Архітэктура фон Нэймана: гісторыя ўзнікнення тэрміна

Архітэктура машыны фон Нэймана, таксама вядомая як мадэль фон Нэймана, або Прынстанскага архітэктура, заснаваная на методыцы, апісанай у 1945 году матэматыкам і фізікам Джонам фон Нэйману ў рамках дакладу «Першы праект» аб вылічальнай машыне EDVAC.

схема архітэктуры

У дакладзе фон Нэймана апісвалася схема архітэктуры для электроннай лічбавай вылічальнай машыны з часткамі, якія складаюцца з блокаў апрацоўкі, якая змяшчае:

• арыфметыка-лагічнае прылада;
• працэсар рэгістраў;
• блок кіравання, які змяшчае рэгістр каманд і лічыльнік каманд;
• запамінальная прылада для захоўвання дадзеных;
• знешняе запамінальная прылада;
• ўваходныя і выходныя механізмы.

Сэнс распрацоўкі складаўся ў тым, каб любая захоўваемая на кампутары інфармацыя магла выкарыстоўвацца праграмай, у якой выбраныя дадзеныя аперацыі не могуць прайгравацца адначасова, таму што яны падзяляюць агульную шыну. Гэта згадваецца ў «Першым праекце», які апісвае думкі вучонага аб тым, якой павінна быць архітэктура. Фон Нэйман называў такую сітуацыю «вузкім месцам», якое часта абмяжоўвае прадукцыйнасць сістэмы.

Прынцыпы архітэктуры фон Нэймана

Лічбавай кампутар - гэта ЭВМ, якая захоўвае праграму, якая ўтрымлівае праграмныя інструкцыі, дадзеныя для чытання, запісы, а таксама ўключае ў сябе памяць з адвольным доступам (RAM). Прынцыпы архітэктуры Джона фон Нэймана выкладзены таксама ў яго працы «Першы праект». Згодна з ім, кампутары з захоўваемай у памяці праграмай былі удасканаленнем у параўнанні з кіраваннем кампутараў, такіх як ENIAC. Апошні быў запраграмаваны з дапамогай ўстаноўкі перамыкачоў і ўстаўкі патча, які прыводзіць да маршрутызацыі дадзеных і сігналах кіравання паміж рознымі функцыянальнымі блокамі. У пераважнай большасці сучасных кампутараў памяць таксама выкарыстоўваецца падобным чынам. Пры гэтым архітэктура ЭВМ фон Нэймана адрозніваецца, напрыклад, ад Гарвардскай, тым, што яна выкарыстоўвае ня асноўную, а кэш-памяць.

перадгісторыя

Першыя вылічальныя машыны мелі зададзеныя фіксаваныя праграмы. Некаторыя вельмі простыя кампутары да гэтага часу выкарыстоўваюць гэтую канструкцыю альбо для прастаты, альбо ў навучальных мэтах. Напрыклад, настольны калькулятар таксама з'яўляецца ЭВМ з фіксаванай праграмай. Ён можа працаваць з асновамі матэматыкі, але ён не можа быць выкарыстаны як тэкставы працэсар або гульнявая кансоль. Змена фіксаванай праграмы машыны патрабуе перемонтажа, рэструктурызацыі або рэарганізацыі апарата. Самыя раннія кампутары не былі настолькі вузканакіраваных, так як яны былі распрацаваны ўпершыню і ў навуковых мэтах. Перапраграмаванне з'явілася значна пазней, і гэта быў працаёмкі працэс, пачынаючы з блок-схем і папяровых купюр і заканчваючы падрабязнымі тэхнічнымі праектамі. Асабліва цяжкім быў працэс фізічнай мадэрнізацыі каналаў аднаўлення машыны. Можа заняць тры тыдні ўстаноўка праграмы на ENIAC і спробы прымусіць яе працаваць.

Новая ідэя

З прапановай кампутара, які захоўвае праграмы ў памяці, усё змянілася. Захоўваюцца ў памяці, яны з'яўляюцца канструкцыяй з наборам інструкцый. А значыць, машына можа адразу атрымаць набор каманд, каб зрабіць вылічэнні.

