Arsitektur von Neumann: sejarah terjadinya istilah

Arsitektur von Neumann, yang juga dikenal sebagai model von Neumann, atau arsitektur Princeton, berdasarkan metode yang dijelaskan pada tahun 1945, matematikawan dan fisikawan John von Neumann dalam laporan "Yang pertama draft" dari EDVAC komputer.

Arsitektur sirkuit

Laporan ini menggambarkan von Neumann diagram arsitektur komputer digital elektronik dengan bagian-bagian yang terdiri dari unit pengolahan, yang terdiri dari:

• unit aritmatika logika;
• register prosesor;
• unit kontrol yang terdiri dari instruksi register dan program counter;
• memori untuk menyimpan data;
• perangkat penyimpanan eksternal;
• input dan output mekanisme.

Arti pembangunan terdiri dalam kenyataan bahwa setiap informasi yang tersimpan di komputer informasi dapat digunakan oleh program, di mana operasi, data yang dipilih tidak dapat dimainkan pada saat yang sama, karena mereka berbagi bus umum. Hal ini disebutkan dalam "draft pertama", yang menggambarkan ilmuwan berpikir tentang apa arsitektur seharusnya. Von Neumann disebut situasi ini "bottleneck", yang sering membatasi kinerja sistem.

Prinsip-prinsip arsitektur von Neumann

Digital komputer - komputer, menyimpan sebuah program yang terdiri dari instruksi program, data membaca, menulis, dan juga termasuk random access memory (RAM). Prinsip Arsitektur oleh John von Neumann diuraikan dalam karyanya "Proyek pertama." Menurut dia, komputer disimpan dalam memori program itu merupakan perbaikan atas kendali komputer, seperti ENIAC. Yang terakhir ini diprogram dengan menetapkan switch, dan penyisipan patch, sehingga dalam routing data dan kontrol sinyal antara berbagai blok fungsional. Dalam sebagian besar memori juga digunakan oleh komputer modern dengan cara ini. Jadi arsitektur komputer von Neumann berbeda, misalnya, dari Harvard, sehingga tidak menggunakan memori utama dan cache.

prasejarah

Komputer pertama diberi program tetap. Beberapa komputer yang sangat sederhana masih menggunakan desain ini atau untuk kesederhanaan atau pelatihan tujuan. Sebagai contoh, kalkulator desktop juga komputer dengan program tetap. Hal ini dapat bekerja dengan dasar-dasar matematika, tetapi tidak dapat digunakan sebagai pengolah kata , atau konsol game. Mengubah program mesin tetap membutuhkan rewiring, restrukturisasi atau reorganisasi aparatur. Komputer awal tidak begitu sempit, karena mereka telah dikembangkan untuk pertama kalinya dan untuk tujuan ilmiah. Pemrograman ulang muncul banyak kemudian dan itu adalah proses yang melelahkan, sejak diagram blok dan uang kertas dan berakhir desain rinci. Terutama sulit adalah proses modernisasi saluran pemulihan mesin fisik. Mungkin diperlukan instalasi tiga minggu pada ENIAC dan mencoba untuk membuatnya bekerja.

Sebuah ide baru

Dengan komputer, menyimpan program dalam memori, semuanya berubah. Disimpan dalam memori, mereka desain dengan set instruksi. Ini berarti bahwa mesin dapat segera mendapatkan satu set instruksi untuk melaksanakan perhitungan.

Rancangan program tersebut berkaitan dengan kode diri memodifikasi. Salah satu tanaman yang pertama untuk objek seperti kebutuhan untuk algoritma untuk meningkatkan atau mengubah bagian alamat perintah. Ia ditempatkan secara manual dalam desain awal. Hal ini menjadi kurang penting ketika indeks register dan tidak langsung pengalamatan menjadi karakteristik umum yang dimiliki oleh arsitektur komputer mesin John von Neumann. Kegunaan lain - untuk memasukkan data yang sering digunakan dalam aliran perintah dengan solusi segera. Tapi kode diri memodifikasi untuk sebagian besar telah dikritik karena biasanya sulit untuk memahami dan debug. Selain itu, ia juga terbukti tidak efektif dalam hal reproduksi dan caching skema prosesor modern.

Pada umumnya, kemampuan untuk mengobati petunjuk sebagai data - ini adalah apa yang membuat perakit, kompiler, perakit, loader dan instrumen lainnya dengan benda-benda yang mungkin pemrograman otomatis. Sehingga untuk berbicara, menulis program yang menulis program. Pada skala yang lebih kecil, berulang intens input dan output operasi, seperti manipulasi BitBlt-gambar primitif atau pixel dan vertex shader dalam 3D-grafis modern, telah ditemukan tidak efektif untuk berjalan tanpa peralatan pengguna.

