām, kurās ir:

• aritmētiskā loģika;
• procesoru reģistri;
• kontroles vienība, kas satur komandu reģistru un komandu skaitītāju;
• uzglabāšanas ierīce datu glabāšanai;
• ārējā atmiņas ierīce;
• ievades un izvades mehānismi.

Attīstības nozīme bija jebkuraDatorā saglabāto informāciju var izmantot programma, kurā vienlaikus nevar atskaņot izvēlētos darbības datus, jo tiem ir kopīga autobuss. Tas ir minēts "Pirmajā projektā", kurā aprakstītas zinātnieka domas par to, kāda ir arhitektūra. Von Neimann šo situāciju sauc par "sašaurinājumu", kas bieži ierobežo sistēmas veiktspēju.

Von Neumann arhitektūras principi

Ciparu dators ir dators, kurā tiek saglabāta programma,kas satur programmas instrukcijas, datus lasīšanai, rakstīšanai, kā arī ietilpst brīvpiekļuves atmiņa (RAM). Džona Neimana arhitektūras principi ir izklāstīti arī viņa darbā "Pirmais projekts". Pēc viņa teiktā, datori ar programmu, kas saglabāti atmiņā, bija uzlabojumi datoru pārvaldībā, piemēram, ENIAC. Pēdējais tika ieprogrammēts, iestatot slēdžus un ievietojot plāksteri, kas noved pie datu pārraides un vadības signāliem starp dažādiem funkciju blokiem. Lielākajā daļā moderno datoru atmiņas tiek izmantotas līdzīgā veidā. Tajā pašā laikā, von Neimanna datortīkla arhitektūra, piemēram, atšķiras no Harvardas, jo tā izmanto ne galveno, bet kešatmiņu.

Aizvēsture

Pirmie datori bija iepriekš noteiktifiksētas programmas. Daži ļoti vienkārši datori šo dizainu joprojām izmanto vai nu vienkāršības nolūkos, vai izglītības nolūkos. Piemēram, darbvirsmas kalkulators ir arī dators ar fiksētu programmu. Tas var strādāt ar matemātikas pamatiem, bet to nevar izmantot kā vārdu procesoru vai spēļu konsoli. Mašīnas fiksētās programmas nomaiņa prasa iekārtas atkārtotu uzstādīšanu, pārstrukturēšanu vai reorganizāciju. Agrākie datori nebija tik šauri fokusēti, jo tie tika izstrādāti pirmo reizi un zinātniskiem mērķiem. Pārprogrammēšana parādījās daudz vēlāk, un tas bija laikietilpīgs process, sākot ar blokshēmām un papīra rēķiniem un beidzot ar detalizētiem tehniskiem projektiem. Īpaši sarežģīti bija mašīnas atjaunošanas kanālu fiziskās modernizācijas process. Lai instalētu programmu ENIAC, var paiet trīs nedēļas, un mēģiniet to iegūt darbā.

Jauna ideja

Piedāvājot datoru, kurā tiek glabātas programmasatmiņa, viss ir mainījies. Saglabāti atmiņā, tie ir dizains ar instrukciju kopumu. Tātad mašīna var nekavējoties iegūt komandu komplektu, lai veiktu aprēķinus.

Šādu programmu dizains attiecas uzpašmodificējoši kodi. Viena no pirmajām iekārtām šādam objektam bija nepieciešamība pēc algoritma, lai palielinātu vai citādi mainītu komandu adreses daļu. Tas tika darīts manuāli agrīnā dizainā. Tas kļuva mazāk svarīgi, kad indeksu reģistrē un netiešā adresēšana kļuva par parastajām īpašībām, kādas piemīt John von Neumann datora datora arhitektūrai. Vēl viena lieta ir ievietot bieži lietotus datus komandas vītnē, izmantojot tūlītēju risinājumu. Bet pašmodifikācijas kods ir ļoti kritizēts, jo to parasti ir grūti saprast un atkļūdot. Turklāt tas bija arī neefektīvs attiecībā uz mūsdienu procesoru atskaņošanu un kešdarbi.

Patiesībā, spēja saistīties arnorādījumus par to, kā dati - tas ir tas, kas padara montētāji, kompilatori, montētājiem, iekrāvēji un citus instrumentus, ar iespējamiem objektiem automatizētu programmu. Tā teikt, rakstīt programmas, kas rakstītu programmas. Mazākā mērogā atkārtotie intensīvas ievades un izvades operācijas, piemēram, BitBlt-attēlu manipulācijas primitīvu vai pikseļu un virsotņu šeideru mūsdienu 3D grafika, tika konstatēts, ka neefektīva darboties bez lietotāja iekārtas.

