Von Neumann architettura: la storia di occorrenza del termine

L'architettura di von Neumann, noto anche come il modello di von Neumann, o l'architettura di Princeton, in base al metodo descritto nel 1945, matematico e fisico John von Neumann nel rapporto "La prima bozza" di un EDVAC computer.

L'architettura circuitale

La relazione descrive lo schema di von Neumann del computer digitale elettronico con parti composto di unità di elaborazione, comprendente:

• un'unità logica aritmetica;
• registri del processore;
• l'unità di controllo comprendendo un registro di istruzione e il contatore di programma;
• una memoria per memorizzare dati;
• un dispositivo di memorizzazione esterno;
• meccanismi di ingresso e uscita.

Il significato di sviluppo consisteva nel fatto che tutte le informazioni memorizzate sulle informazioni computer può essere utilizzato dal programma, in cui l'operazione, i dati selezionati non possono essere riprodotti allo stesso tempo, perché condividono un bus comune. E 'menzionato nella "prima bozza", che descrive il pensiero scienziato su ciò che l'architettura dovrebbe essere. Von Neumann ha chiamato questa situazione "collo di bottiglia", che spesso limita le prestazioni del sistema.

I principi di architettura di von Neumann

calcolatore digitale – un computer, memorizzazione di un programma che comprende le istruzioni dei programmi, la lettura dei dati, la scrittura, e comprende anche la memoria ad accesso casuale (RAM). Principi di architettura di John von Neumann delineati nella sua opera "Il primo progetto." Secondo lui, i computer memorizzati nella memoria del programma erano un miglioramento rispetto al controllo dei computer, come ad esempio ENIAC. Quest'ultimo è stato programmato impostando gli interruttori, e l'inserimento della patch, con conseguente instradamento segnali di dati e di controllo tra i vari blocchi funzionali. Nella stragrande maggioranza della memoria è utilizzato anche da moderni computer in questo modo. Così architettura del computer von Neumann è diverso, ad esempio, di Harvard, in modo che non utilizza il principale e memoria cache.

preistoria

I primi computer sono stati dati un programma fisso. Alcuni computer molto semplici utilizzano ancora questo disegno o per scopi di semplicità e di formazione. Ad esempio, una calcolatrice da tavolo è anche un computer con un programma fisso. Può funzionare con i principi fondamentali della matematica, ma non può essere usato come un word processor , o una console giochi. Modifica del programma della macchina fissa richiede ricablaggio, ristrutturazione o riorganizzazione dell'apparato. I primi computer non erano così stretti, in quanto sono stati sviluppati per la prima volta e per scopi scientifici. Riprogrammazione apparso molto più tardi e era un processo laborioso, poiché i diagrammi a blocchi e banconote e terminano disegni dettagliati. Particolarmente difficile è stato il processo di modernizzazione dei canali di recupero macchina fisica. Si può richiedere l'installazione di tre settimane sul ENIAC e cercando di farlo funzionare.

Una nuova idea

Con un computer, memorizzazione di un programma in memoria, tutto è cambiato. Memorizzati nella memoria, sono il design con una serie di istruzioni. Ciò significa che la macchina può immediatamente ottenere una serie di istruzioni per effettuare i calcoli.

La progettazione di tali programmi riferisce al codice automodificante. Uno dei primi impianti per tale oggetto era necessario un algoritmo per incrementare o altrimenti modificare la parte di indirizzo di comandi. È stato disposto manualmente nei primi disegni. Questo è diventato meno importante quando registri indice e indirizzamento indiretto divennero caratteristiche comuni posseduti dalla architettura del computer di macchine John von Neumann. Altri usi – per inserire i dati di frequente utilizzati nel flusso di comandi con soluzioni immediate. Ma il codice di auto-modifica in larga misura è stata criticata perché di solito è difficile da capire ed eseguire il debug. Inoltre, ha anche dimostrato di essere inefficace in termini di riproduzione e caching schemi dei moderni processori.

In generale, la capacità di trattare istruzioni come dati – questo è ciò che rende assemblatori, compilatori, assemblatori, pale, e altri strumenti con possibili oggetti di programmazione automatica. Per così dire, di scrivere programmi che scrivono i programmi. Su scala minore, intense operazioni di input e output ricorrenti, come manipolazioni BitBlt-immagine primitivi o pixel e vertex shaders moderni grafica 3D, sono stati trovati per essere inefficace per funzionare senza apparecchiatura dell'utente.

