Архитектура машины фон Неймана, также известная как модель фон Неймана, или Принстонская архитектура, основана на методике, описанной в 1945 году математиком и физиком Джоном фон Нейманом в рамках доклада «Первый проект» о вычислительной машине EDVAC.
Схема архитектуры
В докладе фон Неймана описывалась схема архитектуры для электронной цифровой вычислительной машины с частями, состоящими из блоков обработки, которая содержит:
- арифметико-логическое устройство;
- процессор регистров;
- блок управления, содержащий регистр команд и счетчик команд;
- запоминающее устройство для хранения данных;
- внешнее запоминающее устройство;
- входные и выходные механизмы.
Смысл разработки состоял в том, чтобы любая хранимая на компьютере информация могла использоваться программой, в которой выбранные данные операции не могут воспроизводиться одновременно, потому что они разделяют общую шину. Это упоминается в «Первом проекте», который описывает мысли ученого о том, какой должна быть архитектура. Фон Нейман называл такую ситуацию «узким местом», которое часто ограничивает производительность системы.
Принципы архитектуры фон Неймана
Цифровой компьютер – это ЭВМ, хранящая программу, которая содержит программные инструкции, данные для чтения, записи, а также включает в себя память с произвольным доступом (RAM). Принципы архитектуры Джона фон Неймана изложены также в его труде «Первый проект». Согласно ему, компьютеры с хранимой в памяти программой были усовершенствованием по сравнению с управлением компьютеров, таких как ENIAC. Последний был запрограммирован с помощью установки переключателей и вставки патча, приводящего к маршрутизации данных и сигналам управления между различными функциональными блоками. В подавляющем большинстве современных компьютеров память также используется подобным образом. При этом архитектура ЭВМ фон Неймана отличается, например, от Гарвардской, тем, что она использует не основную, а кэш-память.
Предыстория
Первые вычислительные машины имели заданные фиксированные программы. Некоторые очень простые компьютеры до сих пор используют эту конструкцию либо для простоты, либо в учебных целях. Например, настольный калькулятор также является ЭВМ с фиксированной программой. Он может работать с основами математики, но он не может быть использован как текстовый процессор или игровая консоль. Изменение фиксированной программы машины требует перемонтажа, реструктуризации или реорганизации аппарата. Самые ранние компьютеры не были настолько узконаправленными, так как они были разработаны впервые и в научных целях. Перепрограммирование появилось гораздо позже, и это был трудоемкий процесс, начиная с блок-схем и бумажных купюр и заканчивая подробными техническими проектами. Особенно трудным был процесс физической модернизации каналов восстановления машины. Может занять три недели установка программы на ENIAC и попытки заставить ее работать.
Новая идея
С предложением компьютера, хранящего программы в памяти, все изменилось. Хранимые в памяти, они являются конструкцией с набором инструкций. А значит, машина может сразу получить набор команд, чтобы произвести вычисления.
Конструкция таких программ относится к самомодифицирующимся кодам. Одной из первых установок для такого объекта была необходимость в алгоритме для увеличения или иным образом изменения адресной части команд. Он делался вручную в ранних конструкциях. Это стало менее важным, когда индексные регистры и косвенная адресация стали обычными характеристиками, которыми обладает архитектура ЭВМ Джона фон Неймана машины. Другое использование - вставлять часто используемые данные в потоке команды с помощью немедленного решения. Но самомодифицирующийся код в значительной степени подвергся критике, поскольку его, как правило, трудно понять и отладить. Кроме того, он оказался также неэффективным в плане воспроизведения и кэширования схем современных процессоров.
По большому счету, способность относиться к инструкции как к данным - это то, что делает ассемблеры, компиляторы, сборщики, погрузчики и другие инструменты с возможными объектами автоматизированного программирования. Так сказать, писать программы, которые пишут программы. В меньшем масштабе повторяющиеся интенсивные операции ввода и вывода, такие как BitBlt-манипуляции с изображением примитивных или пиксельных и вершинных шейдеров в современной 3D-графике, были признаны неэффективными для работы без пользовательского оборудования.
