ארכיטקטורת פון נוימן: ההיסטוריה של התרחשות של המונח

הארכיטקטורה של פון נוימן, המכונה גם מודל פון נוימן, או אדריכלות בפרינסטון, המבוסס על השיטה המתוארת 1945, מתמטיקאי ופיזיקאי ג'ון פון נוימן בדו"ח "הטיוטה הראשונה" של EDVAC המחשב.

הארכיטקטורה מעגל

הדו"ח תאר את הדיאגרמה ארכיטקטורת פון נוימן של המחשב הדיגיטלי האלקטרוני עם חלקים המורכב יחידות עיבוד, הכולל:

• יחידה לוגיקה אריתמטיות;
• רושם של המעבד;
• יחידת השליטה המהווה קופת הוראת דלפק התכנית;
• זיכרון לאחסון נתונים;
• התקן אחסון חיצוני;
• מנגנוני קלט ופלט.

המשמעות של פיתוח מורכב בעובדה כי כל מידע המאוחסן על המידע במחשב יכול להיות בשימוש על ידי התכנית, שבה הניתוח, את הנתונים שנבחרו לא ניתן לשחק בו זמנית, משום שהם לשתף אוטובוס משותף. זה מוזכר "הטיוטה הראשונה", אשר מתארת את מחשבת המדען על מה אדריכלות צריכה להיות. פון נוימן נקרא המצב הזה "צוואר הבקבוק", אשר לעתים קרובות מגביל את הביצועים של המערכת.

העקרונות של ארכיטקטורת פון נוימן

מחשב דיגיטלי - מחשב, אחסון תוכנית כוללת הוראות התוכנית, קריאת הנתונים, בכתיבה, וכולל גם זיכרון גישה אקראית (RAM). עקרונות של אדריכלות ידי ג'ון פון נוימן שתוארו בעבודתו "הפרויקט הראשון." לדבריו, מחשבים המאוחסן בזיכרון התוכנית היו שיפור פני השלט של מחשבים, כגון ENIAC. זה האחרון היה מתוכנת על ידי קביעת המתגים, ואת הכניסה של התיקון, וכתוצאה מכך ניתוב אותות נתונים ובקרה בין בלוקים הפונקציונליים השונים. ברוב מכריע הזיכרון משמש גם על ידי מחשבים מודרניים בדרך זו. לפיכך אדריכלות המחשב פון נוימן הוא שונה, למשל, מאוניברסיטת הארוורד, כך שזה לא להשתמש בזיכרון הראשי מטמון.

הפרהיסטוריה

המחשבים הראשונים ניתנו תכנית קבועה. מחשבים מסוימים מאוד פשוט עדיין להשתמש בעיצוב הזה או למטרות הפשטות או הכשרה. לדוגמה, מחשבון שולחני גם מחשב עם תוכנית קבועה. זה יכול לעבוד עם היסודות של המתמטיקה, אבל זה לא יכול לשמש במעבד תמלילים , או קונסולת משחקים. שינוי התכנית במכונית הקבועה דורש חיווט מחדש, ארגון מחדש או ארגון מחדש של המנגנון. המחשבים המוקדמים לא היו כל כך צרים, כפי שהם פותחו לראשונה ולמטרות מדעיות. תכנות מחדש הופיע הרבה יותר מאוחר וזה היה תהליך מייגע, מאז דיאגרמות הבלוק ושטרות ועיצובים מפורטים לסיום. במיוחד קשה היה תהליך של מודרניזציה של ערוצי התאוששות מכונה פיזית. זה עלול לקחת התקנת שלושה שבועות על ENIAC ומנסה לגרום לזה לעבוד.

רעיון חדש

עם מחשב, אחסון תוכנית לזכרו, הכל השתנה. המאוחסן בזיכרון, הם עיצוב עם סט של הוראות. משמעות הדבר היא כי המכונה יכולה מיד לקבל קבוצה של הוראות לביצוע חישובים.

