สถาปัตยกรรม von Neumann: ประวัติศาสตร์ของการเกิดขึ้นของคำว่า

สถาปัตยกรรม ของ von Neumann, ยังเป็นที่รู้จักรุ่น von Neumann หรือสถาปัตยกรรมพรินซ์ตันขึ้นอยู่กับวิธีการที่อธิบายในปี 1945 นักคณิตศาสตร์และนักฟิสิกส์จอห์น von Neumann ในรายงาน "ร่างครั้งแรก" ของ EDVAC คอมพิวเตอร์

สถาปัตยกรรมวงจร

รายงานอธิบายสถาปัตยกรรมแผนภาพ von Neumann ของดิจิตอลคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีชิ้นส่วนที่ประกอบด้วยหน่วยประมวลผลประกอบด้วย:

• หน่วยตรรกะทางคณิตศาสตร์;
• การลงทะเบียนของหน่วยประมวลผล;
• หน่วยควบคุมประกอบการเรียนการสอนการลงทะเบียนและโปรแกรมเคาน์เตอร์;
• หน่วยความจำสำหรับการจัดเก็บข้อมูล
• อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลภายนอก
• input และ output กลไก

ความหมายของการพัฒนาประกอบด้วยในความจริงที่ว่าข้อมูลใด ๆ ที่เก็บไว้ในข้อมูลคอมพิวเตอร์ที่สามารถใช้งานโดยโปรแกรมซึ่งในการดำเนินการข้อมูลที่เลือกไม่สามารถเล่นในเวลาเดียวกันเพราะพวกเขาร่วมกันรถทั่วไป มันถูกกล่าวถึงใน "ร่างแรก" ซึ่งอธิบายความคิดเกี่ยวกับสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์สถาปัตยกรรมที่ควรจะเป็น Von Neumann เรียกว่าสถานการณ์เช่นนี้ "คอขวด" ซึ่งมักจะ จำกัด ประสิทธิภาพการทำงานของระบบ

หลักการของสถาปัตยกรรม von Neumann

ดิจิตอลคอมพิวเตอร์ - คอมพิวเตอร์จัดเก็บโปรแกรมที่ประกอบด้วยคำแนะนำการใช้โปรแกรมอ่านข้อมูลการเขียนและยังมีหน่วยความจำ (RAM) หลักการของสถาปัตยกรรมโดยจอห์น von Neumann ที่ระบุไว้ในการทำงานของเขา "โครงการแรก." ตามเขาคอมพิวเตอร์ที่เก็บไว้ในหน่วยความจำโปรแกรมมีการปรับปรุงอยู่เหนือการควบคุมของคอมพิวเตอร์เช่น ENIAC หลังถูกตั้งโปรแกรมโดยการตั้งสวิทช์และการแทรกของแพทช์ที่มีผลในการกำหนดเส้นทางข้อมูลและการควบคุมสัญญาณระหว่างบล็อกการทำงานต่างๆ ในส่วนใหญ่ของหน่วยความจำยังถูกใช้โดยเครื่องคอมพิวเตอร์ที่ทันสมัยในลักษณะนี้ ดังนั้น สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ von Neumann จะแตกต่างกันตัวอย่างเช่นจากฮาร์วาร์เพื่อที่จะไม่ได้ใช้หน่วยความจำหลักและแคช

ประวัติศาสตร์

คอมพิวเตอร์เป็นครั้งแรกที่ได้รับโปรแกรมที่คงที่ คอมพิวเตอร์บางเครื่องที่ง่ายมากยังคงใช้การออกแบบนี้หรือเพื่อวัตถุประสงค์เรียบง่ายหรือการฝึกอบรม ยกตัวอย่างเช่นเครื่องคิดเลขตั้งโต๊ะยังเป็นเครื่องคอมพิวเตอร์ที่มีโปรแกรมที่คงที่ มันสามารถทำงานกับพื้นฐานของคณิตศาสตร์ แต่ก็ไม่สามารถนำมาใช้เป็น โปรแกรมประมวลผลคำ หรือเกมคอนโซล การเปลี่ยนโปรแกรมเครื่องคงต้องเดินสายการปรับโครงสร้างหรือการปรับโครงสร้างของเครื่อง คอมพิวเตอร์ที่เก่าแก่ที่สุดไม่ได้แคบเพื่อที่พวกเขาได้รับการพัฒนาขึ้นเป็นครั้งแรกและเพื่องานทางวิทยาศาสตร์ reprogramming ปรากฏมากในภายหลังและมันก็เป็นกระบวนการลำบากเนื่องจากบล็อกไดอะแกรมและธนบัตรและสิ้นสุดการออกแบบรายละเอียด โดยเฉพาะอย่างยิ่งยากเป็นกระบวนการของการสร้างสรรค์สิ่งใหม่ ๆ ของช่องการกู้คืนเครื่องทางกายภาพ มันอาจใช้เวลาติดตั้งสามสัปดาห์ใน ENIAC และพยายามที่จะทำให้มันทำงาน

