Kiến trúc Von Neumann: lịch sử của sự xuất hiện của thuật ngữ

Kiến trúc của von Neumann, còn được gọi là mô hình von Neumann, hoặc kiến trúc Princeton, dựa trên phương pháp mô tả vào năm 1945, nhà toán học và nhà vật lý John von Neumann trong báo cáo "Dự thảo đầu tiên" của một EDVAC máy tính.

Kiến trúc mạch

Báo cáo mô tả sơ đồ kiến trúc von Neumann của máy tính kỹ thuật số điện tử với các bộ phận bao gồm các đơn vị chế biến, bao gồm:

• một đơn vị logic số học;
• thanh ghi của bộ xử lý;
• bộ điều khiển bao gồm một hướng dẫn đăng ký và truy cập chương trình;
• một bộ nhớ để lưu trữ dữ liệu;
• một thiết bị lưu trữ bên ngoài;
• đầu vào và đầu ra cơ chế.

Ý nghĩa của sự phát triển bao gồm trong thực tế là bất kỳ thông tin được lưu trữ trên các thông tin máy tính có thể được sử dụng bởi các chương trình, trong đó hoạt động, dữ liệu đã chọn không thể chơi cùng một lúc, bởi vì họ chia sẻ một chiếc xe buýt thông thường. Nó được đề cập trong "dự thảo đầu tiên", trong đó mô tả các tư tưởng khoa học về những gì kiến trúc nên. Von Neumann gọi tình trạng này "nút cổ chai", mà thường hạn chế hiệu suất của hệ thống.

Các nguyên tắc của kiến trúc von Neumann

máy tính kỹ thuật số - một máy tính, lưu trữ một chương trình bao gồm hướng dẫn chương trình, đọc dữ liệu, văn bản, và cũng bao gồm bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM). Principles of Architecture bởi John von Neumann được nêu trong công việc của mình "Các dự án đầu tiên." Theo ông, các máy tính được lưu trữ trong bộ nhớ chương trình là một sự cải tiến so với sự kiểm soát của máy tính, chẳng hạn như ENIAC. Sau đó được lập trình bằng cách thiết lập thiết bị chuyển mạch, và chèn các bản vá, dẫn đến việc định tuyến dữ liệu và điều khiển tín hiệu giữa các khối chức năng khác nhau. Trong đại đa số các bộ nhớ cũng được sử dụng bởi các máy tính hiện đại theo cách này. Do đó kiến trúc máy tính von Neumann là khác nhau, ví dụ, từ Harvard, do đó nó không sử dụng chính và bộ nhớ cache.

thời tiền sử

Các máy tính đầu tiên đã đưa ra một chương trình cố định. Một số máy tính rất đơn giản vẫn sử dụng thiết kế này hoặc cho các mục đích đơn giản hoặc đào tạo. Ví dụ, một máy tính để bàn cũng là một máy tính với một chương trình cố định. Nó có thể làm việc với những điều cơ bản của toán học, nhưng nó không thể được sử dụng như một trình xử lý , hoặc một game console. Thay đổi chương trình máy cố định đòi hỏi phải đi dây lại, chuyển đổi cơ cấu hoặc tổ chức lại bộ máy. Các máy tính đầu tiên không quá hẹp, vì chúng đã được phát triển lần đầu tiên và cho các mục đích khoa học. Tái lập trình xuất hiện rất lâu sau và đó là một quá trình mất thời gian, kể từ khi sơ đồ khối và tiền giấy và kết thúc thiết kế chi tiết. Đặc biệt khó khăn là quá trình hiện đại hóa của các kênh truyền hình phục hồi máy vật lý. Có thể mất cài đặt ba tuần trên ENIAC và cố gắng để làm cho nó hoạt động.

Một ý tưởng mới

Với một máy tính, lưu trữ một chương trình trong bộ nhớ, tất cả mọi thứ đã thay đổi. Được lưu trữ trong bộ nhớ, họ được thiết kế với một bộ hướng dẫn. Điều này có nghĩa rằng máy tính ngay lập tức có thể nhận được một tập hợp các hướng dẫn để thực hiện các tính toán.

Các thiết kế của chương trình như vậy liên quan đến mã tự sửa đổi. Một trong những nhà máy đầu tiên cho một đối tượng như vậy là một nhu cầu cho một thuật toán để tăng hoặc thay đổi một phần địa chỉ của lệnh. Ông được đặt bằng tay trong thiết kế ban đầu. Điều này trở nên ít quan trọng khi ghi chỉ số và địa chỉ gián tiếp trở thành đặc điểm chung ám ảnh bởi các kiến trúc máy tính của máy John von Neumann. Các ứng dụng khác - để chèn dữ liệu thường xuyên được sử dụng trong dòng lệnh với các giải pháp ngay lập tức. Nhưng mã tự thay đổi đến một mức độ lớn đã bị chỉ trích vì nó thường là khó hiểu và gỡ lỗi. Ngoài ra, ông cũng được chứng minh là không hiệu quả về chương trình sinh sản và bộ nhớ đệm của vi xử lý hiện đại.

Nhìn chung, khả năng điều trị hướng dẫn dưới dạng dữ liệu - đây là những gì làm cho các nhà lắp ráp, trình biên dịch, các nhà lắp ráp, bộ tải và các công cụ khác với các đối tượng có thể có của lập trình tự động. Vì vậy, để nói, để viết các chương trình viết chương trình. Trên một quy mô nhỏ hơn, lặp đi lặp lại căng thẳng đầu vào và đầu ra hoạt động, chẳng hạn như thao tác bitblt hình ảnh nguyên thủy hoặc pixel và đỉnh shaders trong hiện đại 3D-đồ họa, đã được tìm thấy là không hiệu quả để chạy mà không có thiết bị người dùng.

Phát triển một khái niệm được lưu trữ trong bộ nhớ chương trình

Nhà toán học Alan Turing, người có quan tâm đến vấn đề của logic toán học sau khi bài giảng Max Newman tại Đại học Cambridge, đã viết một bài báo vào năm 1936, nó đã được công bố trong ấn bản của Hội Toán học London. Trong đó, ông mô tả một máy tính giả thuyết, mà ông gọi là "máy tính phổ quát", và ngày nay được biết đến như một máy Turing phổ quát. Cô đã lưu trữ vô hạn (trong thuật ngữ hiện đại - bộ nhớ), trong đó có cả hướng dẫn và dữ liệu, mà được tạo ra và kiến trúc. Von Neumann đã làm quen với Turing tại một thời điểm khi ông là một giáo sư thỉnh giảng tại Cambridge vào năm 1935, và trong quá trình bảo vệ luận án tiến sĩ của ông tại Viện Turing nghiên cứu cao cấp ở Princeton (New Jersey) trong 1936-1937.

Một cách độc lập Ji Presper Eckert và Dzhon Mochli, người đã phát triển ENIAC Trường Kỹ thuật điện tại Đại học Pennsylvania, đã viết về các khái niệm về máy tính, mà các cửa hàng chương trình trong bộ nhớ trong tháng 12 năm 1943. Khi lên kế hoạch một máy mới, EDVAC, Eckert đã viết trong tháng một năm 1944 rằng nó sẽ lưu trữ dữ liệu và các chương trình trong thiết bị mới nhớ địa chỉ sử dụng chậm trễ kim loại thủy ngân. Đây là lần đầu tiên xây dựng một cỗ máy thực hành mà các cửa hàng chương trình trong bộ nhớ đã được đề xuất. Cùng lúc đó, ông và Mauchly đã không nhận thức được công việc của Turing (ảnh dưới).

kiến trúc máy tính: nguyên tắc Von Neumann

Von Neumann đã tham gia vào "Dự án Manhattan" tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, mà đòi hỏi một số lượng lớn các tính toán. Nó thu hút ông đến dự án vào mùa hè năm 1944 ENIAC. Ở đó, ông tham gia vào các cuộc thảo luận trên máy tính phát triển EDVAC. Trong nhóm này, ông đã viết một bài báo mang tên "Dự thảo báo cáo đầu tiên trên EDVAC», dựa trên công việc của Eckert và Mauchly. Đó là chưa hoàn thành khi đồng nghiệp của ông Goldstein phân phối dự án với von Neumann (bằng cách này, Eckert và Mauchly đã rất ngạc nhiên tin tức này). Tài liệu này đã được đọc bởi hàng chục đồng nghiệp von Neumann ở Mỹ và châu Âu và đã có một tác động sâu sắc đến giai đoạn tiếp theo của sự phát triển máy tính.

Các nguyên tắc cơ bản của kiến trúc von Neumann, như quy định trong "dự thảo đầu tiên," trở nên phổ biến rộng rãi, trong khi Turing phủ báo cáo của mình trên máy tính điện tử, mà đã được mô tả chi tiết trong thiết kế và lập trình. Nó đã được tuyên bố và trình bày xe của tác giả, được gọi là Automatic Computing Engine (ACE). Ông đã trình bày nó vào Ban chấp hành của Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia Anh vào năm 1946. Sau một thời gian thậm chí thực hiện thành công các thiết kế ACE khác nhau được sản xuất.

Bắt đầu dự án

Và dự án tài liệu von Neumann và Turing mô tả một máy tính lưu trữ trong bộ nhớ một chương trình cụ thể, nhưng bài viết Von Neumann đạt được lưu thông tốt hơn trong xã hội, và kiến trúc máy tính được gọi là kiến trúc John von Neumann.

Năm 1945, Giáo sư Neumann, người sau đó làm việc tại trường kỹ thuật ở Philadelphia, nơi ông lần đầu tiên ENIAC được xây dựng, ban hành thay mặt cho các đồng nghiệp của ông báo cáo về thiết kế logic của máy tính kỹ thuật số. Báo cáo cung cấp một đề nghị khá chi tiết cho việc xây dựng các máy, mà kể từ đó đã trở nên nổi tiếng như EDVAC. Cô chỉ vừa mới được thành lập tại Mỹ, nhưng một báo cáo đã truyền cảm hứng cho sự sáng tạo của von Neumann EDSAC.

Maniacs và Joniacs

Năm 1947, Burks, Goldstein và von Neumann đã công bố một báo cáo khác trong đó bao gồm việc xây dựng một loại xe (thời gian này song song), được coi là cực kỳ nhanh chóng, có khả năng, có lẽ, để thực hiện lên đến 20.000 phép tính mỗi giây. Họ lưu ý rằng vấn đề chưa được giải quyết trong việc xây dựng của nó là sự phát triển của một bộ nhớ phù hợp, tất cả các nội dung trong đó phải có sẵn ngay lập tức. Thứ nhất, họ đề nghị sử dụng một ống chân không đặc biệt, được gọi là Selectron, được phát minh ra tại phòng thí nghiệm Princeton. ống như vậy là đắt tiền, và làm cho họ rất khó khăn, đặc biệt là nếu bạn đang sử dụng kiến trúc này. Von Neumann sau đó quyết định xây dựng một chiếc xe dựa trên bộ nhớ của Williams. Máy này, được hoàn thành vào tháng 6 năm 1952 tại Princeton, đã trở thành Maniac biết đến rộng rãi (hoặc chỉ cần Maniacs). Thiết kế của nó được lấy cảm hứng từ những người sáng tạo trên việc xây dựng các nửa tá hoặc các thiết bị tương tự hơn, mà hiện nay đang được xây dựng ở Mỹ và gọi Johniacs truyện tranh.

nguyên tắc sáng tạo

Một trong hầu hết các máy tính kỹ thuật số hiện đại, thể hiện sự phát triển và cải tiến trong kỹ thuật tính toán điện tử tự động đã được chứng minh tại Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia tại Teddington, nơi mà nó được thiết kế và xây dựng bởi một nhóm nhỏ các nhà toán học, kỹ sư và kỹ sư nghiên cứu, với sự hỗ trợ của một số kỹ sư sản xuất từ tiếng Anh Electric Công ty TNHH Các thiết bị vẫn còn trong phòng thí nghiệm, nhưng chỉ như là một nguyên mẫu của một nhà máy lớn hơn nhiều, mà được gọi là Automatic Computing Engine. Nhưng, mặc dù trọng lượng tương đối nhỏ và nội dung của chỉ 800 van thermionic, nó là một máy đếm cực nhanh và linh hoạt.

