Von Neumann arkitektura: historia e shfaqjes së afatit

Arkitektura e von Neumann, i njohur gjithashtu si model von Neumann, apo Princeton arkitekturës, bazuar në metodën e përshkruar në vitin 1945, matematikani dhe fizikani John von Neumann në raportin "projekt i parë" të një EDVAC kompjuter.

Arkitektura qark

Raporti përshkroi von Neumann arkitekturës diagramin e kompjuterit elektronik dixhital me pjesët e përbërë nga njësi të përpunimit, i përbërë nga:

• një njësi aritmetik logjikë;
• regjistron te procesor;
• njësia e kontrollit përbëhet nga një udhëzim regjistër dhe program counter;
• a kujtesës për ruajtjen e të dhënave;
• një pajisje e jashtme e magazinimit;
• input dhe output mekanizmave.

Kuptimi i zhvillimit konsistonte në faktin se çdo informacioni i ruajtur në informacionin kompjuter mund të përdoret nga programi, në të cilën operacioni, të dhënat e përzgjedhur nuk mund të luhet në të njëjtën kohë, për shkak se ata ndajnë një autobus të përbashkët. Ajo është përmendur në "draftin e parë", i cili përshkruan mendimin shkencëtar për atë që duhet të jetë arkitektura. Von Neumann e quajti këtë situatë "bela", e cila shpesh kufizon performancën e sistemit.

Parimet e arkitekturës von Neumann

Digital kompjuter - një kompjuter, ruajtjen e një program që përfshin udhëzimet e programit, leximin e të dhënave, me shkrim, dhe gjithashtu përfshin Random Access Memory (RAM). Parimet e Arkitekturës nga John von Neumann përshkruar në veprën e tij "Projekti i parë." Sipas tij, kompjuterat e ruajtura në kujtesën e programit ishin një përmirësim në krahasim me kontrollin e kompjuterëve, të tilla si ENIAC. Ky i fundit ishte i programuar nga vendosjen e çelsin, dhe futje e patch, duke rezultuar në kurs të dhënave dhe kontrollin e sinjaleve ndërmjet blloqeve të ndryshme funksionale. Në shumicën dërrmuese të kujtesës është përdorur edhe nga kompjuterat moderne në këtë mënyrë. Kështu arkitektura kompjuterike von Neumann është e ndryshme, për shembull, nga Harvard, në mënyrë që ajo nuk do të përdorë memorie kryesore dhe cache.

parahistorinë

kompjuterat e parë u dha një program të caktuar. Disa kompjutera shumë të thjeshta ende përdorin këtë dizajn apo për thjeshtësi ose trajnimi qëllime. Për shembull, një makinë llogaritëse desktop është gjithashtu një kompjuter me një program të caktuar. Ajo mund të punojnë me bazat e matematikës, por ajo nuk mund të përdoret si një përpunues teksti , ose një console games. Ndryshimi i programit makinë fikse kërkon rewiring, ristrukturimin ose riorganizimin e aparatit. Kompjuterët hershme nuk ishin aq të ngushta, pasi ato janë zhvilluar për herë të parë dhe për qëllime shkencore. Riprogramimin shfaq shumë më vonë dhe kjo ishte një proces i mundimshëm, që nga diagramet bllok dhe kartëmonedhave dhe duke përfunduar planet e detajuara. Veçanërisht e vështirë ishte procesi i modernizimit të kanaleve rimëkëmbjes makinë fizike. Ajo mund të marrë tre javë instalimin në ENIAC dhe duke u përpjekur për ta bërë atë punë.

Një ide e re

Me një kompjuter, ruajtjen e një program në kujtesë, çdo gjë ndryshoi. Ruajtur në kujtesë, ata janë të projektimit me një grup i udhëzime. Kjo do të thotë se makina mund të menjëherë të marrë një sërë udhëzimeve për të kryer llogaritjet.