ความคิดใหม่

ด้วยเครื่องคอมพิวเตอร์จัดเก็บโปรแกรมในหน่วยความจำทุกอย่างเปลี่ยนไป เก็บไว้ในหน่วยความจำของพวกเขามีการออกแบบที่มีชุดคำสั่ง ซึ่งหมายความว่าเครื่องได้ทันทีจะได้รับชุดของคำสั่งเพื่อดำเนินการคำนวณ

การออกแบบของโปรแกรมดังกล่าวเกี่ยวข้องกับรหัสตัวเองการปรับเปลี่ยน หนึ่งในพืชที่แรกสำหรับวัตถุดังกล่าวเป็นความจำเป็นสำหรับขั้นตอนวิธีการที่จะเพิ่มหรือมิฉะนั้นเปลี่ยนส่วนที่อยู่ของคำสั่ง เขาถูกวางไว้ด้วยตนเองในการออกแบบต้น เรื่องนี้กลายเป็นความสำคัญน้อยกว่าเมื่อลงทะเบียนดัชนีและทางอ้อม addressing กลายเป็นลักษณะทั่วไปครอบงำโดยสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์เครื่อง John von Neumann การใช้งานอื่น ๆ - การแทรกข้อมูลที่ใช้บ่อยในสตรีมของคำสั่งกับการแก้ปัญหาทันที แต่รหัสตัวเองการปรับเปลี่ยนในระดับใหญ่ได้รับการวิพากษ์วิจารณ์เพราะมันมักจะยากที่จะเข้าใจและแก้ปัญหา นอกจากนี้เขายังได้รับการพิสูจน์จะไม่ได้ผลในแง่ของการทำสำเนาและแคชแผนการของโปรเซสเซอร์ที่ทันสมัย

และโดยมากความสามารถในการรักษาคำแนะนำเป็นข้อมูล - นี่คือสิ่งที่ทำให้ผู้ประกอบคอมไพเลอร์, ประกอบ, รถตักและเครื่องมืออื่น ๆ กับวัตถุที่เป็นไปได้ของการเขียนโปรแกรมแบบอัตโนมัติ เพื่อที่จะพูดในการเขียนโปรแกรมที่เขียนโปรแกรม ในขนาดที่เล็กเข้าและส่งออกที่รุนแรงที่เกิดขึ้นการดำเนินงานเช่นกิจวัตร BitBlt ภาพดั้งเดิมหรือพิกเซลและจุดสุดยอดให้เฉดสีในกราฟิก 3D ที่ทันสมัยได้รับพบว่าจะไม่ได้ผลในการทำงานโดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์

การพัฒนาแนวคิดที่เก็บไว้ในหน่วยความจำโปรแกรม

คณิตศาสตร์ อลันทัวริง ที่มีความสนใจในปัญหาของตรรกะทางคณิตศาสตร์หลังจากที่แม็กซ์นิวแมนบรรยายที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์เขียนบทความในปี 1936 มันถูกตีพิมพ์ในฉบับของสังคมในลอนดอนคณิตศาสตร์ ในนั้นเขาอธิบายเครื่องสมมุติซึ่งเขาเรียกว่า "เครื่องคอมพิวเตอร์สากล" และที่เป็นที่รู้จักกันในขณะนี้เป็นเครื่องทัวริงสากล เธอมีการจัดเก็บข้อมูลที่ไม่มีที่สิ้นสุด (ในคำศัพท์ที่ทันสมัย - หน่วยความจำ) ซึ่งมีทั้งคำแนะนำและข้อมูลซึ่งถูกสร้างขึ้นและสถาปัตยกรรม Von Neumann เริ่มคุ้นเคยกับทัวริงในช่วงเวลาที่เขาเป็นอาจารย์ไปที่เคมบริดจ์ในปี 1935 และในหลักสูตรของการปกป้องวิทยานิพนธ์ปริญญาเอกของเขาที่สถาบันทัวริงสำหรับการศึกษาขั้นสูงในพรินซ์ตัน (นิวเจอร์ซีย์) ใน 1936-1937

