Архітектура фон Нейманна

Архітектура фон Нейманна. Структурна схема

Архітекту́ра фон Не́йманна (англ. von Neumann architecture) — класичний принцип побудови універсальної обчислювальної машини (комп’ютера), відповідно до якого команди й дані розміщено в одній пам’яті у вигляді двійкового коду, а процесор послідовно вибирає з пам’яті команди й дані, обробляє їх та виконує завдання.

Історична довідка

Архітектуру фон Нейманна названо на честь Дж. фон Нейманна — математика й фізика, якому належать актуальні дотепер новаторські роботи з комп’ютерної теорії, пов’язані з логічною організацією комп’ютерів, проблемами функціонування машинної пам’яті, низкою інженерних рішень, покладених в основу створення електронних обчислювальних машин і систем. Офіційно термін «архітектура фон Нейманна» з’явився влітку 1945, коли Дж. фон Нейманн підготував для замовника чернетку звіту про роботу над проектом EDVAC (англ. Electronic Discrete Variable Automatic Computer — електронний дискретний автоматичний обчислювач) — однієї з перших електронних обчислювальних машин. Концепція отримала схвальні відгуки широкого загалу вчених і назву на честь автора. У її створенні також брали участь Дж. В. Моклі і Дж. А. П. Екерт.

Першим комп’ютером прийнято вважати аналітичну машину Ч. Беббіджа (1822). Це був механічний пристрій, до складу якого входили арифметичний пристрій, регістри пам’яті, пристрій для введення і виведення інформації, керований за допомогою перфокарт.

1934 К. Цузе розробив модель автоматичного калькулятора, що складалася з пристрою керування, обчислювального пристрою та пам’яті. Він запропонував зберігати машинні команди в тій самій пам’яті, яку використовували для зберігання даних.

1936 К. Цузе запатентував ідею механічної пам’яті, 1941 створив перший програмований комп’ютер на механічних реле, що використовував двійкову систему числення.

1936 А. М. Тюрінг запропонував гіпотетичний пристрій із нескінченною пам’яттю, де утримуються команди й дані (так звана машина Тюрінга). З роботами вченого був ознайомлений Дж. фон Нейманн, оскільки 1936–1937 А. М. Тюрінг стажувався в Інституті перспективних досліджень Прінстонського університету, у якому Д. фон Нейманн працював професором.

У грудні 1943 Дж. А. П. Екерт та Дж. В. Моклі під час розроблення архітектури першого у світі лампового комп’ютера ENIAC (англ. Electronic Numerical Integrator and Computer — електронний числовий інтегратор та обчислювач) дійшли висновку, що програми й дані потрібно зберігати у спільній пам’яті на ртутних електронних лампах.

1944 до них приєднався Дж. фон Нейманн як консультант, який критично проаналізував недоліки проекту ENIAC та підтримав бажання Дж. А. П. Екерта та Дж. В. Моклі розробити досконаліший комп’ютер EDVAC. Завдяки підтримці Дж. фон Нейманна розробники отримали додаткове фінансування від замовника — лабораторії балістичних досліджень армії США — і розпочали дослідницьку роботу над EDVAC паралельно з конструюванням ENIAC.

Характеристика

Головним стрижнем концепції архітектури обчислювальної машини Дж. фон Нейманна є схема з таких пристроїв: центрального процесора, оперативної («швидкої») пам’яті, довготривалої (зовнішньої) пам’яті, пристроїв уведення і виведення інформації.

Сутність розробленої концепції Дж. фон Нейманн сформулював у вигляді таких принципів:

  • дані та команди мають бути представлені двійковим (бінарним) числовим кодом, який дає змогу конструювати простіші та швидші пристрої;
  • роботу машини контролює програма, що складається з набору команд, які виконуються послідовно одна за одною;
  • однаковий спосіб кодування даних і команд дозволяє обробляти команди як звичайні числа, що дає машині змогу модифікувати програму в процесі обчислень, тобто з’являється можливість програмування машини;
  • машина, яка виконує тривалу послідовність операцій, повинна мати спеціалізований орган великої місткості для збереження початкових даних, проміжних і кінцевих результатів обчислень, а також команд, їхніх типів та послідовності виконання, тобто необхідна внутрішня оперативна пам’ять; збереження команд і даних у тому самому місці означає, що їх можна обробляти однаково (це забезпечує можливість оперативно модифікувати програму в процесі обчислень);
  • комірки пам’яті машини повинні мати послідовні адреси, щоб у довільний момент можна було звернутися до будь-якої з них за відповідною адресою (тобто в програмуванні з’являється можливість використовувати змінні);
  • адресація комірок пам’яті дає змогу в процесі послідовного виконання команд програми за відповідних умов переходити до будь-якої ділянки коду;
  • машина є засобом обчислень і найчастіше виконує елементарні арифметичні та логічні операції, тому в її складі має бути спеціалізований орган — арифметико-логічний пристрій;
  • логічне керування машиною, тобто визначення послідовності операцій, здійснює центральний керувальний орган — спеціалізований пристрій для виконання таких операцій, що має бути її складником; арифметико-логічний і керувальний пристрої разом утворюють центральний процесор;
  • у машини мають бути органи довготривалого зберігання інформації в зовнішньому запам’ятовувальному середовищі, наприклад, у вигляді перфокарт, телетайпної стрічки, магнітного дроту тощо (тобто необхідна довготривала пам’ять);
  • інформація має бути передана в арифметико-логічний, керувальний пристрої та в пам’ять, а також у зворотному напрямку за допомогою окремих органів — пристроїв уведення та виведення інформації.