העיצוב של תוכניות כאלה מתייחס לקוד שינוי העצמי. אחד הצמחים הראשונים עבור אובייקט כזה היה צורך באלגוריתם כדי להגדיל או אחר לשנות את חלק הכתובת של פקודות. הוא הוצב באופן ידני בעיצובים מוקדם. זה הפך פחות חשוב כאשר רושם מדד ועקיף פונה הפך מאפיינים משותפים אשר בידי אדריכלות המחשב של מכונות ג'ון פון נוימן. שימושים אחרים - להכניס נתונים שבשימוש תדיר בזרם של פקודות עם פתרונות מיידיים. אבל את הקוד שינוי עצמי במידה רבה נמתחה ביקורת כי זה בדרך כלל קשה להבין באגים. בנוסף, הוא גם הוכיח שהוא יעיל מבחינת תוכניות רבייה במטמון של מעבדים מודרניים.

באופן כללי, את היכולת לטפל הוראות כנתונים - זה מה שעושה מאספים, מהדרים, מאספים, מעמיסי מכשירים אחרים עם אובייקטים אפשריים של תכנות אוטומטי. אז לדבר, לכתוב תוכניות לכתוב תוכניות. בקנה מידה קטן יותר, פעולות קלט ופלט אינטנסיביות פעמיות, כגון מניפולציות BitBlt הדימוי או פרימיטיביות shaders פיקסל הקודקוד ב 3D-גרפיקה מודרנית, נמצאו הכלא יעיל לרוץ בלי ציוד משתמשים.

פיתוח קונספט המאוחסן בזיכרון התוכנית

מתמטיקאי אלן טיורינג, אשר היה מעוניין הבעיה של לוגיקה מתמטית לאחר ההרצאות של מקס ניומן מאוניברסיטת קיימברידג ', כתב מאמר ב 1936, פורסם במהדורה של חברה בלונדון מתמטית. בחודש זה, הוא תיאר מכונה היפותטית, שאותו כינה "מכונת חישוב אוניברסלית", ואשר שמכונה כיום מכונת טיורינג אוניברסלית. היא היתה אחסון אינסופי (בטרמינולוגיה מודרנית - זיכרון), שהכיל שתי הוראות ונתונים, אשר נוצרה ואת הארכיטקטורה. פון נוימן התוודעו טיורינג בכל פעם כשהוא היה פרופסור אורח באוניברסיטת קיימברידג 'בשנת 1935, ובמהלך להגן עבודת הדוקטורט שלו במכון טיורינג ללימודים מתקדמים בפרינסטון (ניו ג'רזי) ב 1936-1937.

עצמאי ג'י Presper אקרט ו Dzhon Mochli, שפיתח ביה"ס ENIAC להנדסת חשמל באוניברסיטת פנסילבניה, כתב על הקונספט של המכונה, אשר מאחסן את תוכנית לזכרו בדצמבר 1943. כאשר מתכנן מכונית חדשה, EDVAC, אקרט כתב בינואר 1944, כי זה יהיה לאחסן את הנתונים ותוכניות בזיכרון המכשיר החדש יכול לטפל באמצעות עיכוב כספי מתכתי. זו הייתה הפעם הראשונה בבנייה מכונה בפועל המאחסן את התכנית לזכרו הוצעה. במקביל, הוא Mauchly לא היו מודעים העבודה של טיורינג (בתמונה למטה).

ארכיטקטורת מחשב: עיקרון פון נוימן

פון נוימן היה מעורב "פרויקט מנהטן" במעבדה הלאומית בלוס אלמוס, אשר דרושה מידה רבה של חישוב עצום. זה משך אותו לפרויקט בקיץ 1944, את ENIAC. שם הצטרף לדיונים על מחשב הפיתוח EDVAC. בתוך קבוצה זו, הוא כתב מאמר תחת הכותרת "דו"ח הטיוטה ראשון על EDVAC», מבוסס על העבודה של אקרט ו Mauchly. זה היה גמור כאשר עמיתו גולדשטיין מופץ פרויקט עם פון נוימן (אגב, אקרט ו Mauchly היו המומים הידיעה הזאת). מסמך זה כבר לקרוא על ידי עשרות עמיתים פון נוימן באמריקה ובאירופה הייתה השפעה עמוקה על השלב הבא של התפתחות המחשב.