Sviluppo di un concetto memorizzato nella memoria di programma

Matematico Alan Turing, che ha avuto un interesse per il problema della logica matematica dopo le lezioni di Max Newman dell'Università di Cambridge, ha scritto un articolo nel 1936, è stato pubblicato nella edizione del London Mathematical Society. In esso, ha descritto una macchina ipotetica, che ha definito "macchina di calcolo universale", e che ora è conosciuto come una macchina universale di Turing. Aveva memorizzazione infinita (nella terminologia moderna – la memoria), che conteneva entrambe le istruzioni e dati, che è stato creato e l'architettura. Von Neumann conobbe Turing nel momento in cui era professore in visita a Cambridge nel 1935, e nel corso di difendere la sua tesi di dottorato presso l'Istituto di Turing for Advanced Study di Princeton (New Jersey) nel 1936-1937.

Indipendentemente Ji Presper Eckert e Dzhon Mochli, che ha sviluppato ENIAC Scuola di Ingegneria Elettrica presso l'Università della Pennsylvania, ha scritto sul concetto di macchina, che memorizza il programma in memoria nel dicembre del 1943. Quando si pianifica una nuova macchina, l'EDVAC, Eckert ha scritto nel gennaio 1944 che memorizza i dati ei programmi nella nuova memoria indirizzabile dispositivo utilizzando ritardo mercurio metallico. Era la prima volta la costruzione di una macchina pratica che memorizza il programma nella memoria sono stati proposti. Allo stesso tempo, lui e Mauchly non erano a conoscenza del lavoro di Turing (nella foto sotto).

Architettura del calcolatore: principio di Von Neumann

Von Neumann è stato coinvolto nel "progetto Manhattan" presso il National Laboratory di Los Alamos, che ha richiesto una quantità enorme di calcolo. Lo ha attratto al progetto nell'estate del 1944 ENIAC. Ci si è unito alle discussioni sul computer di sviluppo EDVAC. All'interno di questo gruppo, ha scritto un articolo intitolato "Un primo progetto di relazione sulla EDVAC», basato sul lavoro di Eckert e Mauchly. E 'stato non finito, quando il suo collega Goldstein distribuito progetto con von Neumann (a proposito, Eckert e Mauchly sono stati storditi questa notizia). Questo documento è stato letto da decine di colleghi von Neumann in America e in Europa e ha avuto un profondo impatto sulla prossima fase di sviluppo del computer.

I principi fondamentali della architettura di von Neumann, come indicato nella "prima bozza", acquisito vasta popolarità, mentre Turing si coprì la relazione sul calcolatore elettronico, che è stato descritto in dettaglio nella progettazione e programmazione. E 'stato affermato e presentazione di auto dell'autore, che è stato chiamato il Computing Engine automatico (ACE). Ha presentato al comitato esecutivo della British National Physical Laboratory nel 1946. Dopo un po 'anche il successo nella realizzazione dei vari ACE disegni sono stati prodotti.

Avviare progetti

E il progetto di documenti di von Neumann e di Turing descrive un computer memorizzare nella memoria un programma specifico, ma l'articolo di Von Neumann ha raggiunto maggiore circolazione nella società, e l'architettura del computer è stato conosciuto come architettura John von Neumann.

Nel 1945, il professor Neumann, che poi ha lavorato nella scuola di ingegneria a Philadelphia, dove ha ENIAC è stato costruito, emessa per conto dei suoi colleghi relazione sulla progettazione logica dei computer digitali. Il rapporto fornisce una proposta piuttosto dettagliata per la costruzione della macchina, che da allora è diventato noto come l'EDVAC. Era stata recentemente costituita solo in America, ma un rapporto ha ispirato la creazione del Von Neumann EDSAC.

Maniacs e Joniacs

Nel 1947, Burks, Goldstein e von Neumann pubblicato un'altra relazione che copriva la costruzione di un altro tipo di macchina (questa volta parallelo), che doveva essere estremamente veloce, capace, forse, per trasportare fino a 20.000 operazioni al secondo. Essi hanno rilevato che il problema irrisolto nella costruzione era lo sviluppo di una opportuna memoria, tutti i cui contenuti devono essere immediatamente disponibile. In primo luogo, hanno proposto di utilizzare un tubo a vuoto speciale, chiamato Selectron, che è stato inventato nel laboratorio Princeton. Tali tubi sono costosi, e li rendono molto difficile, soprattutto se si sta utilizzando questa architettura. Von Neumann ha successivamente deciso di costruire una macchina in base alla memoria di Williams. Questa macchina, che è stata completata nel giugno 1952 Princeton, è diventato MANIAC noto (o solo Maniacs). Il suo design è ispirato dai creatori sulla costruzione della mezza dozzina o più dispositivi simili, che sono ora in fase di costruzione in America e ha chiamato Johniacs comici.

