Arhitektura von Neumann: zgodovina izvora termina

Strojna arhitektura von Neumann,

Arhitekturni okvir

Poročilo von Neumann je opisalo arhitekturno shemo za elektronski digitalni računalnik z deli, sestavljenimi iz procesnih enot, ki vsebujejo:

• aritmetična logična enota;
• registrski procesorji;
• krmilna enota, ki vsebuje register ukazov in števec ukazov;
• naprava za shranjevanje za shranjevanje podatkov;
• naprava za zunanjo shranjevanje;
• vhodni in izhodni mehanizmi.

Razvoj je pomenil, da program, v katerem izbranih operativnih podatkov ni mogoče hkrati igrati, lahko uporablja vse podatke, ki so shranjeni v računalniku, saj imajo skupni vodilo. To je omenjeno v prvem projektu, ki opisuje znanstvene misli o tem, kakšna bi morala biti arhitektura. Von Neumann je to situacijo naznanil kot "ozko grlo", ki pogosto omejuje delovanje sistema.

Načela arhitekture von Neumann

Digitalni računalnik je računalnik, ki shrani program, ki vsebuje navodila za program, podatke za branje, pisanje in vključuje tudi pomnilnik z naključnim dostopom (RAM). Načela arhitekture Johna von Neumanna so opisana tudi v njegovem delu Prvi projekt. Po njegovem mnenju so računalniki s programom, shranjenim v pomnilniku, izboljšali upravljanje računalnikov, kot je ENIAC. Slednji je programiran tako, da nastavi stikala in vstavi obliž, ki vodi do podatkovnih poti in kontrolnih signalov med različnimi funkcijskimi bloki. V veliki večini sodobnih računalnikov se pomnilnik uporablja tudi na podoben način. V tem primeru, računalniška arhitektura von Neumann se na primer razlikuje od Harvarda, ker ne uporablja osnovnega, ampak začasnega pomnilnika.

Prazgodovina

Prvi računalniki so imeli prednastavljene fiksne programe. Nekateri zelo preprosti računalniki še vedno uporabljajo ta model bodisi za enostavnost ali za izobraževalne namene. Na primer, namizni kalkulator je tudi računalnik s fiksnim programom. Lahko deluje z osnovami matematike, vendar ga ni mogoče uporabiti kot urejevalnik besedil ali igralno konzolo. Spreminjanje fiksnega programa stroja zahteva ponovno namestitev, prestrukturiranje ali reorganizacijo stroja. Najzgodnejši računalniki niso bili tako ozko osredotočeni, saj so bili razviti prvič in za znanstvene namene. Reprogramiranje se je pojavilo precej kasneje in bilo je dolgotrajen proces, ki se je začel z blokskimi diagrami in papirnatimi računi ter končal s podrobnimi tehničnimi projekti. Še posebej težko je bil proces fizične posodobitve kanalov izterjave stroja. Za namestitev programa na ENIAC utegne trajati tri tedne in ga poskušati doseči.

Nova ideja

S predlogom računalnika, ki shranjuje programe v pomnilnik, se je vse spremenilo. Shranjeni v pomnilniku, so dizajn z nizom navodil. Tako lahko stroj takoj dobi nabor ukazov za izračune.

Oblikovanje takšnih programov se nanaša na samodejno spreminjanje kod. Ena od prvih instalacij za tak predmet je bila potreba po algoritmu za povečanje ali drugače spreminjanje naslovnega dela ukazov. To je bilo storjeno ročno v zgodnjih načrtih. To je postalo manj pomembno, ko so indeksni registri in posredna naslavljanja postali običajne značilnosti, ki jih ima računalniška arhitektura računalnika John von Neumann. Druga možnost je vnašanje pogosto uporabljenih podatkov v navoj ekipe z uporabo takojšnje rešitve. Ampak samo-modifikacijska koda je bila močno kritizirana, saj je ponavadi težko razumeti in odpraviti napako. Poleg tega je bila tudi neučinkovita v smislu predvajanja in caching shem sodobnih procesorjev.

Na splošno sposobnost za zdravljenje navodila so podatki - to je tisto, kar naredi sestavljavce, prevajalniki, sestavljavce, nakladalcev in drugih instrumentov z možnimi predmeti avtomatskega programiranja. Torej, pisati programe, ki pišete programe. V manjšem obsegu, ponavljajoče se intenzivno vhodne in izhodne operacije, kot so BitBlt-slike manipulacije primitivnih ali pixel in vertex osenčevalnikih v sodobnih 3D-grafiko, je bilo ugotovljeno, da je neučinkovito, da deluje brez uporabnikove opreme.