העקרונות הבסיסיים של ארכיטקטורת פון נוימן, כפי שנקבעו "הטיוטה הראשונה," לפופולריות רחבה, תוך טיורינג מכוסה הדו"ח שלה על המחשבון האלקטרוני, אשר תואר בפירוט ההנדסה ותכנות. זה כבר נאמר והצגה של המכונית של המחבר, אשר נקראה מנוע המחשוב האוטומטי (ACE). הוא הציג אותה בפני הוועד הפועל של המעבדה הלאומית לפיזיקה הבריטית 1946. לאחר זמן מה אף היישום המוצלח של עיצובי ACE השונים יוצר.

התחל פרויקטים

והפרויקט של מסמכי פון נוימן ו טיורינג מתאר מחשב לאחסון בזיכרון תכנית ספציפית, אבל הכתבה פון נוימן הושג במחזור גדול בחברה, ואדריכלות מחשב נודעה בשם אדריכלות ג'ון פון נוימן.

בשנת 1945, פרופ 'נוימן, אשר לאחר מכן עבד בבית ספר ההנדסה בפילדלפיה, שם הוא ראשון ENIAC נבנה, הוציא מטעם ועמיתיו מדווח על העיצוב הלוגי של מחשבים דיגיטליים. הדוח מספק הצעה מפורטת למדי לבניית המכונה, שהפכה מאז המכונה EDVAC. היא רק לאחרונה הוקמה באמריקה, אבל דו"ח נתן השראה ליצירתו של פון נוימן EDSAC.

מטורפים ו Joniacs

בשנת 1947, Burks, גולדשטיין פון נוימן פרסמו דו"ח אחר שכיסה את הבנייה של סוג אחר של מכונית (מקבילת פעם), אשר היה אמור להיות מהיר מאוד, מסוגל, אולי, כדי לשאת עד 20,000 פעולות בשנייה. הם ציינו כי הבעיה הבלתי פתורה בבניית זה היה פיתוח של זיכרון מתאים, כל תוכן אשר חייב להיות זמין באופן מיידי. ראשית, הם הציעו להשתמש בצינור ואקום מיוחד, שנקרא Selectron, אשר הומצא במעבדת פרינסטון. צינורות כאלה הם יקרים, ולגרום להם קשה מאוד, במיוחד אם אתה משתמש בארכיטקטורה זו. פון נוימן מכן החליט לבנות מכונית המבוססת על הזיכרון של וויליאמס. מכונה זו, אשר הושלמה ביוני 1952 בפרינסטון, הפכה מניאק ידוע (או סתם מטורפים). העיצוב שלה הוא בהשראת היוצרים על הבנייה של חצי תריסר או מכשירים דומים יותר, אשר כעת נבנים באמריקה וקרא Johniacs קומיקס.

עקרונות יצירה

אחד המחשבים הדיגיטליים המודרניים ביותר, המגלמת פיתוח ושיפור הטכניקה של חישוב אלקטרוני האוטומטי הוכח במעבדה הלאומית לפיזיקה בשנת טדינגטון, שם הוא תוכנן ונבנה על ידי קבוצה קטנה של מתמטיקאים, מהנדסי מחקר, בסיוע של מספר מהנדסי ייצור של חשמל אנגלית החברה בע"מ הציוד עדיין במעבדה, אבל רק בתור אב טיפוס של מפעל גדול בהרבה, אשר ידוע בתור מנוע המחשוב האוטומטי. אבל, למרות המשקל יחסית קטן והתוכן של רק 800 שסתומים תרמיונית, הוא מכונה לספירה מהר מאוד תכליתי.

