Von Neumann pensaernïaeth: hanes digwyddiad o'r term

Mae pensaernïaeth y von Neumann, a elwir hefyd yn y model von Neumann, neu bensaernïaeth Princeton, yn seiliedig ar y dull a ddisgrifir yn 1945, mathemategydd a ffisegydd John von Neumann yn yr adroddiad "drafft cyntaf" o EDVAC cyfrifiadur.

Mae pensaernïaeth gylched

Disgrifiodd yr adroddiad y diagram pensaernïaeth von Neumann y cyfrifiadur digidol electronig gyda rhannau sy'n cynnwys unedau prosesu, yn cynnwys:

• uned rhesymeg rhifyddol;
• cofrestrau o'r prosesydd;
• yr uned rheoli cynnwys cofrestr cyfarwyddyd a'r rhaglen cownter;
• atgof i storio data;
• dyfais storio allanol;
• mewnbwn ac allbwn fecanweithiau.

Ystyr datblygiad yn cynnwys yn y ffaith y gall unrhyw wybodaeth a gedwir ar y wybodaeth gyfrifiadurol yn cael ei defnyddio gan y rhaglen, lle y llawdriniaeth, y data a ddewiswyd ni ellir ei chwarae ar yr un pryd, oherwydd eu bod yn rhannu bws cyffredin. Mae'n cael ei grybwyll yn y "drafft cyntaf", sy'n disgrifio'r gwyddonydd meddwl am yr hyn y dylai fod pensaernïaeth. o'r enw Von Neumann y sefyllfa hon "dagfa", sy'n aml yn cyfyngu ar berfformiad y system.

Mae egwyddorion pensaernïaeth von Neumann

cyfrifiadur Digidol - cyfrifiadur, storio rhaglen sy'n cynnwys cyfarwyddiadau rhaglen, darllen data, ysgrifennu, ac mae hefyd yn cynnwys cof hapgyrch (RAM). Egwyddorion Pensaernïaeth gan John von Neumann a amlinellir yn ei waith "Mae'r prosiect cyntaf." Yn ôl iddo, cyfrifiaduron storio yn y cof rhaglen oedd yn welliant dros reolaeth cyfrifiaduron, fel ENIAC. Mae'r olaf ei raglennu trwy osod y switsys, a gosod y darn, gan arwain at llwybro data a rheoli signalau rhwng y gwahanol flociau swyddogaethol. Yn y mwyafrif helaeth o gof yn cael ei ddefnyddio hefyd gan gyfrifiaduron modern yn y modd hwn. Felly pensaernïaeth cyfrifiadur von Neumann yn wahanol, er enghraifft, o Harvard, fel nad yw'n defnyddio'r prif a cache chof.

cynhanes

Roedd y cyfrifiaduron cyntaf rhoddwyd rhaglen sefydlog. Mae rhai cyfrifiaduron syml iawn yn dal i ddefnyddio cynllun hwn neu at ddibenion symlrwydd neu hyfforddiant. Er enghraifft, cyfrifiannell n ben-desg hefyd yn gyfrifiadur gyda rhaglen sefydlog. Gall weithio gyda'r pethau sylfaenol o fathemateg, ond ni ellir ei ddefnyddio fel prosesydd geiriau , neu consol gemau. Newid y rhaglen peiriant sefydlog yn gofyn ailweirio, ailstrwythuro neu ad-drefnu y cyfarpar. Nid oedd y cyfrifiaduron cynharaf mor gul, fel y maent wedi'u datblygu ar gyfer y tro cyntaf ac at ddibenion gwyddonol. Ymddangosodd ailraglennu lawer yn ddiweddarach ac roedd yn broses lafurus, gan fod y diagramau bloc a arian papur ac yn gorffen dyluniadau manwl. Yn enwedig o anodd oedd y broses o foderneiddio o'r sianeli adfer peiriant corfforol. Gall gymryd tair wythnos gosod ar ENIAC ac yn ceisio i wneud iddo weithio.

Syniad newydd

Gyda chyfrifiadur, storio rhaglen mewn cof, newid popeth. Storio yn y cof, maent yn cael eu dylunio gyda set o gyfarwyddiadau. Mae hyn yn golygu y gall y peiriant ar unwaith yn cael set o gyfarwyddiadau i wneud y cyfrifiadau.