Razvoj koncepta programa, shranjenega v pomnilniku

Matematik Alan Turing, ki ga je zanimalo problem matematične logike po predavanju Max Newmana na Univerzi Cambridge, je napisal članek leta 1936, objavljen je bil v izdaji London Mathematical Society. V njem je opisal hipotetični stroj, ki ga je imenoval "univerzalni računalniški stroj" in ki je zdaj znan kot univerzalni stroj Turinga. Imel je neskončno skladišče (v sodobni terminologiji - spomin), ki je vseboval navodila in podatke, za katere je bila ustvarjena dana arhitektura. Von Neumann je seznanil s Turing v času, ko je bil gostujoči profesor na Univerzi v Cambridgeu leta 1935, in v okviru zagovoru doktorske disertacije na Turing Inštitutu za višji študij v Princetonu (New Jersey), v 1936-1937.

Neodvisno Ji Presper Eckert in John Mauchly, ki je razvil ENIAC šolo za elektrotehniko na Univerzi v Pensilvaniji, je pisal o konceptu stroja, ki shranjuje program v pomnilniku v decembru 1943. Pri načrtovanju novega stroja, EDVAC, Eckert je januarja 1944 napisal, da bo shranjevala podatke in programe v novi napravi s pomnilniškim naslavljanjem z odlaganjem kovinskega živega srebra. To je bilo prvič, da je bila predlagana konstrukcija stroja, ki shranjuje program v spomin. Hkrati z Mauchlyjem ni vedel za delo Turinga (slika spodaj).

Računalniška arhitektura: princip von Neumann

Von Neumann je bil vključen v projekt Manhattan v Nacionalnem laboratoriju v Los Alamosu, ki je zahteval veliko število računov. To ga je pritegnilo v projekt ENIAC poleti 1944. Tam se je pridružil razpravam o razvoju računalnika EDVAC. V okviru te skupine je napisal članek z naslovom "Prvo osnutek poročila o EDVAC", ki temelji na delu Eckerta in Mauchlyja. Bilo je nepopolno, ko je njegov kolega Goldstein razposlal projekt z imenom von Neumann (mimogrede, Eckert in Mauchly sta bili tako dampfoundirani). Ta dokument je prebral več deset kolegov von Neumann v Ameriki in Evropi ter imel velik vpliv na naslednjo stopnjo računalniškega razvoja.

Temeljna načela von Neumann arhitekture, kot je določeno v "prvem osnutku," pridobila veliko popularnost, medtem ko je Turing zakrila poročilo o elektronski kalkulator, ki je podrobno opisana v inženiring in programiranja. Vsebovala je avtorjevo predstavitev naprave, ki se je imenovala avtomatski računalniški motor (ACE). Predstavil ga je Izvršnemu odboru britanskega nacionalnega fizičnega laboratorija leta 1946. Čez nekaj časa smo izvedli tudi različne uspešne implementacije modela ACE.

Začetek izvajanja projekta

In projekt von Neumann in Turingov dokumentov opisuje računalnik shranjuje v spomin poseben program, vendar je članek Von Neumann je doseči večjo cirkulacijo v družbi, in računalniške arhitekture postal znan kot John von Neumann arhitekture.

Leta 1945 je profesor Neumann, ki je nato delal na inženirski šoli v Filadelfiji, kjer je bil zgrajen prvi ENIAC, v imenu skupine svojih kolegov objavil poročilo o logičnem oblikovanju digitalnih računalnikov. Poročilo vsebuje precej podroben predlog za načrtovanje stroja, ki je od takrat postal znan kot EDVAC. Šele pred kratkim je bil ustanovljen v Ameriki, vendar je poročilo navdihnilo von Neumanna, da bi ustvarilo EDSAC.

Maniacs in Joniacs

Leta 1947, Burks, Goldstein in von Neumann objavila novo poročilo, ki je zajemal izgradnjo drugega tipa avtomobila (tokrat vzporedni), ki naj bi bilo zelo hitro, mogoče, mogoče, za prevoz do 20.000 operacij na sekundo. Ugotovili so, da je nerešena težava pri njegovi izgradnji razvoj ustreznega spomina, katerega vsebina naj bi bila takoj na voljo. Prvič so predlagali uporabo posebne vakuumske cevi z imenom Selectron, ki je bila izumljena v Laboratoriju Princeton. Takšne cevi so bile drage in jih zelo otežile, še posebej, če se uporablja ta arhitektura. Von Neumann se je kasneje odločil zgraditi stroj, ki temelji na spominu na Williams. Ta stroj, ki je bil zaključen junija 1952 v Princetonu, je postal splošno znano MANIAC (ali preprosto Maniacs). Njegova zasnova je navdihnila ustvarjalce, da oblikujejo pol ducata ali več podobnih naprav, ki so zdaj zgrajene v Ameriki in se imenujejo komično Johniacs.

