Архітектура фон неймана: історія виникнення терміна

Архітектура машини фон Неймана, такоже відома як модель фон Неймана, або Прінстонського архітектура, засновано на методіці, опісаної в 1945 году математиком и фізіком Джоном фон Нейманом в рамках Доповіді «Перший проект» про обчіслювальній машині EDVAC.

схема архітектури

У Доповіді фон Неймана опісувалася схема архітектури для Електронної цифрової обчіслювальної машини з частинами, что складаються з блоків ОБРОБКИ, яка містіть:

• арифметико-логічний Пристрій;
• процесор регістрів;
• блок управління, что містіть РЕГІСТР команд и лічильник команд;
• накопичувачі для зберігання Даних;
• Зовнішній Пристрій;
• вхідні и вихідні Механізми.

Сенс розробки пролягав у тому, щоб будь-яка зберігається на комп`ютері інформація могла використовуват програмою, в Якій вибрані дані операции НЕ могут відтворюватіся одночасно, тому что смороду поділяють спільну шину. Це згадується в «Першому проект», Який опісує думки вченого про ті, Якою має буті архітектура. фон Нейман називали таку сітуацію «вузьких місцем», Пожалуйста часто обмежує продуктивність системи.

Принципи архітектури фон Неймана

Цифровий комп`ютер - це ЕОМ, что зберігає програму, яка містіть Програмні інструкції, дані для читання, записи, а такоже Включає в себе пам`ять з довільнім доступом (RAM). Принципи архітектури Джона фон Неймана вікладені такоже в его праці «Перший проект». Согласно з ним, комп`ютери з зберiгається в пам`ятi були удосконалення в порівнянні з управлінням комп`ютерів, таких як ENIAC. Останній БУВ запрограмованій с помощью установки перемікачів и вставки патча, что приводити до маршрутізації Даних и сігналів керування между різнімі функціональнімі блоками. У переважній більшості СУЧАСНИХ комп`ютерів пам`ять такоже вікорістовується подібним чином. при цьом архітектура ЕОМ фон Неймана відрізняється, например, від Гарвардської, тім, что вона вікорістовує не основним, а кеш-пам`ять.

Відео: Hackerdom-10-02 Принцип Фон Неймана

Передісторія

Перші обчислювальні машини малі задані фіксовані програми. Деякі очень Прості комп`ютери досі Використовують Цю конструкцію або для простоти, або в Навчальних цілях. Например, настільний калькулятор такоже є ЕОМ з фіксованою програмою. ВІН может працювати з основами математики, но ВІН НЕ может буті використаних як текстовий процесор або ігрова консоль. Зміна фіксованого програми машини требует перемонтажа, реструктуризації або реорганізації апарату. Найбільш Ранні комп`ютери НЕ були настолько вузьконаправленімі, так як смороду були розроблені Вперше и в наукових цілях. Перепрограмування з`явилося набагато пізніше, и це БУВ трудомісткій процес, починаючі з блок-схем и паперових купюр и закінчуючі доповідну технічнімі проектами. Особливо важка БУВ процес фізичної модернізації каналів Відновлення машини. Може зайнятості три тіжні установка програми на ENIAC и Спроба змусіті ее працювати.

Нова ідея

З пропозіцією комп`ютера, что зберігає програми в пам`яті, все змінілося. Збережені в пам`яті, смороду є конструкцією з набором інструкцій. А значить, машина может відразу отріматі набір команд, щоб сделать обчислення.

Конструкція таких програм відносіться до самомодіфіцірующіміся кодами. Однією з дере установок для такого об`єкта булу необходимость в алгорітмі для Збільшення або іншім чином Зміни адресної части команд. ВІН робів вручну в ранніх конструкціях. Це стало менше важлівім, коли індексні регістрі и непряма адресація стали звичайний характеристиками, Якими володіє архітектура ЕОМ Джона фон Неймана машини. Інше использование - вставляті часто вікорістовувані дані в потоці командіровку с помощью Негайно вирішенню. Альо самомодіфіцірующіміся код в значній мірі піддався Критиці, оскількі йо, як правило, Важко зрозуміті и налагодіті. Кроме того, ВІН оказался такоже неефективно в плане відтворення и кешування схем СУЧАСНИХ процесорів.

За великим рахунка, здатність ставити до інструкції як до Даних - це ті, что Робить асемблера, компіляторі, збирачі, Навантажувачі та інші інструменти з можливіть об`єктами автоматизованого програмування. Так би мовити, писати програми, Які пишуть програми. У менших масштабі повторювані інтенсівні операции Введення и Виведення, Такі як BitBlt-маніпуляції з збережений прімітівніх або піксельніх и вершинних шейдеров в сучасній 3D-графіці, були візнані неефективно для роботи без корістувацького обладнання.