Dizajni i programeve të tilla ka të bëjë me kod vetë-modifikuar. Një nga bimët e para për një objekti të tillë ka qenë nevoja për një algoritmi për të rritur ose ndryshe të ndryshojë pjesën adresën e komandave. Ai u vu dorë në planet e hershme. Kjo u bë më pak e rëndësishme, kur regjistrat e indeksit dhe indirekte adresimi bë karakteristika të përbashkëta poseduara nga kompjuteri arkitekturën e makinave John von Neumann. Përdorime të tjera - për të futur të dhënat e përdorura shpesh në rrjedhën e komandave me zgjidhje të menjëhershme. Por kodin e vetë-modifikuar në një masë të madhe ka qenë i kritikuar për shkak se ajo zakonisht është e vështirë për të kuptuar dhe debug. Përveç kësaj, ai gjithashtu provuar të jetë i paefektshëm në kushtet e riprodhimit dhe caching skemat e procesorë moderne.

Në përgjithësi, aftësia për të trajtuar udhëzime si të dhëna - kjo është ajo që e bën montues, hartuesit, montues, ngarkues dhe instrumente të tjera me objekte të mundshme të programimit të automatizuar. Kështu që të flasin, të shkruajnë programe të cilat shkruajnë programe. Në një shkallë më të vogël, input dhe output operacionet e përsëritura intensive, të tilla si manipulime BitBlt-imazhit primitive apo pixel dhe kulm shaders në moderne 3D-graphics, janë gjetur të jetë i paefektshëm për të drejtuar pa pajisje të përdoruesit.

Zhvillimi i një koncepti ruajtur në kujtesën e programit

Matematikan Alan Turing, i cili kishte një interes në problemin e logjikës matematikore pas Max Newman s leksione në Universitetin e Kembrixhit, shkroi një artikull në vitin 1936, ajo u botua në edicionin e Shoqërisë matematike në Londër. Në të, ai përshkroi një makinë hipotetik, të cilën ai e quajti "makine universale informatikë", dhe e cila është e njohur tani si një makine universale Turing. Ajo kishte ruajtjen pafund (në terminologjinë moderne - Memory), i cili përmbante dy udhëzime dhe të dhënat, të cilat u krijua dhe arkitekturën. Von Neumann u njoh me Turing në një kohë kur ai ishte një profesor vizitor në Kembrixh në vitin 1935, dhe në rrjedhën e mbrojtur disertacionin e doktoraturës në Institutin Turing për Advanced Study in Princeton (New Jersey) në 1936-1937.

Në mënyrë të pavarur Ji Presper Eckert dhe Dzhon Mochli, i cili zhvilloi ENIAC Shkollën e Inxhinierisë Elektrike në Universitetin e Pensilvanisë, ka shkruar në lidhje me konceptin e makinës, e cila ruan programin në kujtesën në dhjetor 1943. Kur planifikoni një makinë të re, të EDVAC, Eckert shkroi në janar 1944 se ai do të ruajë të dhënat dhe programet në të ri të pajisjes kujtesës adresueshme përdorur vonesën metalike merkur. Kjo ishte hera e parë ndërtimi i një makine praktikë që ruan programin në kujtesën janë propozuar. Në të njëjtën kohë, ai dhe Mauchly nuk ishin në dijeni për punën e Turing (foto më poshtë).

Arkitektura Kompjuter: Parimi Von Neumann

Von Neumann ishte i përfshirë në "Projektin Manhattan" në Laboratorin Kombëtar në Los Alamos, e cila kërkonte një sasi të madhe të llogaritje. Ajo tërhoqi atë në projektin në verën e 1944 ENIAC. Atje ai u bashkua me diskutimet në kompjuter zhvillimin EDVAC. Brenda këtij grupi, ai i shkroi një letër me titull "Një draft raporti i parë mbi EDVAC», bazuar në punën e Eckert dhe Mauchly. Ajo ishte e papërfunduar kur projekt kolegu i tij Goldstein shpërndarë me von Neumann (nga rruga, Eckert dhe Mauchly ishin të habitur këtë lajm). Ky dokument është lexuar nga dhjetra kolegë të von Neumann në Amerikë dhe Evropë dhe ka pasur një ndikim të thellë në fazën e ardhshme të zhvillimit të kompjuterit.

