Von Neumanni arhitektuur: mõiste päritolu ajalugu

NeuManni masina arhitektuur , mida tuntakse ka von Neumanni mudelina või Princetoni arhitektuuri, põhineb 1945. aastal matemaatik ja füsiist John von Neumanni poolt EDVAC-i arvuti "First Project" raporti osana kirjeldatud meetodil.

Arhitektuuri ülevaade

Von Neumanni raportis kirjeldati elektroonilise digitaalarvuti arhitektuurskeemi koos osadega, mis koosnes töötlemisüksustest, mis sisaldasid:

• Aritmeetika-loogikaüksus;
• Protsessori registrid;
• Juhtimisüksus, mis sisaldab käskude registrit ja käskude loendurit;
• Salvestusseade andmete salvestamiseks;
• Väline salvestusseade;
• Sisendi ja väljundi mehhanismid.

Arengu tähendus oli see, et igasugust arvutist salvestatud teavet võiks kasutada programm, milles valitud operatsiooni andmeid ei saa korraga esitada, kuna neil on ühine buss. Seda mainitakse "Esimeses projektis", mis kirjeldab teadlaste mõtteid selle kohta, milline arhitektuur peaks olema. Von Neumann nimetas seda olukorda "pudelikaelaks", mis sageli piirab süsteemi jõudlust.

Von Neumanni arhitektuuri põhimõtted

Digitaalarvuti on arvuti, mis salvestab programmi, mis sisaldab programmi juhiseid, andmeid lugemiseks ja kirjutamiseks ning sisaldab ka pistelmälu (RAM). Johannes von Neumanni arhitektuuri põhimõtted on toodud ka tema töös "Esimene projekt". Tema sõnul oli arvutitega, mille mällu salvestatud programm oli, arvutite juhtimise paranemine, nagu ENIAC. Viimati programmeeriti, seadistage lülitid ja lisades plaastri, mis viib erinevate funktsiooniblokkide vahel andmevahetuse ja juhtimissignaalide juurde. Enamikus kaasaegsetes arvutites kasutatakse mälu ka sarnasel viisil. Sellisel juhul erineb von Neumanni arvuti arhitektuur näiteks Harvardist, kuna ta kasutab mitte peamist, vaid vahemälu.

Eelajalooline

Esimestel arvutitel oli fikseeritud programmid fikseeritud. Mõned väga lihtsad arvutid kasutavad seda disaini kas lihtsaks või haridusalastel eesmärkidel. Näiteks on lauaarvuti kalkulaator fikseeritud programmiga arvuti. See võib töötada matemaatika alustega, kuid seda ei saa kasutada tekstitöötluse või mängukonsoolina. Masina püsiprogrammi muutmine nõuab masina taasinstallimist, ümberkorraldamist või ümberkorraldamist. Varasemad arvutid ei olnud nii kitsamad, sest need töötati välja esimest korda teaduslikel eesmärkidel. Reprogrammimine tundus palju hiljem, ja see oli aeganõudev protsess, alustades plokkdiagrammidest ja paberarvedatest ning lõpetades üksikasjalike tehniliste projektidega. Eriti raske oli masina taastamise kanalite füüsilise moderniseerimise protsess. ENIACi programmi installimiseks võib kuluda kolm nädalat ja proovige seda tööle panna.

Uus idee

Mäluprogrammide salvestamiseks mõeldud arvutite soovitusega kõik muutus. Mällu salvestatud kujundus on juhendite komplekt. Seega saab masin kohe käskude arvu teha arvutuste tegemiseks.

Selliste programmide disain viitab enesekonventsionaalseid koode. Sellise objekti üheks esimeseks seadistuseks oli vajadus algoritmi järele, et käskude aadressi osa suurendada või muul viisil muuta. See tehti käsitsi esialgsetes projektides. See muutus vähem tähtsaks, kui indeksregistrid ja kaudne adresseerimine muutusid John von Neumanni arvuti arvuti arhitektuuri tavapäraseks omaduseks. Teine võimalus on kasutada sageli kasutatavaid andmeid käskuvoolu abil, kasutades kohest lahendust. Kuid ennast muutvat koodi on tõsiselt kritiseeritud, sest seda on tavaliselt raske mõista ja siluda. Lisaks oli see ka tänapäevaste töötlejate taasesitamise ja vahemällu salvestamise skooride puhul ebaefektiivne.

Üldiselt on suutlikkus käsitleda juhiseid andmetega, mida koostajad, kompileerijad, ehitajate, laadijate ja muude võimalike automatiseeritud programmeerimisobjektidega tööriistad teevad. Nii et öelge, kirjutame programme, mis kirjutavad programme. Väiksemas ulatuses on korduvad intensiivsed sisend- ja väljundoperatsioonid, nagu näiteks BitBlti manipulatsioonid primitiivsete või pikslite ja tipujälgede piltidega kaasaegses 3D-graafikus, on töötavate kasutajaseadmetega ebatõhusad.

