Von Neumanın arxitekturası: tarixin mənşəyi tarixi

Von Neumann modeli və ya Princeton arxitekturası kimi tanınan von Neumann maşınının arxitekturası 1945-ci ildə EDVAC kompüteri üzrə "Birinci Layihə" hesabatının tərkib hissəsi kimi riyaziyyatçı və fizikçi John von Neumann tərəfindən təsvir olunmuş bir texnikaya əsaslanır.

Memarlıq xülasəsi

Von Neumann hesabatında aşağıdakıları ehtiva edən emal birləşmələrindən ibarət olan elektronik rəqəmsal kompüter üçün memarlıq sxemi təsvir edilmişdir:

• Aritmetik məntiq vahidi;
• İşlemci qeydləri;
• Bir komanda registri və komanda counterini əks etdirən bir idarəetmə vahidi;
• Məlumatların saxlanması üçün saxlama cihazı;
• Xarici saxlama cihazı;
• Giriş və çıxış mexanizmləri.

İnkişafın mənası, seçilmiş əməliyyat məlumatlarının eyni vaxtda oynaya bilməyəcəyi proqramla kompüterdə saxlanılan hər hansı məlumatın istifadə oluna biləcəyi idi, çünki onlar ümumi avtobusu paylaşdılar. Bu, "birinci layihə" də qeyd edilir, hansı ki, alimin hansı mimarinin olması lazım olduğunu düşünür. Von Neumann, bu vəziyyəti sistemin performansını tez-tez məhdudlaşdıran "darboğaz" adlandırdı.

Von Neumann arxitekturasının prinsipləri

Rəqəmsal kompüter, proqram göstərişlərini, oxumaq, yazmaq üçün məlumatları ehtiva edən və həmçinin təsadüfi giriş yaddaşını (RAM) ehtiva edən bir proqramı saxlayan bir kompüterdir. John von Neumannın memarlığının prinsipləri də "Birinci Layihə" əsərində göstərilir. Onun sözlərinə görə, yaddaşda saxlanılan bir proqram olan kompüterlər ENIAC kimi kompüterlərin idarə edilməsində yaxşılaşdı. Sonuncu, açarların təyin edilməsi və müxtəlif funksiya blokları arasında məlumat marşrutlaşdırma və nəzarət siqnallarına gətirib çıxaran bir yamanın yerləşdirilməsi ilə proqramlaşdırılmışdır. Müasir kompüterlərin əksəriyyətində yaddaş da oxşar şəkildə istifadə olunur. Bu halda, von Neumannın kompüterinin arxitekturası, məsələn, Harvarddan fərqlənir ki, bu əsas deyil, yaddaş yaddaşını istifadə edir.

Prehistorya

İlk kompüter sabit proqramları təyin etdi. Bəzi çox sadə kompüterlər bu dizaynı sadəcə olaraq və ya təhsil məqsədləri üçün istifadə edirlər. Məsələn, masa üstü kalkulyator da sabit bir proqram olan bir kompüterdir. Riyaziyyat əsasları ilə işləyə bilər, ancaq bir söz prosessoru və ya oyun konsolu kimi istifadə edilə bilməz. Maşının sabit proqramının dəyişdirilməsi maşının yenidən quraşdırılması, yenidən qurulması və yenidən qurulması tələb olunur. Ən erkən kompüterlər bu qədər dar deyil, çünki onlar ilk dəfə və elmi məqsədlər üçün hazırlanmışdır. Reproqramlaşdırma çoxdan sonra ortaya çıxdı və blok diaqramları və kağız sənədləri ilə başlayan və ətraflı texniki layihələrlə sona çatan vaxt alıcı bir proses idi. Xüsusilə, maşın bərpa kanallarının fiziki modernləşdirilməsi prosesi çətin idi. Proqramı ENİAK üzərinə qurmaq və işə götürməyə çalışmaq üç həftə gələ bilər.

Yeni bir fikir

Kompüter yaddaşında proqramları yaddaşda saxlayan təklif ilə hər şey dəyişdi. Yaddaşda saxlanılan, onlar bir sıra təlimatlara malik bir dizayndır. Beləliklə, maşın dərhal hesablamaları yerinə yetirmək üçün bir sıra komanda əldə edə bilər.