khái niệm cơ bản và các nguyên tắc trừu tượng tính toán sử dụng máy đã được xây dựng bởi Tiến sĩ Turing trên cơ sở cùng Society London Toán học năm 1936, nhưng làm việc trên máy như ở Anh đã bị trì hoãn bởi cuộc chiến. Trong năm 1945, việc kiểm tra những vấn đề của việc tạo ra các thiết bị như vậy tiếp tục tại Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia TS Vormsli, Giám Đốc Sở Phòng thí nghiệm Toán. Ông gia nhập Turing và nhóm nhỏ của mình của các chuyên gia, và với quy hoạch sơ bộ năm 1947 là đủ tiên tiến để biện minh cho việc thành lập một nhóm đặc biệt.

Các máy tính đầu tiên trên kiến trúc von Neumann

Các dự án đầu tiên mô tả một chương trình đã được sử dụng bởi nhiều trường đại học và các tập đoàn để xây dựng máy tính của họ. Trong số đó, chỉ ILLIAC ORDVAC và có bộ giảng dạy phù hợp.

Cổ điển kiến trúc von Neumann được thể hiện ở Manchester máy thử nghiệm nhỏ (SSEM), có biệt danh là bé tại Đại học Manchester, khiến phóng thành công đầu tiên của thiết bị chứa bộ nhớ chương trình, 21 Tháng Sáu 1948.

EDSAC Đại học Cambridge, thực tế máy tính điện tử đầu tiên của loại hình này, đã được phóng thành công lần đầu tiên tháng 5 năm 1949.

Sự phát triển của các mô hình tạo

IBM SSEC đã có cơ hội để xem xét các hướng dẫn dưới dạng dữ liệu và được công khai chứng minh 27 Tháng 1 1948. Khả năng này được khẳng định tại Mỹ Pat. Tuy nhiên, nó là một phần máy điện, chứ không phải là hoàn toàn điện tử. Trên thực tế, các hướng dẫn đã được đọc từ băng giấy vì bộ nhớ giới hạn của nó.

Bé là chiếc máy hoàn toàn điện tử đầu tiên để chạy các chương trình lưu trữ. Nó bao thanh toán chương trình chạy cho 52 phút, ngày 21 tháng sáu năm 1948 sau khi bắt đầu và một phép tính đơn giản chia việc tính toán trong đó cho thấy rằng hai số nguyên tố cùng nhau.

ENIAC được sửa đổi để làm việc như một máy tính nguyên thủy cho read-only, nhưng trên kiến trúc giống nhau, và đã được chứng minh bởi 16 tháng 9 năm 1948, và sự ra mắt của chương trình Adele Goldstein tổ chức với sự giúp đỡ của von Neumann.

BINAC dành nhiều chương trình thử nghiệm vào tháng Hai, tháng Ba và tháng 4 năm 1949, mặc dù nó không được hoàn thành cho đến tháng Chín năm 1949. Bên cạnh đó, chạy thử nghiệm đã được tiến hành (một số thành công) máy tính điện tử khác, đó là đặc trưng của kiến trúc. Von Neumann, bằng cách này, và tiếp tục làm việc về dự án "Manhattan". Đó là một người đàn ông đa năng như vậy.

Sự phát triển của kiến trúc hệ thống xe buýt

Qua nhiều thập kỷ, đã có trong những năm 60 và 70, các máy tính nói chung đã trở nên nhỏ hơn và nhanh hơn, kết quả là một quá trình tiến hóa đã trải qua các kiến trúc máy tính von Neumann. Ví dụ, việc hiển thị các đầu vào và đầu ra bộ nhớ cho phép tương ứng thiết bị, dữ liệu và hướng dẫn về việc làm thế nào để tích hợp vào hệ thống đó sẽ được xử lý, vẫn còn trong bộ nhớ. Một hệ thống xe buýt có thể được sử dụng để cung cấp một hệ thống mô-đun với nhỏ hơn. Điều này đôi khi được gọi là "hợp lý" của kiến trúc. Trong những thập kỷ tiếp theo, đôi khi vi điều khiển đơn giản không sử dụng một số tính năng của một mô hình điển hình để giảm chi phí và kích cỡ. Nhưng máy tính lớn theo kiến trúc xây dựng, vì họ đã thêm tính năng để cải thiện hiệu suất.