อิสระจีเพรสเปอร์เอ็คเกิร์ตและ Dzhon Mochli ผู้พัฒนา ENIAC โรงเรียนวิศวกรรมไฟฟ้าที่มหาวิทยาลัยเพนซิลเขียนเกี่ยวกับแนวคิดของตัวเครื่องที่เก็บโปรแกรมในหน่วยความจำในธันวาคม 1943 เมื่อวางแผนเครื่องใหม่ EDVAC, Eckert เขียนไว้ในมกราคม 1944 ที่จะจัดเก็บข้อมูลและโปรแกรมในหน่วยความจำแอดเดรสอุปกรณ์ใหม่โดยใช้ล่าช้าโลหะปรอท มันเป็นครั้งแรกที่การก่อสร้างของเครื่องการปฏิบัติที่เก็บในหน่วยความจำโปรแกรมที่ได้รับการเสนอชื่อ ในเวลาเดียวกันเขา Mauchly และไม่ทราบการทำงานของทัวริง (ภาพด้านล่าง)

สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์: หลักการ Von Neumann

Von Neumann มีส่วนร่วมใน "โครงการแมนฮัตตัน" ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอสอาลามอสซึ่งต้องเป็นจำนวนมากของการคำนวณ มันดึงดูดเขาให้กับโครงการในช่วงฤดูร้อนปี 1944 ที่ ENIAC ที่นั่นเขาได้เข้าร่วมการอภิปรายเกี่ยวกับการพัฒนาคอมพิวเตอร์ EDVAC ภายในกลุ่มนี้เขาเขียนบทความชื่อ "ร่างรายงานครั้งแรกใน EDVAC »ขึ้นอยู่กับการทำงานของ Mauchly และ Eckert มันก็ยังไม่เสร็จเมื่อเพื่อนร่วมงานของเขา Goldstein กระจายโครงการที่มี von Neumann (โดยวิธีการที่ Mauchly และ Eckert ตะลึงข่าวนี้) เอกสารฉบับนี้ได้รับการอ่านโดยนับสิบของเพื่อนร่วมงาน von Neumann ในอเมริกาและยุโรปและมีผลกระทบต่อขั้นตอนต่อไปของการพัฒนาคอมพิวเตอร์

หลักการพื้นฐานของสถาปัตยกรรม von Neumann ตามที่กำหนดไว้ใน "ร่างแรก" ได้รับความนิยมกว้างในขณะที่ทัวริงปกคลุมรายงานของเธอบนเครื่องคิดเลขอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งได้รับการอธิบายในรายละเอียดในด้านวิศวกรรมและการเขียนโปรแกรม มันได้รับการระบุและการนำเสนอของรถของผู้เขียนซึ่งถูกเรียกว่าคอมพิวเตอร์เครื่องยนต์อัตโนมัติ (ACE) เขานำเสนอไปยังคณะกรรมการบริหารของห้องปฏิบัติการแห่งชาติอังกฤษทางกายภาพในปี 1946 หลังจากที่ในขณะแม้กระทั่งการดำเนินงานที่ประสบความสำเร็จของการออกแบบ ACE ต่างๆถูกผลิต

เริ่มต้นโครงการ

และโครงการของเอกสาร von Neumann และทัวริงอธิบายคอมพิวเตอร์จัดเก็บในหน่วยความจำโปรแกรมเฉพาะ แต่บทความ Von Neumann ประสบความสำเร็จในการไหลเวียนมากขึ้นในสังคมและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์กลายเป็นที่รู้จักสถาปัตยกรรม John von Neumann

ในปี 1945 ศาสตราจารย์นอยมันน์ที่แล้วทำงานในโรงเรียนวิศวกรรมในฟิลาเดลครั้งแรกที่เขา ENIAC สร้างออกในนามของเพื่อนร่วมงานของเขารายงานเกี่ยวกับการออกแบบเชิงตรรกะของดิจิตอลคอมพิวเตอร์ รายงานให้รายละเอียดข้อเสนออย่างเป็นธรรมในการก่อสร้างของเครื่องซึ่งได้กลายเป็นที่รู้จักในฐานะ EDVAC เธอได้เพียงไม่นานมานี้ก่อตั้งขึ้นในอเมริกา แต่รายงานที่ได้สร้างแรงบันดาลใจของ von Neumann EDSAC