Programmas atmiņā saglabātās programmas koncepcijas izstrāde

Matemātiķis Alans Tjurings, kurš bija ieinteresētsproblēmai matemātiskā loģika pēc Max Ņūmena lekcijas Kembridžas universitātē, uzrakstīju rakstu 1936. gadā, tas tika publicēts izdevumā Londonas Mathematical Society. Tajā viņš aprakstīja hipotētisku mašīna, ko viņš sauc par "universālā skaitļošanas mašīna", un kas tagad pazīstams kā universālu Tjūringa mašīna. Viņai bija bezgalīgs uzglabāšanu (mūsdienu terminoloģijā - atmiņas), kurā ietverts gan norādījumus un datus, kas tika izveidots un arhitektūru. Von Neumann iepazinās ar Turing laikā, kad viņš bija viesprofesors Cambridge 1935.gadā, un šajā laikā aizstāvēt doktora disertācijas pie Turing Institute for Advanced Study in Princeton (New Jersey) in 1936-1937.

Neatkarīgi no citiem, Ji Presper Eckert unJohn Mauchly, kurš izstrādāja ENIAC skola elektrotehnikā Universitātē Pennsylvania, rakstīja par jēdzienu mašīnu, kas uzglabā programmu atmiņā 1943.gada decembrī. Plānojot jaunu mašīnu, EDVAC, Eckert 1944. gada janvārī rakstīja, ka viņa uzglabās datus un programmas jaunā ierīcē ar atmiņas risināšanu, aizkavējot metāla dzīvsudrabu. Šī bija pirmā reize, kad tika piedāvāta iekārtas, kas uzglabā programmu atmiņā, uzbūve. Tajā pašā laikā viņš un Mauchly nezināja Turinga darbu (foto zemāk).

Datoru arhitektūra: von Neimann princips

Von Neimann tika iesaistīts Manhetenas projektāLos Alamos nacionālā laboratorija, kurā bija nepieciešams liels aprēķinu apjoms. Tas piesaistīja viņu ENIAC projektam 1944. gada vasarā. Tur viņš pievienojās diskusijām par EDVAC datora attīstību. Šajā grupā, viņš uzrakstīja grāmatu ar nosaukumu "Pirmais ziņojuma projekts par EDVAC», pamatojoties uz darbu, Eckert un Mauchly. Tā bija nepabeigta, kad viņa kolēģis Goldstein izplatīts projekts ar von Neumann (starp citu, Eckert un Mauchly bija apdullinātas šo ziņu). Šis dokuments ir izlasījis desmitiem kolēģiem von Neumann Amerikā un Eiropā, un bija dziļa ietekme uz nākamo posmu datoru attīstību.

No von Neumann arhitektūras pamatprincipi,kas aprakstīts "Pirmajā projektā", ieguva plašu popularitāti, savukārt Turings sāka savu ziņojumu par elektronisko kalkulatoru, kas tika detalizēti aprakstīts inženierzinātnēs un programmēšanā. Tas ietvēra autora prezentāciju par mašīnu, ko sauca par automātisko skaitļošanas dzinēju (ACE). Viņš to iepazīstināja Lielbritānijas Nacionālās fiziskās laboratorijas izpildkomitejā 1946. gadā. Pēc brīža, pat dažādi veiksmīgi īstenoti ACE dizains tika veikts.

Projekta īstenošanas sākums

Gan von Neumanna projekts, gan Turinga dokumentiaprakstītie datori, kas saglabā noteiktu programmu atmiņā, bet von Neimann raksts sasniedza lielāku apriti sabiedrībā, un datoru arhitektūra kļuva pazīstama kā John von Neumann arhitektūra.

1945. gadā profesors Neimans, kurš pēc tamstrādāja inženiera skolā Filadelfijā, kur tika uzbūvēts pirmais ENIAC, viņa kolēģu grupas vārdā izlaida ziņojumu par digitālo datoru loģisko dizainu. Ziņojumā ir diezgan sīki izstrādāts priekšlikums par mašīnas konstrukciju, kas kopš tā laika ir kļuvusi pazīstama kā EDVAC. Tas bija nesen izveidots Amerikā, taču ziņojums iedvesmoja fonu Neimannu, lai izveidotu EDSAC.

Maniacs un Joniacs

1947.gadā Burks, Goldstein un von NeumannMēs publicēja vēl vienu ziņojumu, kas aptvēra celtniecību cita automobiļa tipa (šoreiz paralēli), kas bija vajadzēja būt ļoti ātri, iespējams, varbūt, lai veiktu līdz 20000 operāciju sekundē. Viņi atzīmēja, ka neatrisinātā problēma tās veidošanā bija piemērotas atmiņas attīstīšana, kuras saturs būtu uzreiz pieejams. Vispirms viņi ieteica izmantot speciālu vakuuma cauruli, ko sauc Selectron, kas tika izgudrots Princeton Laboratory. Šādas caurules bija dārgas un padarot tās ļoti sarežģītas, it īpaši, ja tiek izmantota šī arhitektūra. Pēc tam Von Neimann nolēma veidot mašīnu, pamatojoties uz Williams atmiņu. Šī mašīna, kas tika pabeigta 1952. gada jūnijā Princeton, kļuva plaši pazīstama MANIAC (vai vienkārši Maniacs). Tās dizainu ir iedvesmojusi veidotājiem par būvniecību pusducis vai vairāk līdzīgām ierīcēm, kas tagad tiek būvēts Amerikā un sauc komiksu Johniacs.