principi di creazione

Uno dei più moderni computer digitali, che incarna lo sviluppo e il miglioramento della tecnica di calcolo elettronico automatico è stata dimostrata presso il National Physical Laboratory di Teddington, dove è stato progettato e costruito da un piccolo gruppo di matematici, ingegneri e tecnici di ricerca, con l'assistenza di un certo numero di ingegneri di produzione dal elettrico inglese Company Ltd. L'apparecchiatura è ancora in laboratorio, ma solo come prototipo di un impianto molto più grande, che è conosciuto come il Computing Engine automatico. Ma, nonostante il relativamente piccolo peso e il contenuto di soli 800 valvole termoioniche, è una macchina di conteggio estremamente veloce e versatile.

Concetti di base e principi astratti calcolo utilizzando le macchine sono state formulate dal Dott Turing sulla base della stessa Società London Mathematical nel 1936, ma lavorare su tali macchine nel Regno Unito è stata ritardata dalla guerra. Nel 1945, l'esame dei problemi della creazione di tali dispositivi proseguita presso il National Physical Laboratory Dr. Vormsli, Sovrintendente del Dipartimento di Matematica Laboratorio. Si è unito al Turing e il suo piccolo team di esperti, e alla progettazione preliminare 1947 era sufficientemente avanzata per giustificare l'istituzione di un gruppo speciale.

I primi computer della architettura di von Neumann

Il primo progetto descrive uno schema che è stato utilizzato da molte università e aziende per costruire il proprio computer. Tra questi, solo ILLIAC ORDVAC e hanno set di istruzioni compatibili.

Classica architettura di von Neumann era costituita Manchester piccola macchina sperimentale (SSEM), soprannominata bambino presso l'Università di Manchester, che ha effettuato il primo lancio del dispositivo che contiene la memoria di programma 21 giugno 1948.

EDSAC Università di Cambridge, il primo computer elettronico pratico di questo tipo, è stato lanciato con successo la prima volta maggio 1949.

Lo sviluppo dei modelli creati

IBM SSEC avuto l'opportunità di prendere in considerazione le istruzioni come dati ed è stato pubblicamente dimostrata 27 gennaio 1948. Questa capacità è affermato in US Pat. Tuttavia, è stato parzialmente macchina elettromeccanica, piuttosto che un completamente elettronico. In pratica, le istruzioni sono state lette dal nastro di carta a causa della sua memoria limitata.

Bambino è stato il primo computer completamente elettronico per eseguire i programmi memorizzati. Si programma di fattorizzazione funzionato per 52 minuti, 21 June 1948 dopo l'avvio e un semplice calcolo dividendo il calcolo che dimostra che i due numeri sono coprimi.

ENIAC è stato modificato per funzionare come un computer primitivo per la sola lettura, ma sulla stessa architettura, ed è stato dimostrato entro il 16 settembre 1948, e il lancio del programma di Adele Goldstein ha organizzato con l'aiuto di von Neumann.

BINAC trascorso diversi programmi di test nel mese di febbraio, marzo e aprile 1949, anche se non è stata completata fino settembre 1949. Inoltre, prove preliminari sono stati effettuati (alcuni riusciti) altri computer elettronici, che è caratteristico di. Von Neumann, tra l'altro, e ha continuato a lavorare al progetto "Manhattan". Questo è un uomo così versatile.

Evoluzione dell'architettura del sistema di bus

Attraverso i decenni, già negli anni '60 e '70, i computer in generale sono diventati più piccoli e più veloce, con un conseguente evoluzione che ha subito l'architettura del computer von Neumann. Ad esempio, la visualizzazione della memoria di ingresso e uscita consente rispettivi dispositivi, dati e istruzioni su come integrare nel sistema che saranno trattati, rimangono in memoria. Un sistema di bus può essere utilizzato per fornire un sistema modulare con più piccolo. Questo è talvolta chiamato la "razionalizzazione" di architettura. Nei decenni successivi, a volte semplici microcontrollori non utilizzare alcune caratteristiche di un modello tipico al fine di ridurre il costo e le dimensioni. Ma grandi computer seguono l'architettura consolidata, come hanno aggiunto funzionalità per migliorare le prestazioni.