Parimet themelore të arkitekturës von Neumann, siç është përcaktuar në "draftit të parë," fitoi popullaritet të gjerë, ndërsa Turing mbuluar raportin e saj në makinë llogaritëse elektronike, e cila është përshkruar në detaje në inxhinieri dhe programimin. Ajo ka qenë e deklaruar dhe prezantimi i makinës së autorit, e cila u quajt Automatic Computing Engine (e ACE). Ai e paraqiti atë në komitetin ekzekutiv të Laboratorit Fizik Kombëtar britanike në vitin 1946. Pas një kohë, edhe zbatimi i suksesshëm i dizajne të ndryshme ACE janë prodhuar.

Filloni projekte

Dhe projekti i von Neumann dhe Turing dokumenteve përshkruan një kompjuter ruajtjen në kujtesë një program të veçantë, por artikulli Von Neumann arritur qarkullimin më të madh në shoqëri, dhe arkitektura kompjuterike u bë i njohur si arkitektura John von Neumann.

Në vitin 1945, Profesor Neumann, i cili më pas ka punuar në shkollën e inxhinierisë në Filadelfia, ku ai së pari ENIAC është ndërtuar, të lëshuar në emër të kolegëve të tij raportojnë në hartimin logjik të kompjuterëve digjital. Raporti ofron një propozim mjaft të detajuar për ndërtimin e makinës, e cila ka bërë që njihet si EDVAC. Ajo kishte vetëm kohët e fundit janë themeluar në Amerikë, por një raport ka frymëzuar krijimin e von Neumann EDSAC.

Maniacs dhe Joniacs

Në vitin 1947, Burks, Goldstein dhe von Neumann publikuar një raport i cili mbuluar ndërtimin e një tjetër lloj të makinave (këtë herë paralel), i cili është dashur të jetë jashtëzakonisht të shpejtë, të aftë, ndoshta, për të kryer deri në 20.000 operacione për sekondë. Ata vunë në dukje se problemi i pazgjidhur në ndërtimin e saj ishte zhvillimi i një kujtim të përshtatshëm, të gjithë përmbajtja e të cilat duhet të jenë menjëherë në dispozicion. Së pari, ata propozuan që të përdorin një tub të veçantë vakum, i quajtur SELECTRON, e cila ishte shpikur në laborator Princeton. tuba të tilla janë të shtrenjta, dhe t'i bëjë ata shumë e vështirë, veçanërisht nëse ju jeni duke përdorur këtë arkitekturë. Von Neumann më pas vendosi për të ndërtuar një makinë të bazuar në kujtesën e Williams-së. Kjo makinë, e cila përfundoi në qershor 1952 në Princeton, është bërë i njohur gjerësisht maniak (ose vetëm Maniacs). Dizajni i tij është frymëzuar nga krijuesit në ndërtimin e gjysmë-duzinë apo më shumë pajisje të ngjashme, të cilat tani janë duke u ndërtuar në Amerikë dhe quajtur Johniacs komik.

parimet e krijimit

Një nga më të kompjuterëve modern dixhital, që përfshin zhvillimin dhe përmirësimin në teknikën e llogaritjes automatike elektronike është demonstruar në Laboratorit Fizik Kombëtar në Teddington, ku ajo është projektuar dhe ndërtuar nga një grup i vogël i Matematikanë, inxhinierë dhe inxhinierë kërkimore, me ndihmën e një numri të inxhinierë të prodhimit nga anglisht Electric Company Ltd Pajisjeve është ende në laborator, por vetëm si një prototip të një fabrikë shumë më të madh, i cili është i njohur si Computing Engine Automatik. Por, pavarësisht nga pesha relativisht të vogël dhe përmbajtjen e vetëm 800 valvulave thermionic, ajo është një makinë shumë e shpejtë dhe të gjithanshëm të numërimit.