חישוב מושגים ועקרונות מופשטים בסיסיים באמצעות מכונות שגובש על ידי ד"ר טיורינג על הבסיס אותה החברה בלונדון המתמטית ב 1936, אבל לעבוד על מכונות כאלה בבריטניה נדחה על ידי המלחמה. בשנת 1945, בחינת הבעיות של יצירת מכשירים כאלה המשיכו במעבדה הלאומית לפיסיקה ד"ר Vormsli, הממונה על המחלקה מעבדה מתמטיקה. הוא הצטרף טיורינג וצוות הקטן שלו של מומחים, וכדי התכנון הראשוני 1947 היה מתקדם מספיק כדי להצדיק את הקמת קבוצה מיוחדת.

המחשבים הראשונים על ארכיטקטורת פון נוימן

הפרויקט הראשון מתאר תוכנית אשר נוצל על ידי רבים אוניברסיטאות וחברות לבנות מחשבים משלהם. ביניהם, רק ILLIAC ORDVAC ויש קבוצות הדרכה תואמות.

אדריכלות קלאסית פון נוימן התגלם מכונה ניסיונית קטנה מנצ'סטר (SSEM), המכונה בייבי באוניברסיטת מנצ'סטר, מה שגרם ההשקה המוצלחת הראשונה שלה של מכשיר שמכיל את הזיכרון התוכנית, 21 ביוני 1948.

EDSAC אוניברסיטת קיימברידג ', המחשב האלקטרוני הראשון מעשית מסוג זה, הושק לראשונה בהצלחה מאי 1949.

הפיתוח של מודלים שנוצרו

יבמ SSEC היתה הזדמנות לשקול את ההוראות כפי נתונים הוצג בפומבי 27 בינואר 1948. יכולת זו אשרה בארה"ב פט. עם זאת, זה היה חלקי מכונה אלקטרו-מכני, ולא אלקטרוני מלא. בפועל, את ההוראות נקראו מקלטות נייר בגלל הזיכרון המוגבל שלה.

בייבי היה המחשב האלקטרוני הראשון במלואו כדי להפעיל את התוכניות המאוחסנות. זה תכנית הפקטורינג רץ במשך 52 דקות, 21 ביוני 1948, לאחר התחלת חישוב פשוט חלוקת החישוב אשר מראה כי שני המספרים הם coprime.

ENIAC שונתה לעבוד כמחשב פרימיטיבי עבור לקריאה בלבד, אלא על אותה ארכיטקטורה, ו הודגמה ב -16 בספטמבר 1948, והשקת תוכנית אדל גולדשטיין מאורגן בעזרת פון נוימן.

BINAC בילה מספר תוכניות בדיקה בפברואר, מרץ ואפריל 1949, למרות שזה לא הושלם עד ספטמבר 1949. בנוסף, ריצות מבחן בוצעו (חלקם מוצלחים) מחשבים אלקטרוניים אחרים, אשר מאפיין את האדריכלות. פון נוימן, אגב, והמשיך לעבוד על הפרויקט "מנהטן". זה כזה איש תכליתי.

אבולוציה של ארכיטקטורת מערכת אוטובוסים

במשך עשרות השנים, כבר בשנות ה -60 וה -70, המחשבים בכלל הפכו קטנות ומהירות יותר, וכתוצאה מכך שהאבולוציה עברה ארכיטקטורת המחשב פון נוימן. לדוגמא, התצוגה של זיכרון הקלט ופלט מאפשרת מכשירים, הנתונים היחסיים, וההוראות כיצד להשתלב במערכת אשר תעובד, להישאר בזיכרון. מערכת אוטובוסים ניתן להשתמש כדי לספק מערכת מודולרית עם קטן. זו נקראת לעתים "רציונליזציה" של האדריכלות. בעשורים שלאחר מכן, לפעמים מיקרו-בקרים פשוטים לא להשתמש בחלק מהתכונות של דגם טיפוסי כדי להפחית את העלות והגודל. אבל מחשבים גדולים בצעו את הארכיטקטורה הוקמה, כפי שהם הוסיפו תכונות כדי לשפר את הביצועים.