Pengembangan konsep yang disimpan dalam memori program

Matematikawan Alan Turing, yang memiliki minat dalam masalah logika matematika setelah kuliah Max Newman di Cambridge University, menulis sebuah artikel pada tahun 1936, itu diterbitkan dalam edisi London Masyarakat matematika. Di dalamnya, ia menggambarkan sebuah mesin hipotetis, yang disebutnya "mesin komputasi universal", dan yang sekarang dikenal sebagai mesin Turing universal. Dia memiliki penyimpanan tak terbatas (dalam terminologi modern - memori), yang berisi baik instruksi dan data, yang diciptakan dan arsitektur. Von Neumann berkenalan dengan Turing pada saat ia mengunjungi profesor di Cambridge pada tahun 1935, dan dalam rangka mempertahankan disertasi doktornya di Turing Institute for Advanced Study di Princeton (New Jersey) di 1936-1937.

Independen Ji Presper Eckert dan Dzhon Mochli, yang mengembangkan ENIAC Sekolah Teknik Elektro di University of Pennsylvania, menulis tentang konsep mesin, yang menyimpan program dalam memori di Desember 1943. Ketika merencanakan sebuah mesin baru, EDVAC, Eckert menulis pada Januari 1944 bahwa ia akan menyimpan data dan program dalam perangkat memori beralamat baru menggunakan delay logam merkuri. Ini adalah pertama kalinya pembangunan mesin praktek yang menyimpan program dalam memori telah diusulkan. Pada saat yang sama, ia dan Mauchly tidak menyadari karya Turing (digambarkan di bawah).

arsitektur komputer: prinsip Von Neumann

Von Neumann terlibat dalam "Proyek Manhattan" di Laboratorium Nasional di Los Alamos, yang diperlukan sejumlah besar perhitungan. Ini membuatnya tertarik untuk proyek pada musim panas 1944 ENIAC. Di sana ia bergabung dengan diskusi pada komputer pengembangan EDVAC. Dalam kelompok ini, ia menulis sebuah makalah berjudul "A draft laporan pertama pada EDVAC», berdasarkan pada karya Eckert dan Mauchly. Itu belum selesai ketika rekannya Goldstein didistribusikan proyek dengan von Neumann (by the way, Eckert dan Mauchly tercengang berita ini). Dokumen ini telah dibaca oleh puluhan rekan-rekan von Neumann di Amerika dan Eropa dan memiliki dampak yang mendalam pada tahap berikutnya pengembangan komputer.

Prinsip-prinsip dasar arsitektur von Neumann, sebagaimana tercantum dalam "draft pertama," mendapatkan popularitas yang luas, sementara Turing tertutup laporannya pada kalkulator elektronik, yang telah dijelaskan secara rinci dalam rekayasa dan pemrograman. Telah dinyatakan dan presentasi dari mobil penulis, yang disebut Automatic Computing Mesin (ACE). Dia disajikan kepada komite eksekutif National Physical Laboratory Inggris pada tahun 1946. Setelah beberapa saat bahkan keberhasilan pelaksanaan berbagai desain ACE diproduksi.

Mulai proyek

Dan proyek dokumen von Neumann dan Turing menggambarkan komputer menyimpan dalam memori program tertentu, tetapi artikel Von Neumann dicapai sirkulasi yang lebih besar dalam masyarakat, dan arsitektur komputer dikenal sebagai arsitektur John von Neumann.

Pada tahun 1945, Profesor Neumann, yang kemudian bekerja di sekolah teknik di Philadelphia, di mana ia pertama kali ENIAC dibangun, yang dikeluarkan atas nama rekan-rekannya melaporkan pada desain logis dari komputer digital. Laporan ini memberikan proposal yang cukup rinci untuk pembangunan mesin, yang sejak itu menjadi dikenal sebagai EDVAC. Dia baru saja didirikan di Amerika, namun laporan telah mengilhami penciptaan von Neumann EDSAC.

Maniak dan Joniacs

Pada tahun 1947, Burks, Goldstein dan von Neumann menerbitkan laporan lain yang meliputi pembangunan jenis lain dari mobil (saat ini paralel), yang seharusnya menjadi sangat cepat, mampu, mungkin, untuk membawa hingga 20.000 operasi per detik. Mereka mencatat bahwa masalah yang belum terselesaikan dalam pembangunan itu pengembangan memori yang cocok, semua isi yang harus segera tersedia. Pertama, mereka mengusulkan untuk menggunakan tabung vakum khusus, yang disebut Selectron, yang diciptakan di laboratorium Princeton. tabung tersebut mahal, dan membuat mereka sangat sulit, terutama jika Anda menggunakan arsitektur ini. Von Neumann kemudian memutuskan untuk membangun sebuah mobil berdasarkan memori Williams. Mesin ini, yang selesai pada Juni 1952 di Princeton, telah menjadi MANIAC dikenal luas (atau hanya Maniacs). Desainnya terinspirasi oleh pencipta pada pembangunan setengah lusin atau lebih banyak perangkat serupa, yang sekarang sedang dibangun di Amerika dan disebut Johniacs komik.