Konceptet themelore dhe parimet abstrakte llogaritjen përdorur makina janë formuluar nga Dr. Turing mbi bazën e të njëjtit Shoqërisë matematike në Londër në vitin 1936, por punojnë në makina të tilla në Britani të Madhe është vonuar nga lufta. Në vitin 1945, shqyrtimi i problemeve të krijimit pajisje të tilla vazhduan në Laboratorin Kombëtar Fizike Dr. Vormsli, shefit të Departamentit të matematikës Laboratorit. Ai u bashkua me Turing dhe ekipin e tij të vogël të ekspertëve, dhe në 1947 planifikimit paraprak ishte mjaft i avancuar për të justifikuar ngritjen e një grupi të veçantë.

kompjuterat e parë në arkitekturën e von Neumann

Projekti i parë përshkruan një skemë që është përdorur nga shumë universitete dhe korporatat për të ndërtuar kompjuterët e tyre. Midis tyre, vetëm ILLIAC ORDVAC dhe të ketë grupe të pajtueshme Udhëzim.

Klasike Arkitektura von Neumann u mishëruar në Manchester makinë të vogël eksperimental (SSEM), me nofkën Foshnja në Universitetin e Mançesterit, i cili bëri fillimin e tij të parë të suksesshëm të pajisjes që mban kujtimin e programit, 21 qershor 1948.

EDSAC Universiteti i Kembrixhit, i pari kompjuter praktike elektronik i këtij lloji, është lansuar me sukses për herë të parë në maj 1949.

Zhvillimi i modeleve të krijuara

IBM SSEC pasur mundësinë të marrin në konsideratë udhëzimet si të dhëna dhe u shfaq publikisht 27 janar 1948. Kjo aftësi është afirmuar në SHBA Pat. Megjithatë, ajo ishte makinë pjesërisht elektromekanike, më tepër se një elektronike plotësisht. Në praktikë, udhëzimet janë lexuar nga shirit letre për shkak të kujtesës së saj të kufizuar.

Foshnja ishte i pari kompjuter plotësisht elektronik për të drejtuar programet e ruajtura. Ajo program factoring vrapoi për 52 minuta, 21 qershor 1948, pas fillimit dhe një llogaritje e thjeshtë e ndarë llogaritjen e cila tregon se të dy numrat janë coprime.

ENIAC ishte modifikuar për të punuar si një kompjuter primitive për read-only, por në të njëjtën arkitekturë, dhe ka qenë i demonstruar nga 16 shtator 1948, dhe nisjen e programit Adele Goldstein organizuar me ndihmën e von Neumann.

BINAC kaloi disa programe testimit në shkurt, mars dhe prill të vitit 1949, edhe pse ajo nuk është përfunduar deri në shtator 1949. Përveç kësaj, shkon e testit janë kryer (disa suksesshme) kompjutera të tjera elektronike, e cila është karakteristikë e arkitekturës. Von Neumann, nga rruga, dhe vazhdoi të punojë në projektin "Manhattan". Kjo është një njeri i tillë i gjithanshëm.

Evolucioni i arkitekturës së sistemit autobus

Përmes dekadave, tashmë në 60 dhe 70, kompjutera në përgjithësi janë bërë më të vogla dhe më të shpejtë, duke rezultuar në një evolucion që ka pësuar arkitekturën e kompjuterit von Neumann. Për shembull, ekran i input dhe output kujtesës lejon përkatëse pajisjet, të dhënat, dhe udhëzime se si të integrohen në sistemin e të cilat do të përpunohen, mbetet në kujtesën. Një sistem autobus mund të përdoret për të siguruar një sistem modular me të vogla. Kjo është quajtur nganjëherë "racionalizimit" të arkitekturës. Në dekadat e mëvonshme, nganjëherë microcontrollers thjeshta nuk përdorin disa karakteristika të një modeli tipik, me qëllim për të ulur koston dhe madhësinë. Por kompjutera mëdha ndiqni arkitekturën themeluar, pasi ata kanë shtuar karakteristika të përmirësuar performancën.