Radīšanas principi

Viens no modernākajiem digitālajiem datoriem,iemieso attīstību un uzlabošanos tehniku ​​automātiskās elektroniskās aprēķins ir pierādīts pie Valsts Fiziskās Laboratory Teddington, kur tā tika izstrādāta, un uzcēla nelielu grupu matemātiķi, inženieri un pētniecības inženieri, ar palīdzību no vairākiem ražošanas inženieri no angļu Electric Company Ltd. Iekārta joprojām laboratorijā, bet tikai kā prototips daudz lielāku augu, kas ir pazīstams kā automātiskās Computing Engine. Bet, neskatoties uz relatīvi mazo masu un tikai 800 termoreaktīvo vārstu saturu, tas ir ārkārtīgi ātrs un universāls skaitļošanas mašīna.

Pamatjēdzieni un abstrakti aprēķinu principi arMašīnas formulēja Dr Tingings, pamatojoties uz to pašu Londonas matemātikas biedrību 1936. gadā, taču karš šādu darbu veikšanu Apvienotajā Karalistē aizkavēja. 1945. gadā šo aparātu radīšanas problēmu izskatīšana Nacionālajā fizikālajā laboratorijā turpināja Dr. Vormsli, Matemātikas katedras laboratorijas direktoru. Viņš pievienojās Turingam ar saviem mazajiem speciālistu darbiem, un līdz 1947. gadam provizoriskā plānošana bija pietiekami attīstīta, lai pamatotu īpašas grupas izveidošanu.

Pirmie datori no von Neumann arhitektūras

Pirmais projekts apraksta shēmu, ko daudzas universitātes un korporācijas ir izmantojušas, lai izveidotu savus datorus. Starp tiem tikai ILLIAC un ORDVAC bija saderīgi instrukciju komplekti.

Klasiskā von Neimanna arhitektūra bijaTas ietverts Manchester nelielo eksperimentālo iekārtu (SSEM), iesaukts Baby Universitātē Manchester, kas ļāva pirmo veiksmīgo ierīces, kas satur programmas atmiņu, 1948.gada 21. jūnijā.

EDSAC no Kembridžas universitātes, pirmais šāda veida praktiskais elektroniskais dators, pirmo reizi veiksmīgi tika atklāts 1949. gada maijā.

Izveidoto modeļu attīstība

IBM SSEC varēja izskatītnorādījumi par datiem un tika publiski demonstrēti 1948. gada 27. janvārī. Šī spēja tika apstiprināta ASV patentā. Tomēr tā bija daļēji elektromehāniska mašīna, un tā nebija pilnīgi elektroniska. Praksē instrukcijas lasīja no papīra lentes, jo tā bija ierobežota atmiņa.

Baby bija pirmais pilnībā elektroniskais datorslai sāktu saglabātās programmas. 1948. gada 21. jūnijā viņš veica faktoringa programmu 52 minūtes pēc vienkāršā sadalījuma un aprēķina aprēķināšanas, kas parāda, ka divi skaitļi ir samērā lieli.

ENIAC ir pārveidots, lai darbotos kāprimitīvs dators tikai lasīšanai, bet vienai un tai pašai arhitektūrai, un to demonstrēja 1948. gada 16. septembrī, un ar fonda Neimana palīdzību tika organizēta programma Adel Goldstein.

BINAC 2006. Gadā veica vairākas pārbaudes programmasFebruāris, marts un aprīlis 1949, lai gan tas netika pabeigts līdz 1949. gada septembrim. Turklāt testa braucieni tika veikti (dažas veiksmīgas) citiem datoriem, kas ir raksturīgs arhitektūras. Von Neumann, starp citu, un turpināja darbu pie projekta "Manhattan". Tā ir tik universāla persona.

Autobusu arhitektūras sistēmas attīstība

Caur gadu desmitiem, jau 60. un 70. gados,datori kopumā kļuva mazāki un ātrāki, kā rezultātā daži attīstījās, ka tika veikta datora arhitektūra von Neumann. Piemēram, ievades un izvades atmiņas displejs ļauj apstrādāt atbilstošās ierīces, datus un instrukcijas, lai integrētu sistēmā, lai paliktu atmiņā. Vienu autobusu sistēmu var izmantot, lai nodrošinātu modulāro sistēmu ar mazāku skaitu. To dažreiz sauc par arhitektūras "racionalizāciju". Turpmākajos gadu desmitos vienkāršie mikrokontrolleri dažkārt neizmanto dažas tipiska modeļa iezīmes, lai samazinātu izmaksas un lielumu. Bet lielie datori ievēro izveidoto arhitektūru, jo tiem ir pievienotas funkcijas, lai uzlabotu veiktspēju.