prinsip-prinsip penciptaan

Salah satu yang paling komputer digital modern, mewujudkan pembangunan dan perbaikan dalam teknik perhitungan elektronik otomatis telah dibuktikan di National Physical Laboratory di Teddington, di mana itu dirancang dan dibangun oleh sekelompok kecil matematikawan, insinyur dan insinyur penelitian, dengan bantuan dari sejumlah insinyur produksi dari listrik Inggris Company Ltd peralatan tersebut masih di laboratorium, tetapi hanya sebagai prototipe dari pabrik yang jauh lebih besar, yang dikenal sebagai Automatic Computing mesin. Tapi, meskipun berat relatif kecil dan isi dari hanya 800 katup termionik, itu adalah sangat cepat dan serbaguna mesin menghitung.

konsep dasar dan prinsip-prinsip abstrak perhitungan menggunakan mesin telah dirumuskan oleh Dr. Turing atas dasar yang sama Masyarakat London matematika pada tahun 1936, tetapi bekerja pada mesin seperti di Inggris telah tertunda oleh perang. Pada tahun 1945, pemeriksaan masalah menciptakan perangkat tersebut dilanjutkan di National Physical Laboratory Dr Vormsli, Inspektur Departemen Matematika Laboratorium. Ia bergabung dengan Turing dan timnya kecil ahli, dan untuk perencanaan awal 1947 itu cukup maju untuk membenarkan pembentukan kelompok khusus.

Komputer pertama pada arsitektur von Neumann

Proyek pertama menggambarkan skema yang telah digunakan oleh banyak universitas dan perusahaan untuk membangun komputer mereka sendiri. Di antara mereka, hanya ILLIAC ORDVAC dan memiliki set instruksi yang kompatibel.

Klasik arsitektur von Neumann itu diwujudkan di Manchester mesin eksperimental kecil (SSEM), dijuluki Bayi di University of Manchester, yang membuat sukses peluncuran pertama dari perangkat yang memegang memori program, 21 Juni 1948.

EDSAC Universitas Cambridge, yang pertama komputer elektronik praktis semacam ini, berhasil diluncurkan pertama kalinya Mei 1949.

Pengembangan model dibuat

IBM SSEC memiliki kesempatan untuk mempertimbangkan petunjuk sebagai data dan ditunjukkan publik 27 Januari 1948. Kemampuan ini ditegaskan dalam US Pat. Namun, itu mesin sebagian elektromekanis, bukan sepenuhnya elektronik. Dalam prakteknya, petunjuk yang dibaca dari pita kertas karena memori yang terbatas.

Bayi pertama komputer elektronik sepenuhnya untuk menjalankan program yang tersimpan. Ini Program anjak berlari selama 52 menit, 21 Juni 1948 setelah memulai dan perhitungan sederhana membagi perhitungan yang menunjukkan bahwa dua nomor coprime.

ENIAC dimodifikasi untuk bekerja sebagai komputer primitif untuk read-only, tetapi pada arsitektur yang sama, dan telah dibuktikan oleh September 16, 1948, dan peluncuran program Adele Goldstein diselenggarakan dengan bantuan von Neumann.

BINAC menghabiskan beberapa program uji pada bulan Februari, Maret dan April 1949, meskipun itu tidak selesai sampai September 1949. Selain itu, uji berjalan dilakukan (beberapa sukses) komputer elektronik lainnya, yang merupakan karakteristik dari arsitektur. Von Neumann, dengan cara, dan terus bekerja pada proyek "Manhattan". Itu seperti seorang pria serbaguna.

Evolusi arsitektur sistem bus

Melalui dekade, sudah di tahun 60an dan 70an, komputer pada umumnya telah menjadi lebih kecil dan lebih cepat, mengakibatkan evolusi yang telah mengalami arsitektur komputer von Neumann. Sebagai contoh, tampilan input dan output memori memungkinkan masing-masing perangkat, data, dan petunjuk tentang cara untuk mengintegrasikan ke dalam sistem yang akan diproses, tetap berada di memori. Sebuah sistem bus dapat digunakan untuk menyediakan sistem modular dengan yang lebih kecil. Hal ini kadang-kadang disebut "rasionalisasi" arsitektur. Dalam dekade berikutnya, kadang-kadang mikrokontroler sederhana tidak menggunakan beberapa fitur dari model khas untuk mengurangi biaya dan ukuran. Tapi komputer besar mengikuti arsitektur didirikan, karena mereka telah menambahkan fitur untuk meningkatkan kinerja.