Belə proqramların dizaynı özünü dəyişən kodları nəzərdə tutur. Belə obyektin ilk parametrlərindən biri əmrlərin ünvan hissəsini artırmaq və ya başqa şəkildə dəyişdirmək üçün alqoritm tələb olundu. Erkən dizaynlarda elle edildi. İndeks qeydi və dolayı ünvanlama John von Neumann kompüterinin kompüter arxitekturasının adi xüsusiyyətlərinə çevrildi. Başqa bir istifadə, dərhal həll yolu ilə komanda axında tez-tez istifadə olunan məlumatları əlavə etməkdir. Ancaq özünü dəyişən kod ağırlıqlı olaraq tənqid olunur, çünki anlamaq və düzəltmək çox vaxt çətindir. Bununla yanaşı, müasir prosessorların playback və caching sxemləri baxımından da səmərəsiz idi.

Təlimatın məlumatı kimi qəbul etmək qabiliyyəti, mümkün olan avtomatlaşdırılmış proqramlaşdırma obyektləri olan montajçılar, kompilyatorlar, qurucular, yükləyicilər və digər alətlərdir. Yəni demək olar ki, proqram yazan proqramları yazın. Daha kiçik miqyasda, müasir 3D qrafika ilə ibtidai və ya pixel və vertex shaders şəkilləri ilə BitBlt manipulyasiya kimi təkrarlanan gərgin giriş və çıxış əməliyyatları istifadəçi avadanlığı olmadan işləmək üçün təsirsiz hala gəldi.

Yaddaşda saxlanan bir proqram konsepsiyasının hazırlanması

Cambridge Universitetində Max Newman'ın məruzəsindən sonra riyazi məntiq problemi ilə maraqlanan riyaziyyatçı Alan Turing 1936-cı ildə yazdığı məqaləni London Riyaziyyat Cəmiyyəti nəşrində nəşr etdi. O, o, "universal kompüter" adlandıran və universal Turing maşını kimi tanınan bir hipotetik maşını təsvir etdi. Verilmiş arxitekturanın yaradıldığı təlimatlar və məlumatları olan sonsuz bir anbar (müasir terminologiya - yaddaş) idi. Von Neumann 1935-ci ildə Kembricdə səfərdə olan professor, həmçinin 1936-1937-ci illərdə Princeton (NJ) İrəli İnstitutunda doktorluq dissertasiyasının müdafiə edilməsi zamanı Turinglə görüşdü.

Pensilvaniya Universitetinin Elektrik Mühəndisliyi Məktəbində ENIAC hazırlayan Ji Presper Eckert və John Mauchly bir-birindən asılı olmayaraq, proqramı 1943-cü ilin dekabrında yadda saxlayan bir maşın konsepsiyası haqqında yazırdı. Eckert 1974-cü ilin yanvarında EDVAC-a yeni bir maşın planlayarkən, məlumatları və proqramları metal simvolu gecikdirərək yadda saxlayan yeni bir cihazda saxlayacağını yazdı. Bu, yaddaşda bir proqram saxlayan bir maşının qurulması təklif olundu. Eyni zamanda o və Mauçly Turingin işindən xəbərdar deyildi (aşağıda şəkil).

Kompüter arxitekturası: von Neumann prinsipi

Von Neumann, Los Alamos Milli Laboratoriyasında Manhattan Layihəsinə böyük miqdarda hesablama tələb edən cəlb edilib. Bu, 1944-cü ilin yazında onu ENİAK layihəsinə cəlb etdi. O, EDVAC kompüterinin inkişafı ilə bağlı müzakirələrə qatılıb. Bu qrup çərçivəsində Eckert və Mauchlyin işlərinə əsaslanan "EDVAC haqqında ilk layihə hesabatı" adlı bir yazı yazdı. Onun həmkarı Goldşteyn von Neumanın adı ilə bir layihə yayımladığı zaman tamamlanmamışdı (bu vaxt Eckert və Mauchly bu xəbərlərdən xəbərsiz idi). Bu sənəd Amerika və Avropada onlarla von Neumann həmkarları tərəfindən oxundu və kompüter inkişafının növbəti mərhələsinə böyük təsir göstərdi.