Mae dyluniad y rhaglenni o'r fath yn ymwneud â'r cod hunan-addasu. Un o'r planhigion cyntaf i fath wrthrych roedd angen algorithm i gynyddu neu newid y cyfeiriad yn rhan o orchmynion fel arall. Fe'i gosodwyd llaw mewn dyluniadau cynnar. Daeth hyn yn llai pwysig pan cofrestrau mynegai ac anuniongyrchol i'r afael â daeth nodweddion cyffredin sydd gan y bensaernïaeth cyfrifiadur peiriannau John von Neumann. Defnydd arall - i fewnosod data a ddefnyddir yn aml yn y llif o orchmynion gydag atebion ar unwaith. Ond mae'r cod hunan-addasu i raddau helaeth wedi cael ei feirniadu am ei fod fel arfer yn anodd i'w deall a dadfygio. Yn ogystal, mae hefyd yn profi i fod yn aneffeithiol o ran cynlluniau atgynhyrchu a caching o broseswyr modern.

Ar y cyfan, mae'r gallu i drin cyfarwyddiadau fel data - mae hyn yn beth sy'n gwneud cyfosodwyr, crynoadyddion, cyfosodwyr, llwythwyr ac offerynnau eraill gyda gwrthrychau posibl o raglenni awtomataidd. Fel petai, i ysgrifennu rhaglenni sy'n ysgrifennu rhaglenni. Ar raddfa lai, gweithrediadau mewnbwn ac allbwn dwys cylchol, megis y manipulations BitBlt-ddelwedd gyntefig neu picsel a fertig Shaders mewn 3D-graffeg modern, wedi cael eu canfod i fod yn aneffeithiol i redeg heb offer y defnyddiwr.

Datblygu cysyniad storio yn y cof rhaglen

Mathemategydd Alan Turing, ysgrifennodd a oedd â diddordeb yn y broblem o rhesymeg fathemategol ar ôl darlithoedd Max Newman ym Mhrifysgol Caergrawnt, erthygl yn 1936, cafodd ei gyhoeddi yn rhifyn y Gymdeithas Fathemategol Llundain. Ynddo, disgrifiodd beiriant damcaniaethol, mae ef o'r enw "peiriant cyfrifiadurol cyffredinol", ac sy'n cael ei adnabod erbyn hyn fel peiriant Turing cyffredinol. Roedd ganddi storio anfeidrol (mewn terminoleg modern - cof), a oedd yn cynnwys y ddwy cyfarwyddiadau a data, a grëwyd a'r bensaernïaeth. Daeth Von Neumann adnabod Turing ar adeg pan oedd yn athro gwadd yng Nghaergrawnt yn 1935, ac wrth amddiffyn ei draethawd doethuriaeth yn Sefydliad Turing gyfer Astudiaethau Uwch mewn Princeton (New Jersey) yn 1936-1937.

Yn annibynnol Ysgrifennodd Ji Presper Eckert a Dzhon Mochli, a ddatblygodd ENIAC Ysgol Peirianneg Trydanol ym Mhrifysgol Pennsylvania, ynghylch y cysyniad y peiriant, sy'n storio y rhaglen er cof ym mis Rhagfyr 1943. Wrth gynllunio peiriant newydd, y EDVAC, ysgrifennodd Eckert yn Ionawr 1944 y bydd yn storio'r data a rhaglenni yn y cof gyfeiriedig ddyfais newydd gan ddefnyddio oedi mercwri metelaidd. Hwn oedd y tro cyntaf y peiriant ymarfer sy'n storio y rhaglen mewn cof adeiladu wedi cael eu cynnig. Ar yr un pryd, nid oedd a Mauchly yn ymwybodol o waith Turing (yn y llun isod).

pensaernïaeth cyfrifiadur: Egwyddor Von Neumann

Roedd Von Neumann cymryd rhan yn y "Prosiect Manhattan" yn y Labordy Cenedlaethol yn Los Alamos, a oedd yn gofyn llawer iawn o gyfrifiannu. Denodd ef i'r prosiect yn haf 1944 ENIAC. Yno ymunodd y trafodaethau ar y cyfrifiadur EDVAC datblygu. O fewn y grŵp hwn, ysgrifennodd bapur o'r enw "Mae adroddiad drafft cyntaf ar y EDVAC», yn seiliedig ar waith Eckert a Mauchly. Roedd yn anorffenedig pan prosiect ddosbarthu ei gydweithiwr Goldstein gyda von Neumann (gyda llaw, Eckert a Mauchly eu syfrdanu newyddion hyn). Mae'r ddogfen hon wedi cael ei darllen gan ddwsinau o gydweithwyr von Neumann yn America ac Ewrop ac wedi cael effaith fawr ar y cam datblygu nesaf cyfrifiadur.