Разработка концепции хранимой в памяти программы
Математик Алан Тьюринг, который испытывал интерес к проблеме математической логики после лекции Макса Ньюмана в Кембриджском университете, написал статью в 1936 году, она была опубликована в издании Лондонского математического общества. В ней он описал гипотетическую машину, которую назвал «универсальной вычислительной машиной», и которая теперь известна как универсальная машина Тьюринга. Она имела бесконечное хранилище (в современной терминологии - память), которое содержало как инструкции, так и данные, для чего и создавалась данная архитектура. Фон Нейман познакомился с Тьюрингом в то время, когда он был приглашенным профессором в Кембридже в 1935 году, а также в ходе защиты докторской диссертации Тьюринга в Институте перспективных исследований в Принстоне (штат Нью-Джерси) в 1936-1937 годах.
Независимо друг от друга Джи Преспер Эккерт и Джон Мочли, которые разрабатывали ENIAC в школе электротехники в Университете штата Пенсильвания, писали о концепции машины, хранящей программу в памяти в декабре 1943 года. При планировании новой машины, EDVAC, Эккерт писал в январе 1944 года, что она будут хранить данные и программы в новом устройстве с адресацией памяти с помощью задержки металлической ртути. Это был первый раз, когда было предложено строительство на практике машины, хранящей программу в памяти. В то же время он и Мочли не были осведомлены о работе Тьюринга (фото ниже).
Архитектура компьютера: принцип фон Неймана
Фон Нейман был вовлечен в «Проект Манхэттен» в Национальной лаборатории в Лос-Аламосе, который требовал огромного количества вычислений. Это привлекло его к проекту ENIAC летом 1944 года. Там он вступил в дискуссии по разработке компьютера EDVAC. В рамках этой группы он написал работу под названием «Первый проект доклада о EDVAC», основанную на работе Эккерта и Мочли. Она была незавершенной, когда его коллега Гольдштейн распространил проект с именем фон Неймана (к слову, Эккерт и Мочли были ошарашены такой новостью). Этот документ был прочитан десятками коллег фон Неймана в Америке и Европе и оказал серьезное влияние на следующий этап компьютерных разработок.
Основные принципы архитектуры фон Неймана, изложенные в «Первом проекте», набирали широкую известность, в то время как Тьюринг освещал свой доклад об электронном калькуляторе, который был подробно описан в технике и программировании. В нем было изложено и представление автора о машине, которая называлась Automatic Computing Engine (ACE). Он представил его исполнительному комитету британской Национальной физической лаборатории в 1946 году. Спустя некоторое время даже были произведены различные успешные реализации конструкции ACE.
Начало реализации проектов
И проект фон Неймана, и документы Тьюринга описывали компьютеры, хранящие в памяти определенную программу, но статья фон Неймана достигла большей циркуляции в обществе, и компьютерная архитектура стала известна как архитектура Джона фон Неймана.
В 1945 году профессор Нейман, который тогда работал в инженерной школе в Филадельфии, где и был построен первый ENIAC, выпустил от имени группы своих коллег доклад о логическом проектировании цифровых вычислительных машин. В докладе содержится довольно подробное предложение по конструкции машины, которая с тех пор стала известна как EDVAC. Она тогда только недавно была создана в Америке, но доклад вдохновил фон Неймана на создание EDSAC.
Maniacs и Joniacs
В 1947 году Беркс, Гольдштейн и фон Нейман опубликовали еще один доклад, в котором освещалась конструкция другого типа машины (на этот раз параллельная), которая должна была стать чрезвычайно быстрой, способной, возможно, осуществлять до 20 000 операций в секунду. Они отметили, что нерешенной проблемой при построении ее была разработка подходящей памяти, все содержимое которой должно быть мгновенно доступно. Сначала они предложили использовать специальную вакуумную трубку, называемую Selectron, которая была изобретена в Принстонской лаборатории. Такие трубки были дорогими, и сделать их очень трудно, особенно если используется данная архитектура. Фон Нейман впоследствии решил построить машину, основанную на памяти Williams. Эта машина, которая была завершена в июне 1952 года в Принстоне, стала широко известна MANIAC (или просто Maniacs). Ее дизайн вдохновил создателей на конструирование полудюжины или более аналогичных приборов, которые сейчас строятся в Америке и называются шуточно Johniacs.