Načela ustvarjanja

Eden od najbolj sodobnih digitalnih računalnikov, ki vključuje razvoj in napredek v tehniki avtomatskega elektronskega računanja je bila dokazana na National Physical Laboratory v Teddington, kjer je bila načrtovana in z majhno skupino matematikov, inženirjev in raziskovalnih inženirjev zgrajen s pomočjo številnih proizvodnih inženirjev iz angleškega Electric Company Ltd. Oprema je še vedno v laboratoriju, vendar le kot prototip večje namestitve, ki je znana kot avtomatski računalniški motor. Ampak, kljub sorazmerno majhni masi in vsebini le 800 termionskih ventilov, je izjemno hiter in univerzalni štetje.

Temeljne koncepte in abstraktna načela računanja s strojem je oblikoval dr. Turing na podlagi istega londonskega matematičnega društva že leta 1936, vendar je delo na takšnih napravah v Združenem kraljestvu vojna odložila. Leta 1945 se je v Nacionalnem fizičnem laboratoriju nadaljevalo razmišljanje o težavah pri ustvarjanju takšnih naprav, ki ga je vodil dr. Vormsley, nadzornik Laboratorija na oddelku za matematiko. Pridružil se je Turingu z majhnim strokovnim osebjem, do leta 1947 pa je bilo predhodno načrtovanje dovolj napredovalo, da bi upravičilo ustanovitev posebne skupine.

Prvi računalniki arhitekture von Neumann

Prvi projekt opisuje shemo, ki jo mnoge univerze in korporacije uporabljajo za gradnjo svojih računalnikov. Med njimi so bili le ILLIAC in ORDVAC združljivi nabor navodil.

Klasična von Neumann arhitektura je utelešena v Manchester eksperimentalnem stroj (SSEm), vzdevek Baby na univerzi v Manchestru, ki je svoj prvi uspešen začetek delovanja naprave, ki ima spomin program, 21. junij 1948.

EDSAC s Univerze Cambridge, prvi praktični elektronski računalnik te vrste, se je prvič uspešno začel maja 1949.

Razvoj ustvarjenih modelov

IBM SSEC je bil sposoben pregledati navodila kot podatke in je bil javno predstavljen 27. januarja 1948. Ta sposobnost je bila odobrena v ameriškem patentu. Vendar pa je bil deloma elektromehanski stroj in ni popolnoma elektronski. V praksi so zaradi pomnilniškega pomnilnika prebrali navodila iz papirnega traku.

Baby je bil prvi popolnoma elektronski računalnik za zagon shranjenih programov. On je vodil program faktoringa za 52 minut 21. junija 1948 po začetku enostavnega izračuna razdelitve in izračuna, kar kaže, da sta dve številki relativno prvi.

ENIAC je bil spremenjen, da deluje kot primitivne računalnik za samo za branje, ampak na isti arhitekturi, in so dokazali, 16. septembra 1948, in začetek programa Adele Goldstein organizirana s pomočjo von Neumann.

BINAC je februarja, marca in aprila 1949 izvedel več testnih programov, čeprav do septembra 1949 ni bil zaključen. Poleg tega so se pojavili testi (nekateri uspešni) drugih elektronskih računalnikov, za katere je ta arhitektura neločljiva. Von Neumann, mimogrede, je še naprej delal na projektu Manhattan. To je tako univerzalna oseba.

Razvoj avtobusnega arhitekturnega sistema

Skozi desetletja, že v 60-ih in 70-ih letih, računalnikov na splošno so postali manjši in hitrejši, zaradi česar je razvoj, ki je bil opravljen računalniške arhitekture von Neumann. Na primer, prikaz vhodni in izhodni spomina omogoča ustrezne naprave, podatki in navodila o tem, kako vključiti v sistem, ki bo obdelala, ostanejo v spominu. En bus sistem se lahko uporablja za zagotavljanje modularnega sistema z manj. To se včasih imenuje "racionalizacija" arhitekture. V naslednjih desetletjih, včasih enostavni mikrokontrolerji ne uporabljajo nekatere značilnosti tipičnega modela, da bi zmanjšali stroške in velikost. Toda veliki računalniki sledijo uveljavljeni arhitekturi, saj so dodali funkcije za izboljšanje učinkovitosti.