Розробка Концепції зберігається в пам`яті програми

математик Алан Тьюринг, Який відчував Інтерес до проблеми математичної логіки после лекції Макса Ньюмана в Кембріджському Університеті, написавши статтю в 1936 году, вона булу опублікована у віданні лондонський математичного товариства. У ній ВІН описавши гіпотетічну машину, якові назвавши «універсальної обчіслювальної машиною», и яка тепер відома як універсальна машина Тьюринга. Вона мала нескінченне сховище (в сучасній термінології - пам`ять), Пожалуйста містіло як інструкції, так и дані, для чого и створювалася ця архітектура. Фон Нейман познайомівся з Тьюрингом в тій годину, коли ВІН БУВ запитаних професором в Кембріджі в 1935 году, а такоже в ході захисту докторської дисертації Тьюринга в Інстітуті перспективних ДОСЛІДЖЕНЬ у Прінстоні (штат Нью-Джерсі) в 1936-1937 роках.

Незалежності один від одного Джі Преспер Еккерта и Джон Мочлі, Які розроблялі ENIAC в школі електротехніки в Університеті штату Пенсільванія, писали про концепцію машини, что зберігає програму в пам`яті в грудні тисяча дев`ятсот сорок три року. При плануванні новой машини, EDVAC, Еккерта писав в січні 1 944 року, что вона буде зберігаті дані и програми в новому Пристрої з адресацією пам`яті с помощью затримки металевої ртуті. Це БУВ перший раз, коли Було предложено будівництво на практике машини, что зберігає програму в пам`яті. У тій же година ВІН и Мочлі були інформовані про роботу Тьюринга (фото нижчих).

Архітектура комп`ютера: принцип фон Неймана

Фон Нейман БУВ залучених в «Проект Манхеттен» в Національній лабораторії в Лос-Аламосі, Який Вимагаю велічезної кількості Обчислення. Це прикрутив его до проекту ENIAC влітку 1944 року. Там ВІН вступивши в Дискусії з розробки комп`ютера EDVAC. В рамках цієї групи ВІН написавши роботу під назв «Перший проект Доповіді про EDVAC», Заснований на работе Еккерта и Мочлі. Вона булу незавершеного, коли его колега Гольдштейн ширше проект з ім`ям фон Неймана (до слова, Еккерта и Мочлі були ошелешені такою Новинам). Цей документ БУВ прочитаних десятками колег фон Неймана в Амеріці и Европе и Надав серйозний Вплив на Наступний етап комп`ютерних розробок.

Основні принципи архітектури фон Неймана, вікладені в «Першому проект», набирали широку Популярність, в тій годину як Тьюринг вісвітлював свою Доповідь про електронний калькуляторі, Який БУВ докладно описаний в техніці и програмуванні. У ньом Було викладу и уявлення автора про машину, яка називається Automatic Computing Engine (ACE). ВІН представивши ее виконавчого комітету брітанської Национальной фізичної лабораторії в 1946 году. Через Деяк годину даже були проведені Різні успішні реализации конструкції ACE.

Початок реализации проектов

І проект фон Неймана, и документи Тьюринга опісувалі комп`ютери, что зберігають в пам`яті Певного програму, но стаття фон Неймана досягла більшої ціркуляції в суспільстві, и комп`ютерна архітектура стала відома як архітектура Джона фон Неймана.

У 1945 году професор Нейман, Який тоді працював в інженерній школі у Філадельфії, де и БУВ побудованій перший ENIAC, пославши ВІН від імені групи своих колег Доповідь про логічному проектуванні цифрових обчислювальних машин. У Доповіді містіться й достатньо детальної пропозіцію по конструкції машини, яка з тих пір стала відома як EDVAC. Вона тоді только недавно булу Створена в Амеріці, но Доповідь надіхнув фон Неймана на создание EDSAC.

Maniacs и Joniacs

У 1947 году Беркс, Гольдштейн и фон Нейман опублікувалі ще одну Доповідь, в якому вісвітлювалася конструкція Іншого типу машини (на цею раз паралельна), яка винна булу дива Надзвичайно швидкої, здатної, можливо, Здійснювати до 20 000 операцій в секунду. Смороду відзначілі, что невірішеною проблемою.Більше при побудові ее булу розробка відповідної пам`яті, весь вміст якої має буті міттєво доступно. Спочатку смороду предложили використовуват спеціальну вакуумну трубку, звання Selectron, яка булу вінайдена в Прінстонської лабораторії. Такі трубки були дорогими, и сделать їх очень Важко, особливо если вікорістовується дана архітектура. Фон Нейман Згідно решил побудуваті машину, Заснований на пам`яті Williams. Ця машина, яка булу завершена в червні +1952 року в Прінстоні, стала широко відома MANIAC (або просто Maniacs). Ее дизайн надіхнув творців на конструювання півдюжіні або более аналогічніх приладів, Які зараз будують в Амеріці и назіваються жартівліво Johniacs.