Yr egwyddorion sylfaenol o bensaernïaeth von Neumann, fel y nodir yn y "drafft cyntaf," ennill poblogrwydd eang, tra bod Turing a gwmpesir ei hadroddiad ar y cyfrifiannell electronig, sydd wedi cael ei ddisgrifio yn fanwl yn y peirianneg a rhaglennu. Mae wedi cael ei datgan a chyflwyno car yr awdur, a galwyd y Awtomatig Cyfrifiadura Engine (ACE). Cyflwynodd i'r pwyllgor gwaith y Labordy Ffisegol Cenedlaethol Prydain yn 1946. Ar ôl ychydig, hyd yn oed y gweithrediad llwyddiannus y cynlluniau amrywiol ACE eu cynhyrchu.

Dechreuwch prosiectau

Ac mae'r prosiect dogfennau von Neumann a Turing yn disgrifio cyfrifiadur storio mewn cof raglen benodol, ond yr erthygl Von Neumann cyflawni mwy o cylchrediad yn y gymdeithas, a phensaernïaeth cyfrifiadurol daeth yn adnabyddus fel pensaernïaeth John von Neumann.

Yn 1945, yr Athro Neumann, sydd wedyn yn gweithio yn yr ysgol peirianneg yn Philadelphia, lle cafodd gyntaf ENIAC ei adeiladu, a gyhoeddwyd ar ran ei gydweithwyr yn adrodd ar y cynllun rhesymegol o gyfrifiaduron digidol. Mae'r adroddiad yn rhoi cynnig eithaf manwl ar gyfer y peiriant, sydd ers hynny wedi dod yn adnabyddus fel y EDVAC adeiladu. Roedd hi wedi dim ond cael ei sefydlu yn ddiweddar yn America, ond mae adroddiad wedi ysbrydoli gweithrediad y von Neumann EDSAC greu.

Gwallgofiaid a Joniacs

Ym 1947, cyhoeddwyd Burks, Goldstein a von Neumann adroddiad arall a oedd yn cynnwys y math arall o gar (amser hwn cyfochrog), a oedd i fod i fod yn hynod o gyflym, yn gallu, efallai adeiladu, i gario hyd at 20,000 o lawdriniaethau yr eiliad. Nodwyd ganddynt fod y broblem heb ei datrys yn y gwaith o adeiladu ei oedd datblygu cof addas, rhaid i'r holl gynnwys sydd ar gael ar unwaith. Yn gyntaf, maent yn cynnig i ddefnyddio tiwb gwactod arbennig, a elwir yn Selectron, a gafodd ei dyfeisio yn y labordy Princeton. tiwbiau o'r fath yn ddrud, ac yn eu gwneud yn anodd iawn, yn enwedig os ydych yn defnyddio pensaernïaeth hwn. wedyn penderfynodd Von Neumann i adeiladu car yn seiliedig ar gof Williams. Mae'r peiriant hwn, a gwblhawyd ym Mehefin 1952 yn Princeton, wedi dod yn maniac adnabyddus (neu dim ond gwallgofiaid). Mae ei gynllun yn cael ei ysbrydoli gan y crewyr ar yr hanner dwsin neu ddyfeisiau fwy tebyg, sydd bellach yn cael eu hadeiladu yn America ac yn galw Johniacs comig adeiladu.

egwyddorion creu

Un o'r cyfrifiaduron digidol mwyaf modern, sy'n ymgorffori datblygiad a gwelliant yn y dechneg o gyfrifiannu electronig awtomatig wedi cael ei ddangos yn y Labordy Ffisegol Cenedlaethol yn Teddington, lle cafodd ei ddylunio a'i adeiladu gan grŵp bychan o fathemategwyr, peirianwyr a pheirianwyr ymchwil, gyda chymorth nifer o beirianwyr cynhyrchu gan y Electric English Company Ltd Mae'r offer yn dal i fod yn y labordy, ond dim ond fel prototeip o blanhigyn llawer mwy, sy'n cael ei adnabod fel y Cyfrifiadura Engine awtomatig. Ond, er gwaethaf y pwysau cymharol fach a chynnwys dim ond 800 o falfiau thermionic, mae'n beiriant cyfrif hynod o gyflym ac yn hyblyg.

cysyniadau sylfaenol ac egwyddorion haniaethol cyfrifiad gan ddefnyddio peiriannau wedi cael eu llunio gan Dr Turing ar sail yr un peth Cymdeithas Llundain Mathemategol yn 1936, ond yn gweithio ar beiriannau o'r fath yn y DU wedi cael ei ohirio gan y rhyfel. Yn 1945, yr arholiad y problemau o greu dyfeisiau o'r fath yn parhau yn y Labordy Ffisegol Cenedlaethol Dr. Vormsli, Uwcharolygydd yr Adran Fathemateg Labordy. Ymunodd â'r Turing a'i dîm bach o arbenigwyr, ac at 1947 cynllunio cychwynnol yn ddigon datblygedig i gyfiawnhau sefydlu grŵp arbennig.

Mae'r cyfrifiaduron cyntaf ar y bensaernïaeth von Neumann

Y prosiect cyntaf yn disgrifio cynllun sydd wedi cael ei ddefnyddio gan lawer o brifysgolion a chorfforaethau i adeiladu eu cyfrifiaduron eu hunain. Yn eu plith, dim ond ILLIAC ORDVAC a setiau cyfarwyddyd gydnaws.

Clasurol pensaernïaeth von Neumann ei hymgorffori ym Manceinion peiriant arbrofol bach (SSEM), llysenw Baby ym Mhrifysgol Manceinion, a oedd yn gwneud ei lansiad llwyddiannus cyntaf y ddyfais sy'n dal y cof rhaglen, 21 Mehefin, 1948.

Roedd Prifysgol EDSAC Caergrawnt, y cyfrifiadur electronig ymarferol cyntaf o'r math hwn, a lansiwyd yn llwyddiannus y tro cyntaf ym mis Mai 1949.

Mae datblygiad y modelau a grëwyd

Roedd gan IBM SSEC y cyfle i ystyried y cyfarwyddiadau fel data a ddangoswyd yn gyhoeddus 27 Ionawr, 1948. Mae'r gallu hwn yn cael ei gadarnhau yn yr Unol Daleithiau Pat. Fodd bynnag, roedd yn beiriant rhannol electromechanical, yn hytrach na gwbl electronig. Yn ymarferol, mae'r cyfarwyddiadau Darllenwyd o dâp papur oherwydd ei gof cyfyngedig.

Roedd Babi y cyfrifiadur yn gwbl electronig cyntaf i redeg y rhaglenni storio. Roedd yn rhedeg rhaglen ffactoreiddio am 52 munud, 21 Mehefin, 1948 ar ôl dechrau a cyfrifiad syml rhannu'r cyfrifiad sy'n dangos bod y ddau rif yn coprime.

Roedd ENIAC haddasu i weithio fel cyfrifiadur cyntefig ar gyfer darllen yn unig, ond ar yr un pensaernïaeth, ac wedi cael ei ddangos erbyn Medi 16 o, 1948 a lansio rhaglen Adele Goldstein a drefnwyd gyda chymorth von Neumann.

Treuliodd BINAC sawl rhaglen prawf ym mis Chwefror, Mawrth ac Ebrill 1949, er na chafodd ei gwblhau tan Medi 1949. Yn ogystal, mae profion yn rhedeg eu cynnal (rhai llwyddiannus) cyfrifiaduron electronig eraill, sydd yn nodweddiadol o bensaernïaeth. Von Neumann, gyda llaw, ac yn parhau i weithio ar y prosiect "Manhattan". Dyna fath ddyn amryddawn.

Esblygiad y bensaernïaeth system fysiau

Drwy'r degawdau, eisoes yn y 60au a'r 70au, cyfrifiaduron yn gyffredinol wedi dod yn llai ac yn gyflymach, gan arwain at esblygiad sydd wedi mynd drwy pensaernïaeth cyfrifiadur von Neumann. Er enghraifft, arddangos y mewnbwn ac allbwn cof yn caniatáu i'r priod dyfeisiau, data, a chyfarwyddiadau ar sut i integreiddio i mewn i'r system a fydd yn cael ei brosesu, yn aros yn y cof. Gall system bws yn cael ei ddefnyddio i ddarparu system fodiwlaidd gyda llai. Gelwir hyn yn weithiau mae'r "rhesymoli" pensaernïaeth. Yn ystod y degawdau dilynol, weithiau nid microcontrollers syml yn defnyddio rhai nodweddion o fodel nodweddiadol er mwyn lleihau'r gost a maint. Ond mae cyfrifiaduron mawr yn dilyn y bensaernïaeth sefydledig, gan eu bod wedi ychwanegu nodweddion i wella perfformiad.