Von Neumann αρχιτεκτονική: ιστορία της εμφάνισης του όρου

Η αρχιτεκτονική του von Neumann, επίσης γνωστή ως το μοντέλο von Neumann, ή Princeton αρχιτεκτονικής, με βάση τη μέθοδο που περιγράφεται στο 1945, μαθηματικός και φυσικός John von Neumann στην έκθεση «Το πρώτο σχέδιο» του EDVAC υπολογιστή.

Η αρχιτεκτονική κύκλωμα

Η έκθεση περιέγραψε την νοη Neumann αρχιτεκτονική διάγραμμα του ηλεκτρονικού ψηφιακού υπολογιστή με μέρη που αποτελούνται από μονάδες επεξεργασίας, που περιλαμβάνει:

• μια αριθμητική λογική μονάδα?
• μητρώα του επεξεργαστή?
• η μονάδα ελέγχου περιλαμβάνει ένα καταχωρητή εντολών και τον μετρητή προγράμματος?
• μια μνήμη για την αποθήκευση δεδομένων?
• μια εξωτερική συσκευή αποθήκευσης?
• μηχανισμούς εισόδου και εξόδου.

Η έννοια της ανάπτυξης συνίσταται στο γεγονός ότι όλες οι πληροφορίες που αποθηκεύονται στις πληροφορίες του υπολογιστή μπορεί να χρησιμοποιηθεί από το πρόγραμμα, στο οποίο η λειτουργία, τα επιλεγμένα δεδομένα δεν μπορούν να παιχτούν ταυτόχρονα, επειδή μοιράζονται ένα κοινό λεωφορείο. Αναφέρεται στο «πρώτο σχέδιο», το οποίο περιγράφει τον επιστήμονα σκέψη για το τι αρχιτεκτονικής πρέπει να είναι. Von Neumann ονομάζεται αυτή η κατάσταση «συμφόρησης», το οποίο συχνά περιορίζει την απόδοση του συστήματος.

Οι αρχές του von Neumann αρχιτεκτονική

Ψηφιακός υπολογιστής - ένας υπολογιστής, αποθήκευση ένα πρόγραμμα που περιλαμβάνει τις οδηγίες του προγράμματος, η ανάγνωση των δεδομένων, το γράψιμο, και περιλαμβάνει επίσης μνήμη τυχαίας προσπέλασης (RAM). Αρχές της Αρχιτεκτονικής από τον John von Neumann που περιγράφονται στο έργο του «Το πρώτο έργο.» Σύμφωνα με τον ίδιο, οι υπολογιστές είναι αποθηκευμένα στη μνήμη του προγράμματος ήταν η βελτίωση σε σχέση με τον έλεγχο των ηλεκτρονικών υπολογιστών, όπως ENIAC. Η τελευταία προγραμματίστηκε ρυθμίζοντας τους διακόπτες, και εισαγωγή του εμπλάστρου, με αποτέλεσμα την δρομολόγηση σημάτων δεδομένων και ελέγχου μεταξύ των διαφόρων λειτουργικών τμημάτων. Στη συντριπτική πλειονότητα της μνήμης χρησιμοποιείται επίσης από τους σύγχρονους υπολογιστές με αυτόν τον τρόπο. Έτσι αρχιτεκτονικής υπολογιστών von Neumann είναι διαφορετική, για παράδειγμα, από το Χάρβαρντ, έτσι ώστε να μην χρησιμοποιούν την κύρια και την κρυφή μνήμη.

προϊστορία

Οι πρώτοι υπολογιστές δόθηκε ένα σταθερό πρόγραμμα. Μερικά πολύ απλό υπολογιστές εξακολουθούν να χρησιμοποιούν αυτό το σχέδιο ή για λόγους απλότητας και της κατάρτισης. Για παράδειγμα, ένα επιτραπέζιο υπολογιστή είναι επίσης ένας υπολογιστής με ένα σταθερό πρόγραμμα. Μπορεί να λειτουργήσει με τα βασικά των μαθηματικών, αλλά δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένα επεξεργαστή κειμένου , ή μια κονσόλα παιχνιδιών. Αλλαγή του σταθερού προγράμματος μηχάνημα απαιτεί επανα-καλωδίωση, αναδιάρθρωση ή αναδιοργάνωση της συσκευής. Οι πρώτοι υπολογιστές δεν ήταν τόσο στενή, που έχουν αναπτυχθεί για πρώτη φορά και για επιστημονικούς σκοπούς. Ο επαναπρογραμματισμός εμφανίστηκε πολύ αργότερα και ήταν μια επίπονη διαδικασία, δεδομένου ότι τα διαγράμματα μπλοκ και τα χαρτονομίσματα και τελειώνει λεπτομερή σχέδια. Ιδιαίτερα δύσκολη ήταν η διαδικασία εκσυγχρονισμού των φυσικών καναλιών ανάκτησης μηχάνημα. Μπορεί να χρειαστούν εγκατάσταση τρεις εβδομάδες στην ENIAC και προσπαθούμε να την κάνουμε να λειτουργήσει.