Maniacs และ Joniacs

ในปี 1947, Burks, Goldstein และ von Neumann ตีพิมพ์รายงานอีกซึ่งครอบคลุมการก่อสร้างอีกประเภทหนึ่งของรถ (เวลาขนานนี้) ซึ่งควรจะเป็นได้อย่างรวดเร็วมีความสามารถที่อาจจะดำเนินการได้ถึง 20,000 ต่อวินาที พวกเขาสังเกตเห็นว่าปัญหาได้รับการแก้ไขในการก่อสร้างของมันคือการพัฒนาของหน่วยความจำที่เหมาะสมเนื้อหาทั้งหมดของซึ่งจะต้องใช้การได้ทันที ก่อนที่พวกเขาเสนอให้ใช้หลอดสูญญากาศพิเศษที่เรียกว่า Selectron ซึ่งถูกคิดค้นขึ้นที่ห้องปฏิบัติการพรินซ์ตัน ท่อดังกล่าวมีราคาแพงและทำให้พวกเขายากมากโดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าคุณกำลังใช้สถาปัตยกรรมนี้ Von Neumann ต่อมาตัดสินใจที่จะสร้างรถขึ้นอยู่กับหน่วยความจำวิลเลียมส์ เครื่องนี้เป็นที่เรียบร้อยแล้วในมิถุนายน 1952 ที่พรินซ์ตันได้กลายเป็นที่รู้จักอย่างกว้างขวางบ้า (หรือเพียงแค่ Maniacs) การออกแบบที่เป็นแรงบันดาลใจโดยผู้สร้างในการก่อสร้างของครึ่งโหลหรือคล้ายกันมากกว่าอุปกรณ์ซึ่งตอนนี้ถูกสร้างขึ้นในอเมริกาและเรียก Johniacs การ์ตูน

หลักการสร้าง

หนึ่งในดิจิตอลคอมพิวเตอร์ที่ทันสมัยที่สุดเชิงการพัฒนาและปรับปรุงในเทคนิคของการคำนวณอิเล็กทรอนิกส์อัตโนมัติได้รับการพิสูจน์ในห้องปฏิบัติการทางกายภาพแห่งชาติใน Teddington ที่มันถูกออกแบบและสร้างโดยกลุ่มเล็ก ๆ ของนักคณิตศาสตร์วิศวกรและวิศวกรวิจัยด้วยความช่วยเหลือของจำนวนวิศวกรการผลิตจากอังกฤษไฟฟ้า บริษัท จำกัด อุปกรณ์ที่ยังคงอยู่ในห้องปฏิบัติการ แต่เป็นเพียงต้นแบบของโรงงานขนาดใหญ่ซึ่งเป็นที่รู้จักกันเป็นเครื่องยนต์คอมพิวเตอร์อัตโนมัติ แต่แม้จะมีน้ำหนักที่ค่อนข้างเล็กและเนื้อหาของเพียง 800 thermionic วาล์วมันเป็นเครื่องนับอย่างรวดเร็วและหลากหลาย

แนวคิดพื้นฐานและการคำนวณโดยใช้เครื่องหลักการนามธรรมได้รับการคิดค้นโดยดร. ทัวริงบนพื้นฐานของสังคมเดียวกันลอนดอนคณิตศาสตร์ในปี 1936 แต่การทำงานในเครื่องดังกล่าวในสหราชอาณาจักรได้รับล่าช้าจากสงคราม ในปี 1945 การตรวจสอบของปัญหาของการสร้างอุปกรณ์ดังกล่าวอย่างต่อเนื่องที่ทางห้องปฏิบัติการแห่งชาติดร. Vormsli กำกับของกรมห้องปฏิบัติการคณิตศาสตร์ เขาเข้าร่วมทัวริงและทีมงานเล็ก ๆ ของเขาของผู้เชี่ยวชาญและการวางแผนเบื้องต้น 1947 เป็นขั้นสูงพอที่จะแสดงให้เห็นถึงการจัดตั้งกลุ่มพิเศษ

คอมพิวเตอร์ครั้งแรกบนสถาปัตยกรรม von Neumann

โครงการแรกอธิบายโครงการที่ได้รับการใช้โดยมหาวิทยาลัยหลายแห่งและ บริษัท ที่จะสร้างเครื่องคอมพิวเตอร์ของตัวเอง ในหมู่พวกเขาเพียง ILLIAC ORDVAC และมีชุดคำสั่งที่เข้ากันได้

