Работата на Джон фон Нойман

Джон фон Нойман

Джон фон Нойман е роден в Будапеща на 28 декември 1903 г. в богато банково семейство, издигнато до унгарското благородство. От най-ранна възраст той проявява голям интелект и е етикетиран като вундеркинд. До 6-годишна възраст фон Нойман можеше да говори древногръцки и да раздели чифт 8-цифрени числа в главата си, а на 8 вече беше научил диференциално и интегрално смятане. Когато фон Нойман е на 15 години, баща му урежда Габор Шегу да служи като негов частен учител по математика. На първия им урок известният математик Szegő беше доведен до сълзи, след като наблюдаваше скоростта и способността на младия фон Нойман. В допълнение към тези невероятни подвизи, фон Нойман имаше фотографска памет и можеше да рецитира цели романи от дума на дума.

Фон Нойман завършва двугодишен сертификат по химия в университета в Берлин и докторска степен по математика в университета Pázmány Péter. След като завършва докторска степен, фон Нойман отива в университета в Гьотинген, за да учи при Дейвид Хилберт, един от важен математик, чиято работа е помогнала за развитието на компютъра. След това фон Нойман отиде в Принстънския университет, за да приеме доживотна среща в Института за напреднали изследвания. Кабинетът му беше на няколко врати от офиса на Алберт Айнщайн и Айнщайн се оплака, че фон Нойман свири немски маршова музика на служебния си фонограф твърде силно.

Докато е в Принстън, фон Нойман е привлечен да работи по проекта Манхатън. Той предприема много пътувания до лабораторията в Лос Аламос, за да наблюдава развитието на атомните оръжия и е от решаващо значение в много етапи от проектирането и изграждането на двете ядрени оръжия, хвърлени върху Япония. Той е бил очевидец на първото изпитание на атомна бомба на 16 юли 1945 г. и е служил в комитета, натоварен с решението кои два японски града ще бъдат целите на бомбата. За участието си в проекта „Манхатън“ фон Нойман се превърна в може би най-голямото вдъхновение за героя Др. Стрейнджъл в едноименния филм на Стенли Кубрик.

Д-р. Странна любов

По времето, през което той работи върху атомната бомба, фон Нойман започва да работи върху идеи, които биха били в основата на компютърните науки. Фон Нойман се е срещал с Алън Тюринг години по-рано и докладите сочат, че фон Нойман е бил повлиян от статията на Тюринг „За изчислими числа.”Разбира се, благодарение на предишната си работа с Хилберт, фон Нойман беше в чудесна позиция да осъзнае значението на работата на Тюринг.

През 1945 г., докато е в последния етап от работата си по проекта „Манхатън“, фон Нойман казва на приятели и колеги, че мисли за още по-последователна работа. Докато е бил във влак за Лос Аламос, фон Нойман е написал документ, наречен „Първи проект на доклад за EDVAC“. Този документ от 101 страници съдържа дизайна на архитектурата на фон Нойман, която остава доминиращата парадигма в компютърната архитектура от нейното въвеждане. Архитектурата на фон Нойман обикновено се свързва с компютърната концепция на съхранената програма, но също така включва проектиран от 4 части дизайн, който се различава от другите концепции на съхранената програма.

Най-важното е, че архитектурата на фон Нойман е компютър със запазена програма. Компютрите със съхранена програма използват един блок памет, за да съхраняват както компютърните програми, така и данните, които компютърните програми приемат като вход. Дизайнът на съхранената програма обикновено е в контраст с архитектурата на Харвард, която използва отделни модули памет за съхраняване на компютърната програма и данните на програмата.

Идеята за архитектура на съхранена програма е мълчаливо предложена от работата на Тюринг върху универсални машини на Тюринг, тъй като тези машини са теоретични версии на компютри със съхранена програма. Фон Нойман обаче признава стойността на изричното проектиране на това свойство в компютрите. Алтернативните методи за програмиране на компютри изискват ръчно окабеляване или повторно свързване на веригите на компютъра, процес, който е толкова трудоемък, че компютрите често се изграждат за една функция и никога не се препрограмират. С новия дизайн компютрите станаха лесно препрограмируеми и в състояние да изпълняват много различни програми; трябваше обаче да се активират контролите за достъп, за да се предотврати препрограмирането на някои видове програми като вируси от решаващ софтуер като операционната система.

Най-известното дизайнерско ограничение на архитектурата на фон Нойман се нарича „тесното място на фон Нойман“. Тесното място на фон Нойман се дължи на архитектурата на съхранената програма, тъй като данните и програмата споделят една и съща шина към централния процесор. Прехвърлянето на информация от паметта към процесора обикновено е много по-бавно от действителната обработка в процесора. Дизайнът на фон Нойман увеличава количеството на необходимия трансфер на информация, тъй като както компютърната програма, така и данните на програмата трябва да бъдат прехвърлени към процесора. Един от най-добрите методи за подобряване на този проблем е използването на кешове на процесора. Кешовете на процесора служат като посредници между основната памет и процесора. Тези кешове на процесора осигуряват малки количества памет с бърз достъп близо до ядрото на процесора.

Архитектурата на фон Нойман се състои от четири части: контролен блок, процесорен блок (включително аритметичен и логически блок (ALU)), модул памет и входно / изходни механизми. Механизмите за въвеждане / извеждане включват стандартните устройства, свързани с компютрите, включително клавиатури като входове и дисплеи като изходи. Механизмите за въвеждане записват в паметта, която съхранява компютърните програми и данните на програмата. Блокът за управление и процесорът се състоят от централния процесор. Контролният блок насочва централната обработка в съответствие с инструкциите, които получава. Блокът за обработка съдържа ALU, който изпълнява основни аритметични или битови операции върху низ от битове. ALU може да изпълнява много различни функции; следователно функцията на контролния блок е да насочва ALU, така че да изпълнява правилната функция на правилния низ.

Архитектурата на фон Нойман

След представянето си, архитектурата на фон Нойман се превърна в стандартна компютърна архитектура, а архитектурата на Харвард беше прехвърлена към микроконтролери и обработка на сигнали. Архитектурата на фон Нойман все още се използва и днес, но по-новите и по-сложни дизайни, вдъхновени от архитектурата на фон Нойман, затъмняват оригиналната архитектура по отношение на популярността.