Turing, hesabatını mühəndis və proqramlaşdırma sahəsində detallı olan elektron kalkulyatorla əhatə edərkən, Von Neumannın "İlk Layihə" sənədində göstərdiyi əsas prinsipləri geniş yayılmışdı. Avtomatik Hesablama Mühərriki (ACE) adlanan maşının müəllif təqdimatını ehtiva edirdi. 1946-cı ildə İngilis Milli Fizika Laboratoriyasının İcra Komitəsinə təqdim etdi. Bir müddət sonra, ACE dizaynının müxtəlif uğurlu tətbiqləri də edildi.

Layihənin icrasının başlanması

Həm von Neumannin dizaynı, həm də Turing sənədləri müəyyən bir proqramı yaddaşda saxlayan kompüterləri təsvir etdi, amma von Neumannın məqaləsi cəmiyyətdə daha çox dövriyyəyə çatdı və kompüter arxitekturası John von Neumannın memarlığı kimi tanındı.

1945-ci ildə ilk ENİAC qurulduğu Filadelfiya mühəndis məktəbində işləyən professor Neumann, bir qrup iş adından rəqəmsal kompüterlərin məntiqi dizaynı barədə bir hesabat yayımladı. Hesabatda EDVAC kimi tanınan maşının dizaynı üçün daha ətraflı bir təklif var. Bu yaxınlarda Amerikada qurulmuşdu, amma hesabat EDSAC yaratmaq üçün von Neumanni ilhamlandırdı.

Maniacs və Joniacs

1947-ci ildə Berks, Goldstein və von Neumann başqa bir hesabat yayımlamışdır ki, bu da son dərəcə sürətli, saniyədə 20 min əməliyyat aparmağı bacara biləcək bir maşın tipinin (bu dəfə paralel) tikintisini əhatə etmişdir. Onlar onu qurmaqda həll edilməmiş bir problem bütün məzmunu dərhal mövcud olması lazım olan yaddaşın inkişafı olduğunu qeyd etdi. Əvvəlcə Princeton Laboratoriyasında icad edilən Selektron adlı xüsusi vakuum borusundan istifadə etməyi təklif etdilər. Bu borular bahalı idi və onları çox çətinləşdirir, xüsusilə də bu memarlıq istifadə olunur. Von Neumann sonradan Williams xatirəsinə əsaslanan bir maşın qurmağa qərar verdi. 1952-ci ilin iyun ayında Princetonda başa çatdırılan bu maşın geniş yayılmış MANİAC (və ya sadəcə Maniacs) oldu. Dizaynı yaradıcıları Amerikada yaradılan və komik olaraq Johniacs adlandırılan yarım on və ya daha çox oxşar cihazları hazırlamağa təşviq edirdi.

Yaradılış prinsipləri

Avtomatlaşdırılmış elektron hesablama texnikası ilə əlaqədar inkişafları və təkmilləşdirmələrini təcəssüm etdirən ən müasir rəqəmsal kompüterlərdən biri, Teddington'daki Milli Fizik Laboratoriyasında, İngilis Electric şirkətinin bir sıra istehsalçı mühəndislərinin köməyi ilə, kiçik riyaziyyatçılar, elektronik mühəndislər və tədqiqatçılar tərəfindən tərtib edilmiş və inşa olunmuşdur. Şirkət Ltd. Avadanlıq hələ də laboratoriyada, ancaq Avtomatik Hesablama Mühərriki kimi tanınan daha böyük bir qurğunun prototipi kimi. Lakin nisbətən az miqdarda və yalnız 800 termik vanaların tərkibinə baxmayaraq, çox sürətli və universal sayma maşını.

