Работа Джона фон Неймана

Джон фон Нейман

Джон фон Нейман родился в Будапеште 28 декабря 1903 года в богатой банковской семье, которая была возведена в венгерское дворянство. С раннего возраста он проявлял большой интеллект и был назван вундеркиндом. К 6 годам фон Нейман мог говорить на древнегреческом и мысленно делить пары восьмизначных чисел, а к 8 годам он выучил дифференциальное и интегральное исчисление. Когда фон Нейману было 15 лет, его отец устроил Габора Сегу личным репетитором по математике. На первом уроке знаменитый математик Сегу прослезился, увидев скорость и способности молодого фон Неймана. Помимо этих невероятных подвигов, фон Нейман обладал фотографической памятью и мог дословно пересказывать целые романы.

Фон Нейман получил двухлетний сертификат по химии в Берлинском университете и докторскую степень по математике в Университете Пазмань Петер. После получения докторской степени фон Нейман отправился в Геттингенский университет, чтобы учиться у Давида Гильберта, одного из важных математиков, работа которого помогла разработать компьютер. После этого фон Нейман отправился в Принстонский университет, чтобы получить пожизненное назначение в Институт перспективных исследований. Его офис находился в нескольких дверях от офиса Альберта Эйнштейна, и Эйнштейн жаловался, что фон Нейман слишком громко играл немецкую мартовскую музыку на своем офисном фонографе.

Находясь в Принстоне, фон Нейман был привлечен к работе над Манхэттенским проектом. Он много раз ездил в Лос-Аламосскую лабораторию, чтобы наблюдать за разработкой атомного оружия, и сыграл решающую роль на многих этапах проектирования и строительства двух ядерных боеприпасов, сброшенных на Японию. Он был свидетелем первого испытания атомной бомбы 16 июля 1945 года и входил в комитет, которому было поручено решить, какие два японских города станут мишенями для взрыва бомбы. Благодаря своему участию в Манхэттенском проекте фон Нейман стал, пожалуй, самым большим источником вдохновения для персонажа доктора. Странная любовь в одноименном фильме Стэнли Кубрика.

Доктор. Странная любовь

Примерно в то время, когда он работал над атомной бомбой, фон Нейман начал работу над идеями, которые лягут в основу компьютерных наук. Фон Нейман встречался с Аланом Тьюрингом несколькими годами ранее, и, согласно сообщениям, на фон Неймана повлияла статья Тьюринга «О вычислимых числах».Конечно, благодаря своей предыдущей работе с Гильбертом фон Нейман был в отличной позиции, чтобы признать значение работы Тьюринга.

В 1945 году, когда он находился на завершающей стадии своей работы над Манхэттенским проектом, фон Нейман сказал друзьям и коллегам, что думает о еще более важной работе. На поезде до Лос-Аламоса фон Нейман написал документ под названием «Первый проект отчета о EDVAC». Этот 101-страничный документ содержит проект архитектуры фон Неймана, которая остается доминирующей парадигмой в компьютерной архитектуре с момента ее появления. Архитектура фон Неймана обычно связана с концепцией компьютера с хранимой программой, но она также включает в себя 4-компонентный инженерный проект, который отличается от других концепций хранимых программ.

Самое главное, архитектура фон Неймана - это компьютер с хранимой программой. Компьютеры с сохраненными программами используют один блок памяти для хранения как компьютерных программ, так и данных, которые компьютерные программы принимают в качестве входных данных. Дизайн хранимой программы обычно контрастирует с архитектурой Гарварда, в которой используются отдельные блоки памяти для хранения компьютерной программы и данных программы.

Идея архитектуры хранимых программ была негласно предложена в работе Тьюринга над универсальными машинами Тьюринга, поскольку эти машины являются теоретическими версиями компьютеров с хранимыми программами. Тем не менее, фон Нейман признал ценность явной разработки этого свойства в компьютерах. Альтернативные методы программирования компьютеров требовали ручной разводки или перепрограммирования компьютерных схем - процесс, который был настолько трудоемким, что компьютеры часто создавались для одной функции и никогда не перепрограммировались. Благодаря новому дизайну компьютеры стали легко перепрограммируемыми и могли реализовывать множество различных программ; однако необходимо было включить контроль доступа, чтобы определенные типы программ, такие как вирусы, не могли перепрограммировать важное программное обеспечение, такое как операционная система.

Наиболее известное конструктивное ограничение архитектуры фон Неймана называется «узким местом фон Неймана». Узкое место фон Неймана вызвано архитектурой хранимой программы, поскольку данные и программа используют одну и ту же шину с центральным процессором. Передача информации из памяти в ЦП обычно намного медленнее, чем фактическая обработка в ЦП. Дизайн фон Неймана увеличивает объем необходимой передачи информации, потому что и компьютерная программа, и данные программы должны быть переданы в ЦП. Одним из лучших методов решения этой проблемы было использование кешей ЦП. Кэши ЦП служат посредниками между основной памятью и ЦП. Эти кэши ЦП предоставляют небольшие объемы оперативной памяти рядом с ядром процессора.

Архитектура фон Неймана состоит из четырех частей: блока управления, блока обработки (включая арифметико-логический блок (АЛУ)), блока памяти и механизмов ввода / вывода. Механизмы ввода / вывода включают стандартные устройства, связанные с компьютерами, включая клавиатуры в качестве входов и экраны дисплея в качестве выходов. Механизмы ввода записывают данные в блок памяти, в котором хранятся компьютерные программы и программные данные. Блок управления и блок обработки составляют центральный процессор. Блок управления управляет центральной обработкой в ​​соответствии с полученными инструкциями. Блок обработки содержит АЛУ, которое выполняет основные арифметические или побитовые операции над строкой битов. ALU может выполнять множество различных функций; следовательно, функция блока управления состоит в том, чтобы направлять ALU так, чтобы он выполнял правильную функцию на правильной строке.

Архитектура фон Неймана

После своего появления архитектура фон Неймана стала стандартной компьютерной архитектурой, а гарвардская архитектура была отнесена к микроконтроллерам и обработке сигналов. Архитектура фон Неймана все еще используется сегодня, но новые и более сложные конструкции, вдохновленные архитектурой фон Неймана, затмили оригинальную архитектуру с точки зрения популярности.