Значення

Дж. фон Нейманн узагальнив ідеї попередників, розробив загальну наукову концепцію архітектури комп’ютера, яка стала стандартом для багатьох розробників універсальних обчислювальних машин загального призначення. Стандартизація архітектури комп’ютера дала змогу різним розробникам комп’ютерів одночасно розробляти власні пристрої, сумісні за своїми протоколами оброблення інформації з пристроями інших розробників. Сумісність різних пристроїв пришвидшила розробку комп’ютерів.

Поширення комп’ютерів спонукало становлення кібернетики. Спільна робота Н. Вінера і Дж. фон Нейманна підштовхнула першого до розробки основ цієї науки.

Внесок українських вчених

Перші проекти вітчизняних електронних обчислювальних машин були запропоновані 1948 С. Лебедєвим та Б. І. Рамеєвим (1918–1994).

1949–1951 в Київському інституті електротехніки АН УРСР (тепер Інститут електродинаміки НАН України) за проектом С. Лебедєва побудовано малу електронну обчислювальну машину (рос. рос. МЭСМ — малая электронно-счетная машина). Перше пробне включення макета машини відбулося в листопаді 1950, а 1951 її введено в експлуатацію. Мала електронна обчислювальна машина працювала у двійковій системі з триадресною системою команд, із паралельним обробленням слів і програмою обчислень, місце зберігання якої — у пристрої пам’яті оперативного типу.

1966–1969 в Інституті кібернетики АН УРСР (тепер Інститут кібернетики імені В. М. Глушкова НАН України) під керівництвом академіка В. Глушкова для автоматизування інженерних розрахунків розроблено ЕОМ сімейства «МИР» (абревіатура від рос. машина для инженерных расчетов — машина для інженерних розрахунків), відповідно, 1966 — «МИР-1», 1969 — «МИР-2». Певною мірою їх можна вважати першими вітчизняними персональними комп’ютерами. Головною відмінністю машин сімейства «МИР» була апаратна реалізація машинної мови, близької до мови програмування високого рівня. Якщо пристроєм уведення та виведення інформації на машині «МИР» ще був телетайп, то на машині «МИР-2» для візуального контролювання інформації вже використовували телевізійний екран, на якому можна було безпосередньо коригувати дані за допомогою світлового пера.

Праці

  1. First Draft of a Report on the EDVAC. Philadelphia : Moore School of Electrical Engineering, 1945. 100 p.
  2. Papers of John von Neumann on Computers and Computing Theory. Cambridge : MIT Press, 1987. 624 p. (у співавт.)

Література

  1. Goldstine H. The Computer from Pascaltovon Neumann. Princeton : Princeton University Press, 1980. 365 p.
  2. Данилов Ю. А. Джон фон Нейман. Москва : Знание, 1981. 64 с.
  3. Майерс Г. Архитектура современных ЭВМ : в 2 кн. / Пер. с англ. Москва : Мир, 1985.
  4. Знакомьтесь: компьютер / Пер. с англ. Москва : Мир, 1989. 240 с.
  5. Смирнов А. Д. Архитектура вычислительных систем. Москва : Наука, 1990. С. 104.
  6. Segal R. Space Packed: The Architecture of Alfred Neumann. Zurich : Park Books, 2018. 352 p.
  7. Hennessy J. L., Patterson D. A. Computer Architecture: A Quantitative Approach. 6th ed. San Francisco : Morgan Kaufmann, 2019. 936 p.

Автор ВУЕ

А. І. Антонюк


Покликання на цю статтю

Покликання на цю статтю: Антонюк А. І. Архітектура фон Нейманна // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Архітектура фон Нейманна (дата звернення: 18.01.2022).


Оприлюднено

Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено:
16.12.2020

Офіційний телеграм-канал ВУЕОфіційний телеграм-канал ВУЕ