Bir maşınla hesablamanın əsas anlayışları və mücərrəd prinsipləri 1936-cı ildən əvvəl həmin London Riyaziyyat Cəmiyyəti bazasında Dr. Turing tərəfindən tərtib edilmişdir, lakin bu cür maşınlarla işləmək üçün Böyük Britaniyada müharibə gecikmişdir. 1945-ci ildə bu cür qurğuların yaradılmasına dair problemlərin nəzərə alınması Riyaziyyat kafedrasının laboratoriyasının rəhbəri Dr. Vormsli tərəfindən Milli Fizik Laboratoriyasında davam etdirildi. Turingə mütəxəssislərdən ibarət kiçik kadrları ilə qoşulub və 1947-ci ildə ilkin planlaşdırma xüsusi bir qrupun yaradılması üçün kifayət qədər irəliləmişdir.

Von Neumann arxitekturasında ilk kompüter

Birinci layihə bir çox universitet və korporasiyalar tərəfindən kompüterlər qurmaq üçün istifadə olunan bir sxemini təsvir edir. Bunlardan yalnız ILLIAC və ORDVAC uyğun təlimat dəstləri idi.

Klassik von Neumann arxitekturası, 21 iyun 1948-ci ildə yaddaşında proqramı saxlayan bir cihaz olaraq ilk müvəffəqiyyətli müvəffəqiyyətə imza atan Manchester Universitetindən Bebek ləqəbli Manchester Small Experimental Machine (SSEM) içərisində təsbit edildi.

Cambridge Universitetindən EDSAC, ilk növbədə bu tip elektronik kompüter 1949-cu ilin mayında ilk dəfə uğurla başladı.

Yaradılan modellərin inkişafı

IBM TQDK təlimatları taley kimi nəzərdən keçirə və 27 yanvar 1948-ci ildə açıq şəkildə nümayiş etdirmə qabiliyyətinə malik idi. Bu qabiliyyət ABŞ patentində təsdiqlənmişdir. Lakin tamamilə elektron deyil elektromekanik bir maşın idi. Praktikada məhdud yaddaşından dolayı kağız şeritdən təlimat oxunmuşdur.

Baby, saklanan proqramları çalıştırmak üçün ilk tam elektronik kompüterdi. Foqinq proqramı 21 iyun 1948-ci ildə 52 dəqiqə boyunca bölünmə və hesablamanın sadə bir hesablanmasından sonra iki ədəd nisbətən asal olduğunu göstərir.

ENIAC, yalnız oxumaq üçün ibtidai bir kompüter kimi fəaliyyət göstərməyə məcbur edildi, eyni mimari üçün isə 16 sentyabr 1948-ci ildə nümayiş edildi və Adel Goldstein'ın proqramı von Neumann'ın köməyi ilə təşkil edildi.

BENAC, 1949-cu ilin sentyabr ayına qədər bitməmiş olsa da, 1949-cu ilin fevral, mart və apreldə bir neçə test proqramı həyata keçirmişdir. Bundan əlavə, bu arxitekturanın xarakterik olduğu digər elektron kompüterlər üçün test buraxılışları (bəzi uğurlular) var idi. Von Neumann, Manhattan layihəsi üzərində işlərini davam etdirdi. Bu belə bir universal şəxsdir.

Avtobus memarlıq sisteminin təkamülü

Onilliklər ərzində, 60-cı və 70-ci illərin əvvəllərində, kompüterlər bütövlükdə kiçik və daha sürətlə inkişaf etmiş və bu da von Neumann altında kompüter arxitekturasının tətbiq olunduğu bəzi inkişaflara gətirib çıxardı. Məsələn, giriş və çıxış yaddaşında olan ekran yaddaşda qalmaq üçün müvafiq qurğulara, işləniləcək sistemə daxil olan məlumatlara və təlimatlara imkan verir. Bir avtobus sistemi daha az modul bir sistem təmin etmək üçün istifadə edilə bilər. Bu bəzən memarlıq "rasyonalizasiya" adlanır. Sonrakı onilliklərdə sadə microcontrollers bəzən xərc və ölçüsü azaltmaq üçün tipik modelin bəzi xüsusiyyətlərini istifadə etmir. Ancaq böyük kompüterlər qurulan arxitektura riayət edirlər, çünki onlar performansını artırmaq üçün funksiyalar əlavə ediblər.