Μια νέα ιδέα

Με έναν υπολογιστή, αποθηκεύοντας ένα πρόγραμμα στη μνήμη, όλα άλλαξαν. Αποθηκεύονται στη μνήμη, είναι σχέδιο με ένα σύνολο οδηγιών. Αυτό σημαίνει ότι η μηχανή μπορεί να πάρει αμέσως μια σειρά από οδηγίες για να πραγματοποιήσει τους υπολογισμούς.

Ο σχεδιασμός τέτοιων προγραμμάτων σχετίζεται με την αυτο-τροποποιώντας τον κώδικα. Ένα από τα πρώτα φυτά για ένα τέτοιο αντικείμενο ήταν η ανάγκη για έναν αλγόριθμο για να αυξήσετε ή με άλλο τρόπο να αλλάξει το τμήμα διεύθυνσης εντολών. Είχε τοποθετηθεί με το χέρι στις αρχές του σχέδια. Αυτό έγινε λιγότερο σημαντικό, όταν τα μητρώα δείκτη και έμμεση διευθυνσιοδότηση έγινε κοινά χαρακτηριστικά κατείχε από την αρχιτεκτονική του υπολογιστή των μηχανημάτων John von Neumann. Άλλες χρήσεις - για να εισαγάγετε συχνά χρησιμοποιημένα δεδομένα στο ρεύμα των εντολών με άμεσες λύσεις. Όμως, η αυτο-τροποποίηση του κώδικα σε μεγάλο βαθμό έχει επικριθεί επειδή είναι συνήθως δύσκολο να κατανοήσουν και τον εντοπισμό σφαλμάτων. Επιπλέον, ο ίδιος αποδείχθηκε αναποτελεσματική όσον αφορά τα συστήματα αναπαραγωγής και προσωρινή αποθήκευση των σύγχρονων επεξεργαστών.

Σε γενικές γραμμές, η ικανότητα για την αντιμετώπιση οδηγίες ως δεδομένα - αυτό είναι που κάνει συναρμολογητές, compilers, συναρμολογητές, φορτωτές και άλλα μέσα με πιθανές αντικείμενα των αυτοματοποιημένων προγραμματισμού. Έτσι για να μιλήσει, να γράψει τα προγράμματα που γράφουν προγράμματα. Σε μικρότερη κλίμακα, επαναλαμβανόμενες έντονες ενέργειες εισόδου και εξόδου, όπως χειρισμοί BitBlt εικόνα πρωτόγονες ή pixel και vertex shaders στη σύγχρονη 3D-γραφικά, έχουν βρεθεί να είναι αναποτελεσματική για να τρέξει χωρίς εξοπλισμό του χρήστη.

Ανάπτυξη μιας έννοιας που αποθηκεύονται στη μνήμη του προγράμματος

Μαθηματικός Alan Turing, ο οποίος είχε ένα ενδιαφέρον για το πρόβλημα της μαθηματικής λογικής, μετά τις διαλέξεις Max Newman στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, έγραψε ένα άρθρο το 1936, που δημοσιεύθηκε στην έκδοση της Μαθηματικής Εταιρείας του Λονδίνου. Σε αυτό, περιγράφεται μια υποθετική μηχανή, την οποία αποκάλεσε «καθολική μηχανή computing», και η οποία είναι τώρα γνωστή ως καθολική μηχανή Turing. Είχε άπειρο αποθήκευσης (στη σύγχρονη ορολογία - μνήμη), το οποίο περιείχε τις δύο εντολές και δεδομένα, που δημιουργήθηκε και την αρχιτεκτονική. Von Neumann γνώρισε Turing σε μια εποχή που ήταν επισκέπτης καθηγητής στο Κέιμπριτζ το 1935, και κατά τη διάρκεια της υπεράσπισης διδακτορική του διατριβή στο Turing Institute for Advanced Study του Princeton (New Jersey) το 1936-1937.

Ανεξάρτητα Ji Presper Eckert και Dzhon Mochli, ο οποίος ανέπτυξε ENIAC Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια, έγραψε για την έννοια της μηχανής, το οποίο αποθηκεύει το πρόγραμμα στη μνήμη του Δεκέμβρη του 1943. Όταν σχεδιάζετε ένα νέο μηχάνημα, το EDVAC, Eckert έγραψε το Γενάρη 1944 ότι θα αποθηκεύουν τα δεδομένα και τα προγράμματα της νέας συσκευής διευθυνσιοδοτούμενος μνήμης χρησιμοποιώντας καθυστέρηση μεταλλικού υδραργύρου. Ήταν η πρώτη φορά που έχουν προταθεί η κατασκευή μιας μηχανής πρακτική που αποθηκεύει το πρόγραμμα στη μνήμη. Την ίδια στιγμή, ο ίδιος και Mauchly δεν γνώριζαν το έργο του Τούρινγκ (που απεικονίζεται παρακάτω).

Αρχιτεκτονική Υπολογιστών: αρχή Von Neumann

Von Neumann συμμετείχε στο «Πρόγραμμα Μανχάταν» στο Εθνικό Εργαστήριο του Λος Άλαμος, η οποία απαιτεί ένα τεράστιο ποσό των υπολογισμών. Τον έλκονται από το έργο το καλοκαίρι του 1944 ENIAC. Εκεί ένωσε τις συζητήσεις για την Ανάπτυξη EDVAC. Μέσα σε αυτή την ομάδα, έγραψε ένα βιβλίο με τίτλο «Ένα πρώτο σχέδιο έκθεσης σχετικά με το EDVAC», με βάση τις εργασίες της Eckert και Mauchly. Ήταν ημιτελή, όταν ο συνάδελφός του Goldstein διανέμεται έργο με von Neumann (από τον τρόπο, Eckert και Mauchly ήταν έκπληκτοι αυτή την είδηση). Το παρόν έγγραφο έχει διαβαστεί από δεκάδες συναδέλφους von Neumann στην Αμερική και την Ευρώπη και είχε μια βαθιά επίδραση στην επόμενη φάση της ανάπτυξης του υπολογιστή.

Οι βασικές αρχές του von Neumann αρχιτεκτονική, όπως ορίζεται στο «πρώτο σχέδιο,» κέρδισε μεγάλη δημοτικότητα, ενώ Turing που καλύπτει την έκθεσή της σχετικά με την ηλεκτρονική αριθμομηχανή, η οποία έχει περιγραφεί λεπτομερώς στην τεχνολογία και τον προγραμματισμό. Έχει αναφερθεί και η παρουσίαση του αυτοκινήτου του συγγραφέα, η οποία ονομάζεται Automatic Computing Engine (ACE). Ο ίδιος παρουσίασε στην εκτελεστική επιτροπή της βρετανικής Εθνικό Εργαστήριο Φυσικής το 1946. Μετά από λίγο παρήχθησαν ακόμη και η επιτυχής εφαρμογή των διαφόρων σχεδίων ACE.

Έναρξη έργων

Και το έργο των εγγράφων von Neumann και Turing περιγράφει έναν υπολογιστή αποθήκευση στη μνήμη ένα ειδικό πρόγραμμα, αλλά το άρθρο Von Neumann επιτευχθεί μεγαλύτερη κυκλοφορία στην κοινωνία, και την αρχιτεκτονική υπολογιστών έγινε γνωστή ως John von Neumann αρχιτεκτονική.

Το 1945, ο καθηγητής Neumann, ο οποίος στη συνέχεια εργάστηκε στην σχολή μηχανικών στη Φιλαδέλφεια, όπου το πρώτο ENIAC χτίστηκε, που εκδόθηκε εξ ονόματος των συναδέλφων του, έκθεση σχετικά με τη λογική του σχεδιασμού των ψηφιακών υπολογιστών. Η έκθεση παρέχει μια αρκετά λεπτομερή πρόταση για την κατασκευή της μηχανής, η οποία έκτοτε έχει γίνει γνωστό ως το EDVAC. Είχε μόλις πρόσφατα στην Αμερική, αλλά μια έκθεση που ενέπνευσε τη δημιουργία του von Neumann EDSAC.

Maniacs και Joniacs

Το 1947, Burks, Goldstein και von Neumann δημοσίευσε μια άλλη έκθεση, η οποία καλύπτει την κατασκευή ενός άλλου τύπου αυτοκινήτου (αυτή τη φορά παράλληλα), η οποία υποτίθεται ότι θα ήταν εξαιρετικά γρήγορη, ικανή, ίσως, να μεταφέρει έως και 20.000 επιχειρήσεις ανά δευτερόλεπτο. Σημείωσαν ότι το άλυτο πρόβλημα στην κατασκευή του ήταν η ανάπτυξη ενός κατάλληλου μνήμης, όλα τα περιεχόμενα των οποίων πρέπει να είναι άμεσα διαθέσιμα. Πρώτον, προτείνεται να χρησιμοποιηθεί ένα ειδικό σωλήνα κενού, το οποίο ονομάζεται Selectron, η οποία εφευρέθηκε στο εργαστήριο Princeton. Αυτές οι σωλήνες είναι ακριβά, και καθιστούν πολύ δύσκολη, ειδικά αν χρησιμοποιείτε αυτή την αρχιτεκτονική. Στη συνέχεια Von Neumann αποφάσισε να χτίσει ένα αυτοκίνητο που βασίζεται στη μνήμη του Ουίλιαμς. Αυτή η μηχανή, η οποία ολοκληρώθηκε τον Ιούνιο του 1952 Princeton, έχει γίνει ευρέως γνωστή μανιακός (ή απλά Maniacs). Το σχέδιό του είναι εμπνευσμένο από τους δημιουργούς για την κατασκευή του μισού δωδεκάδα ή περισσότερες παρόμοιες συσκευές, οι οποίες είναι τώρα χτίζεται στην Αμερική και κάλεσε κόμικ Johniacs.

αρχές της δημιουργίας

Ένα από τα πιο σύγχρονα ψηφιακά υπολογιστές, που ενσωματώνει την ανάπτυξη και βελτίωση της τεχνικής των αυτόματων ηλεκτρονικών υπολογισμών έχει αποδειχθεί στο Εθνικό Εργαστήριο Φυσικής στο Teddington, όπου σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε από μια μικρή ομάδα μαθηματικοί, μηχανικοί και μηχανικοί έρευνας, με τη βοήθεια μιας σειράς μηχανικών παραγωγής από την αγγλική Electric Εταιρεία Λτδ Ο εξοπλισμός είναι ακόμα στο εργαστήριο, αλλά μόνο ως πρωτότυπο ενός πολύ μεγαλύτερου εργοστασίου, η οποία είναι γνωστή ως η μηχανή Αυτόματη Computing. Όμως, παρά το σχετικά μικρό βάρος και το περιεχόμενο της μόνο 800 θερμιονικής βαλβίδες, είναι μια εξαιρετικά γρήγορη και ευέλικτη μηχανή καταμέτρησης.

Βασικές έννοιες και αφηρημένες αρχές υπολογισμού που χρησιμοποιούν μηχανές έχουν διατυπωθεί από τον Δρ Turing με βάση την ίδια Μαθηματικής Εταιρείας του Λονδίνου το 1936, αλλά εργάζονται σε τέτοιες μηχανές στο Ηνωμένο Βασίλειο έχει καθυστερήσει από τον πόλεμο. Το 1945, η εξέταση των προβλημάτων της δημιουργίας τέτοιων συσκευών συνέχισε στο Εθνικό Εργαστήριο Φυσικής Δρ Vormsli, Έφορο του Τμήματος Μαθηματικών Εργαστήριο. Εντάχθηκε στο Turing και μικρή ομάδα του από εμπειρογνώμονες, και του 1947 προκαταρκτική σχεδιασμός ήταν αρκετά προηγμένη για να δικαιολογήσει τη δημιουργία μιας ειδικής ομάδας.

Οι πρώτοι υπολογιστές για την αρχιτεκτονική von Neumann

Το πρώτο έργο περιγράφει ένα σύστημα που έχει χρησιμοποιηθεί από πολλά πανεπιστήμια και επιχειρήσεις να δημιουργήσουν το δικό τους υπολογιστές. Μεταξύ αυτών, μόνο ΛΑΓΟΝΙΑΣ ORDVAC και έχουν συμβατό σετ εντολών.