Mällu salvestatud programmi kontseptsiooni väljatöötamine

Matemaatik Alan Turing, kes oli huvitatud matemaatilise loogika probleemist pärast Maxi Newmani loengut Cambridge'i ülikoolis, kirjutas artikli 1936. aastal, see avaldati Londoni matemaatilise ühiskonna väljaandes. Selles kirjeldas ta hüpoteetilisi masinaid, mida ta nimetas "universaalseks arvutusmasinaks" ja mida nüüd tuntakse universaalse Turingi masinana. Tal oli lõputu ladu (kaasaegses terminoloogias - mälu), mis sisaldas nii juhiseid kui ka andmeid, mille jaoks antud arhitektuur loodi. Von Neumann kohtus Turingiga ajal, mil ta oli külalisprofessor Cambridge'is 1935. aastal, ja kaitses oma doktoriväitekirja Turingi Princetoni (NJ) kõrgemate uuringute instituudis aastatel 1936-1937.

Sõltumata üksteisest kirjutasid Ji Presper Eckert ja John Mauchly, kes töötasid välja ENIACi Pennsylvania ülikooli elektrotehnikakoolis, kirjutama masina kontseptsiooni kohta, mis salvestas programmi mällu 1943. aasta detsembris. Uue masina EDVAC kavandamisel kirjutas Eckert jaanuaris 1944, et ta salvestab andmeid ja programme uues seadmes, kus on mälukaarte, viies metallilise elavhõbeda. See oli esimene kord, kui tehti ettepanek mäluprogrammi talletanud masina ehitamiseks. Samal ajal ei olnud ta ja Mauchly Turingi töös teadlikud (foto allpool).

Arvutikorraldus: von Neumanni põhimõte

Von Neumann osales Manhattani projektis Los Alamose riiklikus laboris, kus oli vaja palju arvutusi. See meelitas teda ENIAC-i projekti 1944. aasta suvel. Seal käis ta arutelusid EDVACi arvuti arendamise üle. Selle grupi raames koostas ta Eckerti ja Mauchly töö põhjal paberi pealkirjaga "Esimene EDVACi raporti projekt". See oli puudulik, kui tema kolleeg Goldshein levitas projekti nimega von Neumann (muide, Eckert ja Mauchly olid need uudised hämmeldunud). Seda dokumenti luges kümneid von Neumanni kolleege Ameerikas ja Euroopas ning see mõjutas oluliselt arvutiarenduse järgmist etappi.

Esimeses projektis esitatud von Neumanni arhitektuuri põhiprintsiibid said suure populaarsuse, samas kui Turing kattis oma raporti elektroonilisel kalkulaatoril, mida üksikasjalikult kirjeldati inseneri- ja programmeerimisel. See sisaldas masina autori ettekannet, mida nimetati automaatse arvutite mootoriks (ACE). Ta esitas selle Briti rahvusliku füüsilise laboratooriumi täitevkomiteele 1946. aastal. Mõne aja pärast tehti isegi erinevad edukad rakendused ACE disainis.

Projekti elluviimise algus

Mõlemad von Neumanni disain ja Turingi dokumendid kirjeldasid arvutit, mis salvestavad teatud programmi mällu, kuid von Neumanni artikkel jõudis suurema ringlusse ühiskonnas ja arvuti arhitektuur sai tuntud kui John von Neumanni arhitektuur.

1945. aastal esitas professor Neumann, kes seejärel töötas Philadelphia insenerikoolis, kus ehitati esimene ENIAC, välja kolleegide rühma nimel digitaalarvutite loogilise kujundamise aruande. Aruanne sisaldab üsna üksikasjalikku ettepanekut masina kujundamiseks, mis on sellest ajast alates saanud teada EDVAC-st. See oli alles hiljuti loodud Ameerikas, kuid aruanne innustas von Neumanni EDSACi loomiseks.

Maniacs ja Joniacs

1947. aastal avaldasid Berks, Goldstein ja von Neumann veel ühe raporti, milles käsitleti teise tüüpi masina (praegusel ajal paralleelselt) ehitamist, mis pidid olema äärmiselt kiire ja suutelised läbima kuni 20 000 operatsiooni sekundis. Nad märkisid, et selle lahendamisel tekkinud lahendamata probleem oli sobiva mälu väljaarendamine, mille kogu sisu peaks olema kohe kättesaadav. Esiteks soovitasid nad Princetoni laboris välja töötada spetsiaalse vaakumpumbri, mida nimetatakse Selectroniks. Sellised torud olid kallid ja muudavad need väga keeruliseks, eriti kui seda arhitektuuri kasutatakse. Von Neumann otsustas seejärel ehitada Williamsi mälu põhineva masina. See masin, mis valmis Princetoni juunis 1952, sai laialdaselt teada MANIAC (või lihtsalt Maniacs). Selle disain inspireeris loojaid kujundama pool tosinat või enam sarnast seadet, mis on praegu Ameerikas ehitatud ja mida kutsutakse koomiliselt Johniacaks.

