بنية فون نيومان: تاريخ أصل المصطلح

بنية فون نيومان آلة، المعروف أيضا باسم نموذج فون نيومان، أو العمارة برينستون، ويستند إلى تقنية وصفها في عام 1945 من قبل عالم الرياضيات والفيزيائي جون فون نيومان كجزء من تقرير "المشروع الأول" على الكمبيوتر إدفاك.

مخطط العمارة

وصف تقرير فون نيومان مخطط الهندسة المعمارية للكمبيوتر الرقمي الإلكتروني مع أجزاء تتكون من وحدات المعالجة التي تحتوي على:

• وحدة المنطق الحسابية.
• سجلات المعالج؛
• وحدة تحكم تحتوي على سجل الأوامر وعداد الأوامر؛
• جهاز تخزين لتخزين البيانات؛
• جهاز التخزين الخارجي.
• آليات المدخلات والمخرجات.

وكان معنى التنمية أن أي معلومات مخزنة على الكمبيوتر يمكن استخدامها من قبل البرنامج الذي لا يمكن تشغيل البيانات العملية المختارة في وقت واحد، لأنها تتشارك حافلة مشتركة. وهذا ما ورد في "المشروع الأول"، الذي يصف أفكار العالم حول أي نوع من العمارة ينبغي أن يكون. ووصف فون نيومان هذا الوضع بأنه "عنق الزجاجة"، الذي غالبا ما يحد من أداء النظام.

مبادئ فن العمارة فون نيومان

الكمبيوتر الرقمي هو جهاز كمبيوتر يقوم بتخزين برنامج يحتوي على تعليمات البرنامج وبيانات القراءة والكتابة ويشمل أيضا ذاكرة الوصول العشوائي (رام). مبادئ الهندسة المعمارية جون فون نيومان كما وردت في عمله "المشروع الأول". ووفقا له، أجهزة الكمبيوتر مع برنامج المخزنة في الذاكرة كانت تحسنا على إدارة أجهزة الكمبيوتر، مثل إينياك. تم برمجة هذا الأخير عن طريق وضع مفاتيح وإدخال التصحيح الذي يؤدي إلى توجيه البيانات وإشارات التحكم بين كتل وظيفة مختلفة. في الغالبية العظمى من أجهزة الكمبيوتر الحديثة، وتستخدم الذاكرة أيضا بطريقة مماثلة. في هذه الحالة، بنية فون نيومان الكمبيوتر يختلف، على سبيل المثال، من جامعة هارفارد، في أنه يستخدم ليس الرئيسي، ولكن ذاكرة التخزين المؤقت.

قبل التاريخ

وكان لدى الحواسيب الأولى برامج ثابتة ثابتة. بعض أجهزة الكمبيوتر بسيطة جدا لا تزال تستخدم هذا التصميم إما للبساطة أو لأغراض تعليمية. على سبيل المثال، آلة حاسبة سطح المكتب هو أيضا جهاز كمبيوتر مع برنامج ثابت. ويمكن أن تعمل مع أساسيات الرياضيات، ولكن لا يمكن أن تستخدم معالج النصوص أو وحدة تحكم اللعبة. ويتطلب تغيير برنامج الماكينة الثابتة إعادة تركيب الجهاز أو إعادة هيكلته أو إعادة تنظيمه. ولم تكن الحواسيب المبكرة في الأفق ضيقة جدا، لأنها وضعت لأول مرة ولأغراض علمية. وظهرت إعادة البرمجة في وقت لاحق جدا، وكانت عملية تستغرق وقتا طويلا، بدءا من الرسوم البيانية كتلة والفواتير الورقية وتنتهي مع المشاريع الفنية التفصيلية. كان من الصعب بشكل خاص عملية التحديث المادي للقنوات من استعادة الجهاز. قد يستغرق الأمر ثلاثة أسابيع لتثبيت البرنامج على إنياك ومحاولة الحصول عليه للعمل.

فكرة جديدة

مع اقتراح من برامج تخزين الكمبيوتر في الذاكرة، تغير كل شيء. مخزنة في الذاكرة، فهي تصميم مع مجموعة من التعليمات. لذلك، يمكن للآلة على الفور الحصول على مجموعة من الأوامر لإجراء العمليات الحسابية.