Κλασική von Neumann αρχιτεκτονική ενσωματώθηκε στο Μάντσεστερ μικρή πειραματική μηχανή (SSEM), με το παρατσούκλι μωρό στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ, η οποία έκανε την πρώτη επιτυχή εκτόξευση της συσκευής που κρατά τη μνήμη προγράμματος, 21 του Ιουν 1948.

EDSAC Πανεπιστήμιο του Cambridge, το πρώτο πρακτικό ηλεκτρονικό υπολογιστή αυτού του είδους, ξεκίνησε με επιτυχία την πρώτη φορά Μάιο του 1949.

Η ανάπτυξη των μοντέλων που δημιουργήθηκαν

IBM SSEC είχαν την ευκαιρία να εξετάσουν τις οδηγίες ως δεδομένα και δημοσίως αποδειχθεί 27 Γενάρη του 1948. Η ικανότητα αυτή επιβεβαιώνεται στο US Pat. Ωστόσο, ήταν εν μέρει ηλεκτρομηχανολογικών μηχανή, παρά ένα πλήρως ηλεκτρονική. Στην πράξη, οι οδηγίες διαβάστηκαν από χαρτοταινία, λόγω της περιορισμένης μνήμης.

Μωρό ήταν το πρώτο πλήρως ηλεκτρονικό υπολογιστή για να τρέξει τα αποθηκευμένα προγράμματα. Το factoring πρόγραμμα έτρεξε για 52 λεπτά, 21 Ιουνίου 1948 μετά την εκκίνηση και ένα απλό υπολογισμό διαιρώντας τον υπολογισμό που δείχνει ότι οι δύο αριθμοί είναι Σχετικά πρώτοι.

ENIAC τροποποιήθηκε ώστε να λειτουργήσει ως ένα πρωτόγονο υπολογιστή για ανάγνωση μόνο, αλλά από την ίδια την αρχιτεκτονική, και έχει αποδειχθεί από την 16η Σεπτεμβρίου του 1948, και η έναρξη του προγράμματος Adele Goldstein διοργανώθηκε με τη βοήθεια του von Neumann.

BINAC πέρασε αρκετά δοκιμαστικά προγράμματα το Φεβρουάριο, Μάρτιο και Απρίλιο του 1949, αν και δεν είχε ολοκληρωθεί μέχρι το Σεπτέμβριο του 1949. Επιπλέον, δοκιμές διεξήχθησαν (μερικές επιτυχημένες) άλλα ηλεκτρονικά υπολογιστές, η οποία είναι χαρακτηριστική της αρχιτεκτονικής. Von Neumann, από τον τρόπο, και συνέχισε να εργάζεται για το έργο «Μανχάταν». Αυτό είναι ένα πολύπλευρο άτομο.

Εξέλιξη της αρχιτεκτονικής του συστήματος bus

Μέσα από τις δεκαετίες, ήδη από τη δεκαετία του '60 και του '70, οι υπολογιστές σε γενικές γραμμές έχουν γίνει μικρότερο και πιο γρήγορα, με αποτέλεσμα την εξέλιξη που έχει υποστεί την αρχιτεκτονική του υπολογιστή von Neumann. Για παράδειγμα, η οθόνη της μνήμης εισόδου και εξόδου επιτρέπει οι αντίστοιχες συσκευές, τα δεδομένα, και οδηγίες για τον τρόπο ενσωμάτωσης μέσα στο σύστημα το οποίο θα υποβληθεί σε επεξεργασία, παραμένουν στη μνήμη. Ένα σύστημα διαύλου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να παράσχει ένα αρθρωτό σύστημα με μικρότερες. Αυτό μερικές φορές ονομάζεται «εξορθολογισμό» της αρχιτεκτονικής. Στις επόμενες δεκαετίες, μερικές φορές απλά μικροελεγκτές δεν χρησιμοποιούν κάποια χαρακτηριστικά ενός τυπικού μοντέλου, προκειμένου να μειωθεί το κόστος και το μέγεθος. Αλλά οι μεγάλες υπολογιστές ακολουθεί την καθιερωμένη αρχιτεκτονική, καθώς έχουν προστεθεί χαρακτηριστικά για τη βελτίωση των επιδόσεων.