Dzieło Johna von Neumanna

Jana von Neumanna

John von Neumann urodził się w Budapeszcie 28 grudnia 1903 r. w zamożnej rodzinie bankowej wyniesionej do rangi węgierskiej szlachty. Od najmłodszych lat wykazywał wielki intelekt i został nazwany cudownym dzieckiem. W wieku 6 lat von Neumann potrafił mówić w starożytnej grece i dzielić w głowie parę 8-cyfrowych liczb, a w wieku 8 lat nauczył się rachunku różniczkowego i całkowego. Kiedy von Neumann miał 15 lat, jego ojciec załatwił Gáborowi Szegő, aby został jego prywatnym korepetytorem z matematyki. Na pierwszej lekcji słynny matematyk Szegő został doprowadzony do łez, widząc szybkość i umiejętności młodego von Neumanna. Oprócz tych niesamowitych wyczynów von Neumann miał pamięć fotograficzną i potrafił recytować całe powieści słowo w słowo.

Von Neumann ukończył dwuletni certyfikat z chemii na Uniwersytecie w Berlinie oraz doktorat z matematyki na Uniwersytecie Pázmány Péter. Po ukończeniu doktoratu von Neumann udał się na Uniwersytet w Getyndze, aby studiować pod kierunkiem Davida Hilberta, jednego z ważnych matematyków, którego praca pomogła w rozwoju komputera. Następnie von Neumann udał się na Uniwersytet Princeton, aby przyjąć dożywotnią nominację do Institute of Advanced Study Advanced. Jego biuro znajdowało się kilka drzwi od biura Alberta Einsteina, a Einstein narzekał, że von Neumann zbyt głośno grał niemiecką muzykę marszową na swoim biurowym gramofonie.

Podczas pobytu w Princeton von Neumann został zaangażowany do pracy nad Projektem Manhattan. Odbył wiele podróży do Los Alamos Laboratory, aby monitorować rozwój broni atomowej i odegrał kluczową rolę na wielu etapach projektowania i budowy dwóch broni jądrowych zrzuconych na Japonię. Był naocznym świadkiem pierwszego testu bomby atomowej 16 lipca 1945 r. i służył w komisji, której zadaniem było podjęcie decyzji, które dwa japońskie miasta będą celem bomby. Dzięki zaangażowaniu w Projekt Manhattan von Neumann stał się prawdopodobnie największą inspiracją dla postaci Dr. Strangelove w filmie o tej samej nazwie Stanleya Kubricka.

dr. Dziwna miłość

Mniej więcej w czasie, gdy pracował nad bombą atomową, von Neumann zaczął pracować nad pomysłami, które stanowiłyby podstawę informatyki. Von Neumann spotkał się z Alanem Turingiem lata wcześniej, a raporty sugerują, że von Neumann był pod wpływem pracy Turinga „O liczbach obliczalnych.Z pewnością dzięki wcześniejszej pracy z Hilbertem von Neumann był w doskonałej pozycji, aby rozpoznać znaczenie dzieła Turinga.

W 1945 roku, w końcowej fazie swojej pracy nad Projektem Manhattan, von Neumann powiedział przyjaciołom i współpracownikom, że myśli o jeszcze bardziej konsekwentnej pracy. W pociągu do Los Alamos von Neumann napisał dokument zatytułowany „Pierwszy szkic raportu na temat EDVAC”. Ten 101-stronicowy dokument zawiera projekt architektury von Neumanna, która pozostaje dominującym paradygmatem w architekturze komputerowej od czasu jej wprowadzenia. Architektura von Neumanna jest zwykle powiązana z koncepcją komputera z przechowywanymi programami, ale obejmuje również 4-częściowy projekt inżynieryjny, który różni się od innych koncepcji przechowywanych programów.

Co najważniejsze, architektura von Neumanna to komputer z programem przechowywanym. Komputery z programem komputerowym wykorzystują jedną jednostkę pamięci do przechowywania zarówno programów komputerowych, jak i danych, które programy komputerowe pobierają jako dane wejściowe. Projekt przechowywanych programów jest zazwyczaj przeciwstawiany architekturze Harvarda, która wykorzystuje oddzielne jednostki pamięci do przechowywania programu komputerowego i danych programu.

Pomysł architektury przechowywanego programu został milcząco zasugerowany w pracach Turinga nad uniwersalnymi maszynami Turinga, ponieważ maszyny te są teoretyczną wersją komputerów z przechowywanymi programami. Jednak von Neumann dostrzegł wartość jawnej inżynierii tej właściwości w komputerach. Alternatywne metody programowania komputerów wymagały ręcznego okablowania lub ponownego okablowania obwodów komputera, procesu, który był tak pracochłonny, że komputery były często budowane dla jednej funkcji i nigdy nie były przeprogramowywane. Dzięki nowemu projektowi komputery stały się łatwe do przeprogramowania i mogły wdrażać wiele różnych programów; jednak kontrola dostępu musiała być włączona, aby uniemożliwić niektórym rodzajom programów, takim jak wirusy, przeprogramowywanie kluczowego oprogramowania, takiego jak system operacyjny.

Najbardziej znane ograniczenie projektowe architektury von Neumanna nazywa się „wąskim gardłem von Neumanna”. Wąskie gardło von Neumanna jest spowodowane architekturą programu przechowywanego, ponieważ dane i program współdzielą tę samą magistralę do jednostki centralnej. Przesyłanie informacji z pamięci do procesora jest zwykle znacznie wolniejsze niż rzeczywiste przetwarzanie w procesorze. Konstrukcja von Neumanna zwiększa ilość wymaganego transferu informacji, ponieważ zarówno program komputerowy, jak i dane programu muszą być przesyłane do procesora. Jedną z najlepszych metod złagodzenia tego problemu jest wykorzystanie pamięci podręcznej procesora. Pamięć podręczna procesora służy jako pośrednik między pamięcią główną a procesorem. Te pamięci podręczne procesora zapewniają niewielką ilość szybko dostępnej pamięci w pobliżu rdzenia procesora.

Architektura von Neumanna składa się z czterech części: jednostki sterującej, jednostki przetwarzającej (w tym jednostki arytmetyczno-logicznej (ALU)), jednostki pamięci oraz mechanizmów wejścia/wyjścia. Mechanizmy wejścia/wyjścia obejmują standardowe urządzenia związane z komputerami, w tym klawiatury jako wejścia i ekrany wyświetlacza jako wyjścia. Mechanizmy wejściowe zapisują w jednostce pamięci, która przechowuje programy komputerowe i dane programu program. Jednostka sterująca i jednostka przetwarzająca zawierają procesor centralny. Jednostka sterująca kieruje centralnym przetwarzaniem zgodnie z otrzymanymi instrukcjami. Jednostka przetwarzania zawiera jednostkę ALU, która wykonuje podstawowe operacje arytmetyczne lub bitowe na ciągu bitów. Jednostka ALU może pełnić wiele różnych funkcji; w związku z tym funkcją jednostki sterującej jest kierowanie jednostką ALU tak, aby wykonywała właściwą funkcję na właściwym łańcuchu.

Architektura von Neumanna

Po jej wprowadzeniu architektura von Neumanna stała się standardową architekturą komputerową, a architektura Harvardu została zepchnięta do mikrokontrolerów i przetwarzania sygnałów. Architektura von Neumanna jest nadal w użyciu, ale nowsze i bardziej skomplikowane projekty inspirowane architekturą von Neumanna przyćmiły oryginalną architekturę pod względem popularności.