Канструкцыя такіх праграм ставіцца да самомодифицирующимся кодах. Адной з першых установак для такога аб'екта была неабходнасць у алгарытме для павелічэння або іншым чынам змены адраснай частцы каманд. Ён рабіўся ўручную ў ранніх канструкцыях. Гэта стала менш важным, калі індэксны рэгістры і ўскосная адрасаванне сталі звычайнымі характарыстыкамі, якімі валодае архітэктура ЭВМ Джона фон Нэймана машыны. Іншы спосаб выкарыстання - устаўляць часта выкарыстоўваныя дадзеныя ў патоку каманды з дапамогай неадкладнага рашэння. Але самомодифицирующийся код у значнай ступені раскрытыкаваўся, паколькі яго, як правіла, цяжка зразумець і адладзіць. Акрамя таго, ён апынуўся таксама неэфектыўным ў плане прайгравання і кэшавання схем сучасных працэсараў.

Па вялікім рахунку, здольнасць ставіцца да інструкцыі як да дадзеных - гэта тое, што робіць асэмблеры, кампілятары, зборшчыкі, пагрузчыкі і іншыя інструменты з магчымымі аб'ектамі аўтаматызаванага праграмавання. Так бы мовіць, пісаць праграмы, якія пішуць праграмы. У меншым маштабе паўтараюцца інтэнсіўныя аперацыі ўводу і вываду, такія як BitBlt-маніпуляцыі з выявай прымітыўных або піксельных і вяршынных шэйдараў ў сучаснай 3D-графіцы, былі прызнаныя неэфектыўнымі для працы без карыстацкага абсталявання.

Распрацоўка канцэпцыі захоўваемай у памяці праграмы

Матэматык Алан Т'юрынг, які адчуваў цікавасць да праблемы матэматычнай логікі пасля лекцыі Макса Ньюмана ў Кембрыджскім універсітэце, напісаў артыкул у 1936 годзе, яна была апублікавана ў выданні Лонданскага матэматычнага грамадства. У ёй ён апісаў гіпатэтычную машыну, якую назваў «універсальнай вылічальнай машынай», і якая цяпер вядомая як універсальная машына Цьюрынга. Яна мела бясконцае сховішча (у сучаснай тэрміналогіі - памяць), якое ўтрымлівала як інструкцыі, так і дадзеныя, для чаго і стваралася дадзеная архітэктура. Фон Нэйман пазнаёміўся з Т'юрынга ў той час, калі ён быў запрошаным прафесарам у Кембрыджы ў 1935 годзе, а таксама ў ходзе абароны доктарскай дысертацыі Цьюрынга ў Інстытуце перспектыўных даследаванняў у Прынстане (штат Нью-Джэрсі) у 1936-1937 гадах.

Незалежна адзін ад аднаго Джы Преспер Экерт і Джон Мочли, якія распрацоўвалі ENIAC ў школе электратэхнікі ў Універсітэце штата Пэнсыльванія, пісалі пра канцэпцыю машыны, якая захоўвае праграму ў памяці ў сьнежні 1943 году. Пры планаванні новай машыны, EDVAC, Экерт пісаў у студзені 1944 гады, што яна будуць захоўваць дадзеныя і праграмы ў новым прыладзе з адрасаваннем памяці з дапамогай затрымкі металічнай ртуці. Гэта быў першы раз, калі было прапанавана будаўніцтва на практыцы машыны, якая захоўвае праграму ў памяці. У той жа час ён і Мочли ня былі дасведчаныя аб рабоце Цьюрынга (фота ніжэй).

Архітэктура кампутара: прынцып фон Нэймана

Фон Нэйман быў уцягнуты ў «Праект Манхэтэн» у Нацыянальнай лабараторыі ў Лос-Аламосе, які патрабаваў велізарнай колькасці вылічэнняў. Гэта прыцягнула яго да праекту ENIAC летам 1944 года. Там ён уступіў у дыскусіі па распрацоўцы кампутара EDVAC. У рамках гэтай групы ён напісаў працу пад назвай «Першы праект дакладу аб EDVAC», заснаваную на працы Экерт і Мочли. Яна была незавершанай, калі яго калега Гольдштэйн распаўсюдзіў праект з імем фон Нэймана (дарэчы, Экерт і Мочли былі ашаломленыя такой навіной). Гэты дакумент быў прачытаны дзесяткамі калегаў фон Нэймана ў Амерыцы і Еўропе і аказаў сур'ёзны ўплыў на наступны этап кампутарных распрацовак.