принципи создания

Один з найсучаснішіх цифрових комп`ютерів, Які втілювалі розробки и удосконалення в техніці автоматичного електронного обчислення, БУВ продемонстрованій в Національній фізічній лабораторії в Теддінгтоні, де ВІН БУВ спроектованій и побудованій невелика група математіків, електронніків и інженерів-дослідніків, за сприяння ряду виробничих інженерів з англійської Electric Company Ltd. Устаткування досі перебуває в лабораторії, но только як досвідчений зразок набагато більшою установки, яка відома як Automatic Computing Engine. Але, незважаючі на порівняно невеликі масу и Зміст только 800 термоіонніх клапанів, ВІН є Надзвичайно Швидко і універсальної лічільної машиною.

Основні Поняття и абстрактні принципи розрахунку с помощью машини були сформульовані доктором Тьюрингом на базі все того ж лондонський математичного товариства ще в 1936 году, но робота над такими машинами в Великобритании булу Затримано війною. У 1945 году Розгляд проблем создания таких прістроїв продовжено в Національній фізічній лабораторії доктором Вормслі, суперінтендантом лабораторії Відділення математики. ВІН прієднався до Тьюрингу зі своим невеликим штатом фахівців, а до 1947 року попереднє планування Було й достатньо просунути, щоб віправдаті создания спеціальної групи.

Перші комп`ютери на архітектурі фон Неймана

Перший проект опісує схему, яка булу Використана багатьма універсітетамі та корпораціямі, щоб побудуваті свои комп`ютери. Серед них только ILLIAC и ORDVAC малі сумісні набори інструкцій.

Класична архітектура фон Неймана булу втілена в Манчестерской малої експериментальної машині (SSEM) на прізвісько Baby з університету Манчестера, яка Зроби свой перший успішній запуск як Пристрій, что зберігає програму в пам`яті 21 червня 1948 року.

EDSAC з Кембріджського університету, перший практичний електронний комп`ютер такого типу, БУВ запущений перший раз успешно в травні тисячі дев`ятсот сорок дев`ять року.

Розвиток Створення моделей

IBM SSEC МАВ можлівість розглядаті інструкції як дані и БУВ публічно продемонстрованій 27 січня 1 948 року. Ця здатність затверджувалася в патенті США. Однако це булу частково електромеханічна машина, а не Повністю електронна. На практике інструкції були прочітані з паперової стрічки через его ограниченной пам`яті.

Baby БУВ перший повністю Електрон комп`ютером для запуску Збереження програм. ВІН запускає програму факторингу в течение 52 хвилин 21 червня 1948 роки после запуску простого обчислення розподілу и розрахунку, Який показує, что два числа є взаємно простими.

ENIAC БУВ зміненій, щоб працювати в якості прімітівної ЕОМ только для читання, но по тій же архітектурі, и БУВ продемонстрованій 16 вересня 1948 року народження, а запуск програми Адель Гольдштейн організувала с помощью фон Неймана.

BINAC провів кілька тестових програм в лютому, березні и квітні +1949 року, хоча и не БУВ завершень до вересня 1 949 року. Кроме того, здійснюваліся тестові запуски (деякі успішні) других електронно-обчислювальних машин, для якіх властіва дана архітектура. Фон Нейман, до слова, продовжував роботу и над проектом "Манхеттен". Ось такий універсальний людина.

Відео: Базові принципи архітектури фон Неймана

Еволюція шінної системи архітектури

Через десятиліття, Вже в 60-е и 70-е роки, комп`ютери в цілому стали менше и швидше, что привело до Деяк еволюціям, Які зізналася архітектура ЕОМ по фон Нейманом. Например, відображення в пам`яті Введення и Виведення дозволяє відповідніх прістроїв, дані и інструкції по інтеграції в систему якіх будут оброблятіся, залішатіся в пам`яті. Одна шінна система может буті Використана для забезпечення модульної системи з меншими. Це іноді назівають «раціоналізацією» архітектури. У следующие десятиліття Прості Мікроконтролери іноді НЕ Використовують деякі РІСД Типової моделі, щоб знізіті ВАРТІСТЬ и розмір. А вісь Великі комп`ютери слідують встановленої архітектурі, так як в них додані Функції для Підвищення продуктівності.