Принципы создания
Один из самых современных цифровых компьютеров, воплощавших разработки и усовершенствования в технике автоматического электронного вычисления, был продемонстрирован в Национальной физической лаборатории в Теддингтоне, где он был спроектирован и построен небольшой группой математиков, электронщиков и инженеров-исследователей, при содействии ряда производственных инженеров из английской Electric Company Ltd. Оборудование до сих пор находится в лаборатории, но только как опытный образец гораздо большей установки, которая известна как Automatic Computing Engine. Но, несмотря на сравнительно небольшую массу и содержание только 800 термоионных клапанов, он является чрезвычайно быстрой и универсальной счетной машиной.
Основные понятия и абстрактные принципы расчета с помощью машины были сформулированы доктором Тьюрингом на базе все того же Лондонского математического общества еще в 1936 году, но работа над такими машинами в Великобритании была задержана войной. В 1945 году рассмотрение проблем создания таких устройств продолжилось в Национальной физической лаборатории доктором Вормсли, суперинтендантом лаборатории Отделения математики. Он присоединился к Тьюрингу со своим небольшим штатом специалистов, а к 1947 году предварительное планирование было достаточно продвинуто, чтобы оправдать создание специальной группы.
Первые компьютеры на архитектуре фон Неймана
Первый проект описывает схему, которая была использована многими университетами и корпорациями, чтобы построить свои компьютеры. Среди них только ILLIAC и ORDVAC имели совместимые наборы инструкций.
Классическая архитектура фон Неймана была воплощена в Манчестерской малой экспериментальной машине (SSEM) по прозвищу Baby из университета Манчестера, которая совершила свой первый успешный запуск как устройство, хранящее программу в памяти, 21 июня 1948 года.
EDSAC из Кембриджского университета, первый практический электронный компьютер такого типа, был запущен первый раз успешно в мае 1949 года.
Развитие созданных моделей
IBM SSEC имел возможность рассматривать инструкции как данные и был публично продемонстрирован 27 января 1948 года. Эта способность утверждалась в патенте США. Однако это была частично электромеханическая машина, а не полностью электронная. На практике инструкции были прочитаны с бумажной ленты из-за его ограниченной памяти.
Baby был первым полностью электронным компьютером для запуска сохраненных программ. Он запускал программу факторинга в течение 52 минут 21 июня 1948 года после запуска простого вычисления деления и расчета, который показывает, что два числа являются взаимно простыми.
ENIAC был изменен, чтобы работать в качестве примитивной ЭВМ только для чтения, но по той же архитектуре, и был продемонстрирован 16 сентября 1948 года, а запуск программы Адель Гольдштейн организовала с помощью фон Неймана.
BINAC провел несколько тестовых программ в феврале, марте и апреле 1949 года, хотя и не был завершен до сентября 1949 года. Кроме того, осуществлялись тестовые запуски (некоторые успешные) других электронно-вычислительных машин, для которых свойственна данная архитектура. Фон Нейман, к слову, продолжал работу и над проектом "Манхеттен". Вот такой универсальный человек.
Эволюция шинной системы архитектуры
Через десятилетия, уже в 60-е и 70-е годы, компьютеры в целом стали меньше и быстрее, что привело к некоторым эволюциям, которые претерпела архитектура ЭВМ по фон Нейману. Например, отображение в памяти ввода и вывода позволяет соответствующим устройствам, данные и инструкции по интеграции в систему которых будут обрабатываться, оставаться в памяти. Одна шинная система может быть использована для обеспечения модульной системы с меньшими. Это иногда называют «рационализацией» архитектуры. В последующие десятилетия простые микроконтроллеры иногда не используют некоторые черты типичной модели, чтобы снизить стоимость и размер. А вот большие компьютеры следуют установленной архитектуре, так как в них добавлены функции для повышения производительности.