คลาสสิกสถาปัตยกรรม von Neumann เป็นตัวเป็นตนในแมนเชสเตอร์เครื่องทดลองขนาดเล็ก (SSEM) ชื่อเล่นเด็กที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ซึ่งทำให้การเปิดตัวที่ประสบความสำเร็จเป็นครั้งแรกของอุปกรณ์ที่มีหน่วยความจำโปรแกรมที่ 21 มิถุนายน 1948

EDSAC มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์เป็นครั้งแรกคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์การปฏิบัติของชนิดนี้ได้รับการเปิดตัวที่ประสบความสำเร็จเป็นครั้งแรกพฤษภาคม 1949

การพัฒนารูปแบบการสร้าง

ไอบีเอ็ม SSEC มีโอกาสที่จะพิจารณาคำแนะนำที่เป็นข้อมูลและได้แสดงให้เห็นถึงสาธารณชน 27 มกราคม 1948 ความสามารถนี้ได้ประกาศคงอันดับเครดิตในสหรัฐอเมริกาแพ็ต แต่มันเป็นเครื่องไฟฟ้าบางส่วนมากกว่าอิเล็กทรอนิกส์อย่างเต็มที่ ในทางปฏิบัติคำแนะนำที่ถูกอ่านจากเทปกระดาษเพราะของหน่วยความจำ จำกัด

เด็กเป็นครั้งแรกที่คอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์อย่างเต็มที่ที่จะเรียกใช้โปรแกรมที่เก็บไว้ โปรแกรมมันแฟวิ่ง 52 นาที 21 มิถุนายน 1948 หลังจากที่เริ่มต้นและคำนวณง่ายหารคำนวณซึ่งแสดงให้เห็นว่าทั้งสองตัวเลข coprime

ENIAC มีการปรับเปลี่ยนการทำงานเป็นคอมพิวเตอร์ดั้งเดิมสำหรับอ่านอย่างเดียว แต่ในสถาปัตยกรรมเดียวกันและได้รับการแสดงให้เห็นถึง 16 กันยายน 1948 และเปิดตัวของโปรแกรมอะเดลโกลด์ชไตน์จัดด้วยความช่วยเหลือของ von Neumann

BINAC ใช้เวลาหลายโปรแกรมการทดสอบในเดือนกุมภาพันธ์เดือนมีนาคมและเมษายน 1949 แม้ว่ามันจะไม่สมบูรณ์จนกว่ากันยายน 1949 นอกจากนี้การทดสอบวิ่งได้ดำเนินการ (ที่ประสบความสำเร็จบางคน) คอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ ซึ่งเป็นลักษณะของสถาปัตยกรรม Von Neumann โดยวิธีการและต่อเนื่องในการทำงานกับ "แมนฮัตตัน" โครงการ ที่เป็นเช่นคนที่หลากหลาย

วิวัฒนาการของสถาปัตยกรรมระบบรถบัส

ผ่านทศวรรษที่ผ่านมาแล้วในยุค 60s และ 70s คอมพิวเตอร์ทั่วไปได้กลายเป็นขนาดเล็กและเร็วส่งผลในการวิวัฒนาการที่ผ่านสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ von Neumann ยกตัวอย่างเช่นการแสดงผลของหน่วยความจำเข้าและส่งออกที่จะช่วยให้ผู้ที่เกี่ยวข้องอุปกรณ์ข้อมูลและคำแนะนำเกี่ยวกับวิธีการที่จะบูรณาการเข้าสู่ระบบซึ่งจะมีการประมวลผลยังคงอยู่ในความทรงจำ ระบบรถบัสอาจถูกใช้เพื่อให้ระบบ modular ที่มีขนาดเล็ก นี้บางครั้งเรียกว่า "ลบล้าง" ของสถาปัตยกรรม ในทศวรรษถัดมาบางครั้งไมโครคอนโทรลเลอร์ที่เรียบง่ายไม่ได้ใช้คุณสมบัติบางอย่างของรูปแบบทั่วไปเพื่อลดค่าใช้จ่ายและขนาด แต่เครื่องคอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่ทำตามสถาปัตยกรรมที่จัดตั้งขึ้นในขณะที่พวกเขาได้เพิ่มคุณสมบัติในการปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงาน