หลักการของสถาปัตยกรรม von Neumann คืออะไร? เครื่องจักรของ von Neumann ทำงานอย่างไร?

วันนี้มันเป็นเรื่องยากที่จะเชื่อ แต่คอมพิวเตอร์โดยไม่ต้องซึ่งหลายคนมองไม่เห็นชีวิตของพวกเขาอีกต่อไปปรากฏว่าเมื่อ 70 ปีที่แล้ว หนึ่งในผู้ที่มีส่วนร่วมในการสร้างสรรค์ของพวกเขาคือนักวิทยาศาสตร์อเมริกัน John von Neumann เขาเสนอหลักการที่คอมพิวเตอร์ส่วนใหญ่ยังคงใช้งานอยู่ในปัจจุบัน พิจารณาว่าเครื่อง von Neumann ทำงานอย่างไร

บันทึกย่อเกี่ยวกับชีวประวัติย่อ

Janos Neiman เกิดเมื่อปีพ. ศ. 2473 ที่บูดาเปสต์ครอบครัวชาวยิวที่มั่งคั่งมากซึ่งภายหลังได้รับตำแหน่งขุนนาง ตั้งแต่วัยเด็กเขาโดดเด่นด้วยความสามารถโดดเด่นในทุกสาขา ตอนอายุ 23 Neiman ได้ปกป้องวิทยานิพนธ์ Ph.D. ของเขาในฟิสิกส์และเคมีในการทดลอง ในปีพ. ศ. 2473 นักวิทยาศาสตร์รุ่นเยาว์ได้รับเชิญไปทำงานในสหรัฐอเมริกาที่มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน พร้อมกัน Neiman กลายเป็นหนึ่งในพนักงานคนแรกของสถาบัน Advanced Studies ซึ่งเขาทำงานเป็นศาสตราจารย์มาจนถึงสิ้นชีวิต ผลประโยชน์ทางวิทยาศาสตร์ของ Neumann ค่อนข้างกว้างขวาง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเขาเป็นหนึ่งในผู้สร้างของคณิตศาสตร์ของกลศาสตร์ควอนตัมและแนวคิดของ automata มือถือ

การให้ข้อมูลสารสนเทศ

ก่อนที่เราจะหาว่าหลักการใดที่ไม่สอดคล้องกับสถาปัตยกรรม von Neumann จะเป็นเรื่องที่น่าสนใจที่จะเรียนรู้ว่านักวิทยาศาสตร์ได้คิดค้นการสร้างคอมพิวเตอร์สมัยใหม่อย่างไร

เป็นผู้เชี่ยวชาญด้านคณิตศาสตร์ของการระเบิดและคลื่นกระแทกในต้นปี 1940 von Neumann เป็นที่ปรึกษาด้านวิทยาศาสตร์ในห้องทดลองหนึ่งแห่งของ United States Army Ammunition Office ในฤดูใบไม้ร่วงปี 2486 เขามาถึง Los Alamos เพื่อเข้าร่วมในการพัฒนาโครงการแมนฮัตตันตามคำเชิญส่วนตัวของผู้นำ Robert Oppenheimer ก่อนหน้าเขาเป็นหน้าที่ในการคำนวณแรงอัดของการระเบิดของระเบิดปรมาณูต่อมวลวิกฤต เพื่อแก้ปัญหานี้จำเป็นต้องมีการคำนวณขนาดใหญ่ซึ่งในตอนแรกได้ทำในเครื่องคิดเลขมือและต่อมาใน tabulators กลของ IBM โดยใช้บัตรเจาะ

Von Neumann ได้ทำความคุ้นเคยกับข้อมูลในสนามการสร้างคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์และเครื่องจักรกลอย่างเต็มที่ ในไม่ช้าเขาก็มีส่วนเกี่ยวข้องกับการพัฒนาคอมพิวเตอร์ EDVAC และ ENIAC ซึ่งเป็นผลงานเขียน "รายงานร่างฉบับแรกของ EDVAC" ที่ยังไม่เสร็จซึ่งเขานำเสนอต่อชุมชนวิทยาศาสตร์ว่าเป็นแนวคิดใหม่ในการออกแบบสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์อย่างไร

หลักการของ Von Neumann

สารสนเทศเป็นวิทยาศาสตร์โดย 1945 ถึงสิ้นตาย,เนื่องจากคอมพิวเตอร์ทั้งหมดที่เก็บไว้ในหน่วยความจำของพวกเขาประมวลผลตัวเลขในรูปแบบที่ 10 และโปรแกรมสำหรับการดำเนินงานที่มีประสิทธิภาพได้รับการกำหนดโดยการติดตั้งจัมเปอร์บนแผง patch

นี้ จำกัด มากเป็นไปได้คอมพิวเตอร์ หลักการของ von Neumann เป็นความก้าวหน้า สรุปได้ว่าสามารถอธิบายได้ในประโยคเดียวคือการเปลี่ยนไปใช้ระบบเลขฐานสองและหลักการของโปรแกรมที่เก็บไว้

การวิเคราะห์

พิจารณาหลักการที่โครงสร้างแบบคลาสสิกของเครื่องฟอนนอยมันน์อิงตามรายละเอียดเพิ่มเติม:

1. การเปลี่ยนเป็นไบนารีจากทศนิยม

หลักการของสถาปัตยกรรม Neumann นี้ช่วยให้สามารถใช้อุปกรณ์ตรรกะง่ายๆได้

2. ซอฟต์แวร์ควบคุมคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์

การดำเนินการของคอมพิวเตอร์ถูกควบคุมโดยชุดของคำสั่งที่ดำเนินการตามลำดับหนึ่งหลังจากที่อื่น ๆ การพัฒนาเครื่องแรกด้วยโปรแกรมที่เก็บไว้ในหน่วยความจำได้เป็นจุดเริ่มต้นของการเขียนโปรแกรมสมัยใหม่

3. ข้อมูลและโปรแกรมในหน่วยความจำคอมพิวเตอร์จะถูกเก็บไว้ด้วยกัน

ในเวลาเดียวกันทั้งข้อมูลและคำสั่งของโปรแกรมมีวิธีการเขียนเหมือนกันในระบบเลขฐานสองดังนั้นในบางสถานการณ์จึงเป็นไปได้ที่จะดำเนินการเช่นเดียวกันกับข้อมูลดังกล่าว

การสอบสวน

นอกจากนี้สถาปัตยกรรมของเครื่อง Fonneyman มีคุณสมบัติดังนี้:

1. เซลล์หน่วยความจำมีที่อยู่ที่มีลำดับตามลำดับ

ด้วยการใช้หลักการนี้จึงเป็นไปได้ที่จะใช้ตัวแปรในการเขียนโปรแกรม โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใดก็ตามที่คุณสามารถอ้างถึงเซลล์หน่วยความจำเฉพาะตามที่อยู่ของมัน

2. ความเป็นไปได้ของการเปลี่ยนแปลงเงื่อนไขในหลักสูตรของโครงการ

ตามที่กล่าวมาแล้วคำสั่งในโปรแกรมต้องทำตามลำดับ อย่างไรก็ตามคุณสามารถเปลี่ยนไปใช้ส่วนใดส่วนหนึ่งของโค้ดได้

วิธีการทำงานของ von Neumann

รูปแบบทางคณิตศาสตร์ดังกล่าวประกอบด้วยหน่วยความจำ (หน่วยความจำ), หน่วยตรรกะเลขคณิต (ALU), การควบคุมรวมทั้งอุปกรณ์อินพุตและเอาต์พุต คำสั่งทั้งหมดของโปรแกรมจะถูกบันทึกไว้ในเซลล์หน่วยความจำที่ตั้งอยู่ในพื้นที่ใกล้เคียงและข้อมูลสำหรับการประมวลผลของพวกเขา - ในเซลล์โดยพลการ

ทีมใด ๆ ควรประกอบด้วย:

• ระบุว่าควรจะดำเนินการใด
• ที่อยู่ของเซลล์หน่วยความจำซึ่งเก็บข้อมูลต้นทางที่ได้รับผลกระทบจากการดำเนินงานที่ระบุไว้
• ที่อยู่ของเซลล์ที่จะเขียนผล

การดำเนินงานที่ระบุในทีมเฉพาะข้อมูลต้นฉบับจะถูกดำเนินการโดย ALU และผลลัพธ์จะถูกบันทึกลงในเซลล์หน่วยความจำเช่นเก็บไว้ในรูปแบบที่เหมาะสมสำหรับการกลึงต่อเนื่องหรือถ่ายโอนไปยังอุปกรณ์เอาท์พุท (จอภาพเครื่องพิมพ์ ฯลฯ ) และให้บริการแก่มนุษย์

WU ควบคุมทุกส่วนของคอมพิวเตอร์ สัญญาณ "จะทำอย่างไร" จะถูกส่งไปยังอุปกรณ์อื่น ๆ จากเขาและจากอุปกรณ์อื่น ๆ จะได้รับข้อมูลเกี่ยวกับสถานะที่พวกเขาเข้ามา

อุปกรณ์ควบคุมมีปุ่มพิเศษลงทะเบียนเรียกว่า "เคาน์เตอร์คำสั่ง" SC หลังจากโหลดข้อมูลต้นทางและโปรแกรมลงในหน่วยความจำ SC จะบันทึกที่อยู่ของคำสั่งที่ 1 ตัวควบคุมจะอ่านเนื้อหาของเซลล์ที่มีที่อยู่ใน CS จากหน่วยความจำของคอมพิวเตอร์และวางไว้ใน "Command Register" อุปกรณ์ควบคุมจะกำหนดการทำงานที่สอดคล้องกับคำสั่งเฉพาะและ "บันทึก" ในหน่วยความจำของคอมพิวเตอร์ข้อมูลที่มีที่อยู่จะถูกระบุอยู่ จากนั้น ALU หรือฮาร์ดแวร์ของคอมพิวเตอร์จะดำเนินการต่อหลังจากที่เนื้อหาของ SC ถูกเปลี่ยนเป็นหนึ่งนั่นคือชี้ไปที่คำสั่งถัดไป

คำวิจารณ์

ข้อเสียและมุมมองของสถาปัตยกรรมสมัยใหม่von Neumann ยังคงเป็นเรื่องของการอภิปราย ความจริงที่ว่าเครื่องที่สร้างขึ้นตามหลักการที่นักวิทยาศาสตร์ที่โดดเด่นนี้นำเสนอไม่สมบูรณ์นั้นได้สังเกตเห็นมานานแล้ว

ดังนั้นในตั๋วสอบสำหรับวิทยาการคอมพิวเตอร์มักพบคำถาม "หลักการใดที่สถาปัตยกรรมของ von Neumann ไม่สอดคล้องกับข้อเสียของมัน"

เมื่อตอบส่วนที่สองคุณควรระบุ:

• การปรากฏตัวของช่องว่างความหมายระหว่างภาษาการเขียนโปรแกรมระดับสูงและชุดคำสั่ง
• เกี่ยวกับปัญหาของการจับคู่แบนด์วิดท์ RAM และโปรเซสเซอร์
• เกี่ยวกับวิกฤตซอฟต์แวร์ที่เกิดขึ้นใหม่,เนื่องจากค่าใช้จ่ายในการสร้างน้อยกว่าค่าใช้จ่ายในการพัฒนาฮาร์ดแวร์และไม่มีความเป็นไปได้ในการทดสอบโปรแกรมทั้งหมด
• การขาดโอกาสในแง่ของความเร็วเนื่องจากข้อ จำกัด ทางทฤษฎีของพวกเขาได้รับแล้ว

สำหรับสิ่งที่หลักการไม่ได้เป็นฟอนนอยมันน์สถาปัตยกรรมแล้วเรากำลังพูดถึงองค์กรแบบขนานของจำนวนมากของข้อมูลและคำสั่งโดยทั่วไปของสถาปัตยกรรมแบบมัลติโปรเซสเซอร์

ข้อสรุป

ตอนนี้คุณรู้แล้วว่าหลักการใดไม่ได้สอดคล้องกับสถาปัตยกรรม von Neumann เห็นได้ชัดว่าวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีไม่ได้ยืนนิ่งอยู่และบางทีอาจจะเร็ว ๆ นี้ในทุกบ้านจะมีคอมพิวเตอร์ประเภทใหม่เข้ามาใหม่ซึ่งมนุษย์จะสามารถพัฒนาสู่ระดับใหม่ได้ โดยวิธีการที่จำลอง von Neumann จำลองจะช่วยให้คุณเตรียมตัวสำหรับการสอบ ทรัพยากรทางการศึกษาแบบดิจิทัลเหล่านี้อำนวยความสะดวกในการเรียนรู้และให้โอกาสในการประเมินความรู้