ويشير تصميم مثل هذه البرامج إلى رموز تعديل ذاتي. واحدة من المنشآت الأولى لمثل هذا الكائن كانت الحاجة إلى خوارزمية لزيادة أو تغيير جزء العنوان من الأوامر. وقد تم ذلك يدويا في التصاميم المبكرة. وقد أصبح هذا أقل أهمية عندما أصبحت سجلات الفهرس والمعالجة غير المباشرة هي الخصائص المعتادة التي يمتلكها كمبيوتر الحاسوب لجهاز جون فون نيومان. استخدام آخر هو إدراج البيانات المستخدمة بشكل متكرر في تدفق الأوامر باستخدام حل فوري. ولكن تم تعديلها بشكل مستقل كود التعديل الذاتي، كما أنه من الصعب عادة أن نفهم والتصحيح. وبالإضافة إلى ذلك، كان أيضا غير فعالة من حيث التشغيل ومخططات التخزين المؤقت من المعالجات الحديثة.

بشكل عام، القدرة على التعامل مع التعليمات والبيانات هي ما المجمعين، المجمعين والبنائين، لوادر وغيرها من الأدوات مع ممكن الكائن البرمجة الآلي القيام به. لذلك أقول، كتابة البرامج التي تكتب البرامج. وعلى نطاق أصغر، تم العثور على عمليات مكثفة للمدخلات والمخرجات المتكررة، مثل التلاعب بيتبلت مع صور تظليل بدائي أو بكسل ورأس في رسومات ثلاثية الأبعاد حديثة، غير فعالة للعمل بدون معدات المستعمل.

تطوير مفهوم البرنامج المخزن في الذاكرة

وقد كتب عالم الرياضيات آلان تورينج، الذي كان مهتما بمشكلة المنطق الرياضي بعد محاضرة ماكس نيومان في جامعة كامبريدج، المقال في عام 1936، وقد نشر في طبعة جمعية لندن الرياضية. في ذلك، وصف آلة افتراضية، وهو ما يسمى "الكمبيوتر العالمي"، والذي يعرف الآن باسم آلة تورينج العالمي. كان لديه مخزن لانهائي (في المصطلحات الحديثة - الذاكرة)، والتي تحتوي على كل من التعليمات والبيانات، التي تم إنشاؤها الهندسة المعمارية معين. التقى فون نيومان تورينج في ذلك الوقت عندما كان أستاذا زائرا في كامبريدج في عام 1935، وأيضا أثناء الدفاع عن أطروحة الدكتوراه تورينج في معهد الدراسات المتقدمة في برينستون (نج) في 1936-1937.

بغض النظر عن بعضهم البعض، جي بريسبر إكيرت وجون موشلي، الذي طور إينياك في كلية الهندسة الكهربائية في جامعة بنسلفانيا، كتب عن مفهوم الجهاز الذي قام بتخزين البرنامج في الذاكرة في ديسمبر 1943. عند التخطيط لآلة جديدة، إدفاك، كتب إكيرت في يناير 1944 أنها سوف تخزين البيانات والبرامج في جهاز جديد مع معالجة الذاكرة عن طريق تأخير الزئبق المعدني. وكانت هذه هي المرة الأولى التي يقترح بناء آلة تخزين برنامج في الذاكرة. وفي الوقت نفسه لم يكن هو وموكلي على علم بعمل تورينج (الصورة أدناه).

هندسة الكمبيوتر: مبدأ فون نيومان

شارك فون نيومان في مشروع مانهاتن في المختبر الوطني في لوس ألاموس، الأمر الذي تطلب قدرا كبيرا من الحساب. هذا جذبه إلى مشروع إنياك في صيف عام 1944. هناك انضم إلى مناقشات حول تطوير الكمبيوتر إدفاك. في إطار هذه المجموعة، كتب ورقة بعنوان "مشروع التقرير الأول عن إدفاك"، استنادا إلى عمل إكيرت و موشلي. لم تكن كاملة عندما قام زميله غولدشتاين بتعميم مشروع باسم فون نيومان (بالمناسبة، إيكيرت و موشلي كانتا مدهشتين بهذه الأخبار). تمت قراءة هذه الوثيقة من قبل عشرات من الزملاء فون نيومان في أمريكا وأوروبا وكان لها تأثير كبير على المرحلة التالية من تطوير الكمبيوتر.

وقد اكتسبت المبادئ الأساسية للهندسة المعمارية فون نيومان، المنصوص عليها في "المشروع الأول" شعبية واسعة، في حين غطت تورينج تقريره عن الحاسبة الإلكترونية، والتي تم وصفها بالتفصيل في الهندسة والبرمجة. وقد احتوت على عرض المؤلف للآلة، التي كانت تسمى محرك الحوسبة الآلية (إيس). وقدمها إلى اللجنة التنفيذية للمختبر الفيزيائي الوطني البريطاني في عام 1946. بعد فترة من الوقت، تم إجراء العديد من التطبيقات الناجحة لتصميم إيس.

بداية تنفيذ المشروع

ووصف كل من تصميم فون نيومان ووثائق تورينج أجهزة الكمبيوتر التي تخزن برنامجا معينا في الذاكرة، لكن مقالة فون نيومان وصلت إلى دوران أكبر في المجتمع، وأصبحت هندسة الكمبيوتر تعرف باسم هندسة جون فون نيومان.

في عام 1945، قام البروفيسور نيومان، الذي عمل بعد ذلك في كلية الهندسة في فيلادلفيا، حيث تم بناء أول إنياك، بإصدار تقرير عن التصميم المنطقي للحواسيب الرقمية نيابة عن مجموعة من زملائه. يحتوي التقرير على اقتراح مفصل إلى حد ما لتصميم الجهاز، الذي أصبح منذ ذلك الحين يعرف باسم إدفاك. وقد أنشئت مؤخرا فقط في أمريكا، ولكن التقرير ألهم فون نيومان لإنشاء إدساك.

المجنون وجونياكس

في عام 1947، نشرت بيركس، غولدشتاين وفون نيومان تقريرا آخر، والذي غطى بناء نوع آخر من آلة (هذه المرة موازية)، الذي كان من المفترض أن تكون سريعة للغاية، وقادرة على تنفيذ ما يصل إلى 20،000 عملية في الثانية الواحدة. وأشاروا إلى أن هناك مشكلة لم تحل في بناء ذلك هو تطوير الذاكرة المناسبة، والمحتويات التي يجب أن تكون متاحة على الفور. أولا اقترحوا استخدام أنبوب فراغ خاص يسمى سيليكرون، الذي اخترع في مختبر برينستون. كانت هذه الأنابيب باهظة الثمن، مما يجعلها صعبة للغاية، خاصة إذا تم استخدام هذه العمارة. فون نيومان قرر في وقت لاحق لبناء آلة على أساس ذاكرة ويليامز. هذا الجهاز، الذي تم الانتهاء منه في يونيو 1952 في برينستون، أصبحت معروفة على نطاق واسع مانياك (أو مجرد المجنون). تصميمها ألهم المبدعين لتصميم نصف دزينة أو أكثر من الأجهزة المماثلة التي يجري بناؤها الآن في أمريكا وتسمى جونياكس كوميكيا.

مبادئ الخلق

وقد تم عرض أحد أحدث الحواسيب الرقمية التي تجسد التطورات والتحسينات في تقنية الحوسبة الإلكترونية التلقائية في المختبر الفيزيائي الوطني في تدنغتون حيث تم تصميمها وبنائها من قبل مجموعة صغيرة من علماء الرياضيات ومهندسي الالكترونيات والباحثين بمساعدة عدد من مهندسي الإنتاج من شركة بريتيش إليكتريك كومباني Ltd. لا تزال المعدات في المختبر، ولكن فقط كنموذج أولي من تركيب أكبر بكثير، والذي يعرف باسم محرك الحوسبة التلقائية. ولكن، على الرغم من كتلة صغيرة نسبيا ومحتوى 800 فقط صمامات الحرارية، بل هو آلة العد سريع للغاية وعالمية.

وضعت المفاهيم الأساسية والمبادئ المجردة لحساب مع آلة من قبل الدكتور تورينج على أساس نفس المجتمع الرياضي لندن في وقت مبكر من عام 1936، ولكن العمل على مثل هذه الآلات في المملكة المتحدة تأخر بسبب الحرب. في عام 1945، واصل النظر في مشاكل إنشاء مثل هذه الأجهزة في المختبر الفيزيائي الوطني من قبل الدكتور فورمسلي، المشرف على مختبر قسم الرياضيات. وانضم إلى تورينج مع موظفيه الصغيرين من المتخصصين، وبحلول عام 1947 تم تقديم التخطيط الأولي بما فيه الكفاية لتبرير إنشاء مجموعة خاصة.

أجهزة الكمبيوتر الأولى على العمارة فون نيومان

يصف المشروع الأول مخططا تم استخدامه من قبل العديد من الجامعات والشركات لبناء أجهزة الكمبيوتر الخاصة بهم. من بينها، إلا إلياك و أوردفاك كان مجموعات التعليمات متوافقة.

تم تجسيد العمارة الكلاسيكية فون نيومان في آلة مانشستر الصغيرة التجريبية (سسيم)، الملقب بيبي من جامعة مانشستر، التي جعلت أول إطلاق ناجح كجهاز تخزين البرنامج في الذاكرة في 21 يونيو 1948.

تم إطلاق إدساك من جامعة كامبريدج، أول كمبيوتر الكتروني عملي من هذا النوع، لأول مرة بنجاح في مايو 1949.

تطوير النماذج التي تم إنشاؤها

كان لشركة عب سيك القدرة على عرض التعليمات كبيانات وأظهرت علنا في 27 يناير 1948. وقد تمت الموافقة على هذه القدرة في براءة الاختراع الأمريكية. ومع ذلك، كان جزئيا آلة الكهروميكانيكية، وليس الإلكترونية تماما. في الممارسة العملية، تم قراءة التعليمات من الشريط الورقي بسبب الذاكرة المحدودة.

كان الطفل أول كمبيوتر إلكتروني بالكامل لتشغيل البرامج المخزنة. ركض برنامج العوملة لمدة 52 دقيقة في 21 يونيو 1948 بعد بدء حساب بسيط من الانقسام والحساب، مما يدل على أن اثنين من الأرقام هي رئيس الوزراء نسبيا.

تم تعديل إنياك للعمل كجهاز كمبيوتر بدائي للقراءة فقط، ولكن لنفس العمارة، وظهر في 16 سبتمبر 1948، وإطلاق برنامج عادل غولدشتاين نظمت بمساعدة فون نيومان.

وقد أجرى المركز عدة برامج اختبار في شباط / فبراير وآذار / مارس ونيسان / أبريل 1949، على الرغم من أنه لم يكتمل حتى أيلول / سبتمبر 1949. وبالإضافة إلى ذلك، كانت هناك عمليات اطلاق اختبار (بعضها ناجحة) لأجهزة كمبيوتر إلكترونية أخرى يكون هذا العمق متأصلا فيها. فون نيومان، بالمناسبة، واصل العمل على مشروع مانهاتن. هذا هو شخص عالمي.

تطور نظام هندسة الحافلات

في العقود، وبالفعل في 60s و 70s، أصبحت أجهزة الكمبيوتر ككل أصغر وأسرع، مما أدى إلى بعض التطورات التي خضعت بنية الكمبيوتر تحت فون نيومان. على سبيل المثال، العرض في الذاكرة المدخلات والمخرجات يسمح للأجهزة المقابلة والبيانات والتعليمات للاندماج في النظام ليتم معالجتها، للبقاء في الذاكرة. ويمكن استخدام نظام حافلة واحد لتوفير نظام وحدات مع أقل. ويسمى هذا أحيانا "ترشيد" العمارة. في العقود اللاحقة، ميكروكنترولر بسيطة في بعض الأحيان لا تستخدم بعض الميزات من نموذج نموذجي للحد من التكلفة والحجم. ولكن أجهزة الكمبيوتر الكبيرة تتبع الهندسة المعمارية المعمول بها، لأنها أضافت ميزات لتحسين الأداء.