Loomise põhimõtted

Üks tänapäevasemaid digitaalseid arvuteid, mis sisaldas automaatsete elektrooniliste arvutite tehnoloogiate arengut ja täiustusi, näidati Teddingtoni riiklikus füüsilises laboris, kus seda kavandas ja ehitas väike matemaatikute, elektroonikainseneride ja teadlaste rühm, abistades mitut British Electrici tootmisinsenerit Company Ltd. Seadmed on endiselt laboris, kuid ainult kui palju suurema paigaldise prototüübiks, mida nimetatakse automaatse arvutite mootoriks. Kuid vaatamata suhteliselt väikesele massile ja ainult 800 termoelektrilise ventiili sisaldusele, on see väga kiire ja universaalne loendusmasin.

Masinaga arvutamise põhikontseptsioone ja abstraktseid põhimõtteid sõnastas dr Turing sama Londoni matemaatikaühingu baasil juba 1936. aastal, kuid sõda sellistele masinatele Ühendkuningriigis tööle lükkas. 1945. aastal jätkati selliste seadmete loomise probleemide uurimist riiklikus füüsikalises laboris dr Vormsley, matemaatika osakonna laboratooriumi ülemkantsler. Ta liitus Turingiga oma väikese spetsialistidega ja 1947. aastaks kujundati ettevalmistav ettevalmistus erirühma loomiseks.

Esimesed arvutid von Neumanni arhitektuuril

Esimene projekt kirjeldab skeemi, mida paljud ettevõtted ja ülikoolid oma arvuteid kasutavad. Nende seas olid ainult ILLIAC ja ORDVAC ühilduvad juhistekomplektid.

Klassikaline von Neumanni arhitektuur kehastati Manchesteri väikese eksperimentaalse masina (SSEM) nimega Baby alates Manchesteri Ülikoolist, mis tegi oma esimese eduka käivitamise kui seade, mis salvestas programmi mällu 21. juunil 1948.

1949. aasta mai edukas esmakordselt käivitati Cambridge'i ülikooli EDSAC, esimene selline praktiline elektrooniline arvuti.

Loodud mudeleid

IBM-i SSEC-l oli võimalus vaadata juhiseid andmetega ja avalikustada seda 27. jaanuaril 1948. See võime kinnitati USA patendis. Kuid see oli osaliselt elektromehaaniline masin, mitte täielikult elektrooniline. Praktilisi juhiseid lugesid paberilibast selle piiratud mälu tõttu.

Baby oli esimene täielikult elektrooniline arvutis salvestatud programmide käitamiseks. Ta jooksis faktooringuprogrammi 52. minutiks 21. juunil 1948. aastal pärast jagunemise ja arvutamise lihtsa arvutuse alustamist, mis näitab, et kaks numbrit on suhteliselt peamised.

ENIAC-i kasutati modifitseerituna selleks, et toimida pigem primitiivse arvutiga ainult lugemiseks, kuid sama arhitektuuri jaoks, mida näidati 16. septembril 1948, ja programmi von Neumanni abil korraldatud programmi käivitamine Adel Goldstein.

Veebruaril, märtsis ja aprillis 1949 viidi BINAC läbi mitu testiprogrammi, kuigi see ei olnud veel lõpule jõudmas kuni septembrini 1949. Lisaks sellele viidi läbi ka teiste elektrooniliste arvuteid, mille jaoks selline arhitektuur on omane. Muide, von Neumann jätkas Manhattani projekti tööd. See on nii universaalne inimene.

Bussistruktuuri süsteemi areng

Aastakümnetel, juba 60ndatel ja 70ndatel, hakkasid arvutid tervikuna muutuma väiksemaks ja kiiremaks, mis viinud mõningatele arengutele, mis allub von Neumanni arvutiarhitektuurile. Näiteks sisendi ja väljundmälu ekraan võimaldab töödelda süsteemiga integreerimiseks vastavaid seadmeid, andmeid ja juhiseid, et jääda mällu. Ühe bussisüsteemi saab kasutada väiksema modulaarse süsteemi pakkumiseks. Seda nimetatakse mõnikord arhitektuuri "ratsionaliseerimiseks". Järgnevatel aastakümnetel ei kasuta lihtsad mikrokontrollerid kulude ja suuruse vähendamiseks mõnikord tüüpilise mudeli mõningaid funktsioone. Kuid suured arvutid järgivad loodud arhitektuuri, kuna nad lisasid funktsioone tulemuste parandamiseks.