Асноўныя прынцыпы архітэктуры фон Нэймана, выкладзеныя ў «Першым праекце», набіралі шырокую вядомасць, у той час як Т'юрынг асвятляў свой даклад аб электронным калькулятары, які быў падрабязна апісаны ў тэхніцы і праграмаванні. У ім было выкладзена і прадстаўленне аўтара пра машыну, якая называлася Automatic Computing Engine (ACE). Ён прадставіў яго выканаўчаму камітэту брытанскай Нацыянальнай фізічнай лабараторыі ў 1946 годзе. Праз некаторы час нават былі зроблены розныя паспяховыя рэалізацыі канструкцыі ACE.

Пачатак рэалізацыі праектаў

І праект фон Нэймана, і дакументы Цьюрынга апісвалі кампутары, якія захоўваюць у памяці пэўную праграму, але артыкул фон Нэймана дасягнула большай цыркуляцыі ў грамадстве, і кампутарная архітэктура стала вядомая як архітэктура Джона фон Нэймана.

У 1945 годзе прафэсар Нэйман, які тады працаваў у інжынернай школе ў Філадэльфіі, дзе і быў пабудаваны першы ENIAC, выпусціў ад імя ўсёй групы сваіх калег даклад аб лагічным праектаванні лічбавых вылічальных машын. У дакладзе ўтрымліваецца даволі падрабязнае прапанова па канструкцыі машыны, якая з тых часоў стала вядомая як EDVAC. Яна тады толькі нядаўна была створана ў Амерыцы, але даклад натхніў фон Нэймана на стварэнне EDSAC.

Maniacs і Joniacs

У 1947 году Беркс, Гольдштэйн і фон Нэйман апублікавалі яшчэ адзін даклад, у якім асьвятлялася канструкцыя іншага тыпу машыны (на гэты раз паралельная), якая павінна была стаць надзвычай хуткай, здольнай, магчыма, ажыццяўляць да 20 000 аперацый у секунду. Яны адзначылі, што нявырашанай праблемай пры пабудове яе была распрацоўка прыдатнай памяці, усё змесціва якой павінна быць імгненна даступна. Спачатку яны прапанавалі выкарыстоўваць спецыяльную вакуумную трубку, званую Selectron, якая была вынайдзеная ў Прынстанскім лабараторыі. Такія трубкі былі дарагімі, і зрабіць іх вельмі цяжка, асабліва калі выкарыстоўваецца дадзеная архітэктура. Фон Нэйман пазьней адважыўся пабудаваць машыну, заснаваную на памяці Williams. Гэтая машына, якая была завершана ў чэрвені 1952 года Прынстане, стала шырока вядомая MANIAC (ці проста Maniacs). Яе дызайн натхніў стваральнікаў на канструяванне паўтузіна ці больш аналагічных прыбораў, якія цяпер будуюцца ў Амерыцы і называюцца жартоўна Johniacs.

прынцыпы стварэння

Адзін з самых сучасных лічбавых кампутараў, ўвасабляць распрацоўкі і ўдасканалення ў тэхніцы аўтаматычнага электроннага вылічэнні, быў прадэманстраваны ў Нацыянальнай фізічнай лабараторыі ў Теддингтоне, дзе ён быў спраектаваны і пабудаваны невялікай групай матэматыкаў, электроншчыкаў і інжынераў-даследчыкаў, пры садзейнічанні шэрагу вытворчых інжынераў з ангельскай Electric Company Ltd. Абсталяванне да гэтага часу знаходзіцца ў лабараторыі, але толькі як дасведчаны ўзор значна большай ўстаноўкі, якая вядомая як Automatic Computing Engine. Але, нягледзячы на параўнальна невялікую масу і змест толькі 800 термоионных клапанаў, ён з'яўляецца надзвычай хуткай і універсальнай падліковай машынай.

Асноўныя паняцці і абстрактныя прынцыпы разліку з дапамогай машыны былі сфармуляваны доктарам Т'юрынга на базе ўсё таго ж Лонданскага матэматычнага грамадства яшчэ ў 1936 годзе, але праца над такімі машынамі ў Вялікабрытаніі была затрыманая вайной. У 1945 году разгляд праблем стварэння такіх прыладаў працягнулася ў Нацыянальнай фізічнай лабараторыі доктарам Вормсли, супэрінтэндант лабараторыі Аддзялення матэматыкі. Ён далучыўся да Цьюрынга са сваім невялікім штатам спецыялістаў, а да 1947 годзе папярэдняе планаванне было дастаткова прасунута, каб апраўдаць стварэнне спецыяльнай групы.

Першыя кампутары на архітэктуры фон Нэймана

Першы праект апісвае схему, якая была выкарыстаная многімі універсітэтамі і карпарацыямі, каб пабудаваць свае кампутары. Сярод іх толькі ILLIAC і ORDVAC мелі сумяшчальныя наборы інструкцый.

Класічная архітэктура фон Нэймана была ўвасоблена ў Манчэстэрскага малой эксперыментальнай машыне (SSEM) па мянушцы Baby з універсітэта Манчэстэра, якая здзейсніла свой першы паспяховы запуск як прылада, якое захоўвае праграму ў памяці, 21 Чэрвеня 1948 года.

EDSAC з Кембрыджскага універсітэта, першы практычны электронны кампутар такога тыпу, быў запушчаны першы раз паспяхова ў траўні 1949 гады.

Развіццё створаных мадэляў

IBM SSEC меў магчымасць разглядаць інструкцыі як дадзеныя і быў публічна прадэманстраваны 27 студзеня 1948 года. Гэтая здольнасць сцвярджалася ў патэнце ЗША. Аднак гэта была часткова электрамеханічная машына, а не цалкам электронная. На практыцы інструкцыі былі прачытаны з папяровай стужкі з-за яго абмежаванай памяці.

Baby быў першым цалкам электронным кампутарам для запуску захаваных праграм. Ён запускаў праграму факторынгу на працягу 52 хвілін 21 чэрвеня 1948 гады пасля запуску простага вылічэнні дзялення і разліку, які паказвае, што два ліку з'яўляюцца ўзаемна простымі.

ENIAC быў зменены, каб працаваць у якасці прымітыўнай ЭВМ толькі для чытання, але па той жа архітэктуры, і быў прадэманстраваны 16 верасня 1948 г, а запуск праграмы Адэль Гольдштэйн арганізавала з дапамогай фон Нэймана.

BINAC правёў некалькі тэставых праграм у лютым, сакавіку і красавіку 1949 года, хоць і не быў завершаны да верасня 1949 гады. Акрамя таго, ажыццяўляліся тэставыя запускі (некаторыя паспяховыя) іншых электронна-вылічальных машын, для якіх ўласцівая дадзеная архітэктура. Фон Нэйман, дарэчы, працягваў працу і над праектам "Манхеттен". Вось такі універсальны чалавек.

Эвалюцыя шыннай сістэмы архітэктуры

Праз дзесяцігоддзі, ужо ў 60-я і 70-я гады, кампутары ў цэлым сталі менш і хутчэй, што прывяло да некаторых эвалюцыі, якія зведала архітэктура ЭВМ па фон Нэйману. Напрыклад, адлюстраванне ў памяці ўводу і вываду дазваляе адпаведным прыладам, дадзеныя і інструкцыі па інтэграцыі ў сістэму якіх будуць апрацоўвацца, заставацца ў памяці. Адна шынная сістэма можа быць выкарыстана для забеспячэння модульнай сістэмы з меншымі. Гэта часам называюць «рацыяналізацыяй» архітэктуры. У наступныя дзесяцігоддзі простыя мікракантролеры часам не выкарыстоўваюць некаторыя рысы тыповай мадэлі, каб знізіць кошт і памер. А вось вялікія кампутары ідуць усталяванай архітэктуры, так як у іх дададзеныя функцыі для павышэння прадукцыйнасці.