Роль Д. Неймана в создании электронной вычислительной техники

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГБОУ СПО ВО « Владимирский политехнический колледж»

Контрольная работа

по дисциплине «Информатика»

Роль Джона фон Неймана в создании электронной вычислительной техники

Владимир -2014

Оглавление

Введение

1. Биография ученого

2. Фон-неймановская архитектура компьютера

2.1 История создания

2.2 Принципы фон Неймана

2.3 Структура машины фон Неймана

3. Недостатки и современные перспективы архитектуры фон Неймана

Заключение

Список литературы

Введение

Вычислительная техника является важнейшим компонентом процесса вычислений и обработки данных. Первыми приспособлениями для вычислений были всем известные счётные палочки, которые и сегодня используются в начальных классах многих школ для обучения счёту. Развиваясь, эти приспособления становились более сложными, например, такими как финикийские глиняные фигурки, также предназначаемые для наглядного представления количества считаемых предметов, однако для удобства, помещаемые при этом в специальные контейнеры. Такими приспособлениями пользовались торговцы и счетоводы того времени.

Постепенно из простейших приспособлений для счёта рождались всё более и более сложные устройства: абак (счёты), логарифмическая линейка, механический арифмометр, электронный компьютер.

В XX веке многими учеными-исследователями предпринимались попытки создания первых полноценных электронно-вычислительных машин. Идеи их создания посещали еще Этьена Паскаля (1588-1651), Готфрида

Лейбница (1646-1716), Чарлза Бэббиджа (1791-1871).

Обобщив опыт этих и ряда других известных ученых, в 1946 году американский математик и физик Джон фон Нейман (1903 -- 1957) опубликовал доклад, в котором наметил основные принципы построения и компоненты современного компьютера.

Первый компьютер, в котором были воплощены принципы учёного, был построен в 1949 году английским исследователем Морисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них сделано в соответствии с принципами, изложенными в докладе Джона фона Неймана.

Цель моей работы- определить роль Джона фон Неймана в создании электронной вычислительной техники.

Для достижения поставленной цели предстоит решить ряд последовательных задач:

изучить биографию учёного;

исследовать базовые компоненты универсального компьютера и принципы его функционирования по фон Нейману;

выявить недостатки и обозначить современные перспективы фон-неймановской архитектуры.

При написании работы использованы современные учебные пособия по информатике, материалы периодических печатных изданий, а также данные сети Интернет.

Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, содержит 1 рисунок. Список литературы включает 6 источников. Общий объем работы - 21 страница.

1. Биография учёного

Янош Лайош Нейман родился старшим из трёх сыновей в состоятельной еврейской семье в Будапеште, бывшем в те времена городом Австро-Венгерской империи. Его отец, Макс Нейман (венг. Neumann Miksa, 1870--1929), переселился в Будапешт из провинциального городка Печ в конце 1880-х годов, получил степень доктора от юриспруденции и работал адвокатом в банке. Мать, Маргарет Канн (венг. Kann Margit, 1880--1956), была домохозяйкой и старшей дочерью (во втором браке) преуспевающего коммерсанта Якоба Канна -- партнёра в фирме «Kann--Heller», специализирующейся на торговле мельничными жерновами и другим сельскохозяйственным оборудованием. [6]

Янош, или просто Янси, был необыкновенно одарённым ребёнком. Уже в 6 лет он мог разделить в уме два восьмизначных числа и беседовать с отцом на древнегреческом. Янош всегда интересовался математикой, природой чисел и логикой окружающего мира. В восемь лет он уже хорошо разбирался в математическом анализе. В 1911 году он поступил в Лютеранскую Гимназию. В 1913 году его отец получил дворянский титул, и Янош вместе с австрийским и венгерским символами знатности -- приставкой фон (von) к австрийской фамилии и титулом Маргиттаи (Margittai) в венгерском именовании -- стал называться Янош фон Нейман или Нейман Маргиттаи Янош Лайош. Во время преподавания в Берлине и Гамбурге его называли Иоганн фон Нейман. Позже, после переселения в 1930-х годах в США, его имя на английский манер изменилось на Джон. Любопытно, что его братья после переезда в США получили совсем другие фамилии: Vonneumann и Newman. Первая, как можно заметить, является "сплавом" фамилии и приставки "фон", вторая же - дословным переводом фамилии с немецкого на английский. [6]

Фон Нейман получил степень доктора философии по математике (с элементами экспериментальной физики и химии) в университете Будапешта в 23 года. Одновременно он изучал химическую инженерию в швейцарском Цюрихе (Макс фон Нейман полагал профессию математика недостаточной для того, чтобы обеспечить надёжное будущее сына). С 1926 по 1930 год Джон фон Нейман был приват-доцентом в Берлине. [6]

В 1930 году фон Нейман был приглашён на преподавательскую должность в американский Принстонский университет. Был одним из первых приглашённых на работу в основанный в 1930 году научно-исследовательский Институт перспективных исследований (англ. Institute for Advanced Study), также располагавшийся в Принстоне, где с 1933 года и до самой смерти занимал профессорскую должность. [6]

В 1936--1938 годах Алан Тьюринг защищал в институте под руководством Алонзо Чёрча докторскую диссертацию. Это случилось вскоре после публикации в 1936 году статьи Тьюринга «О вычислимых числах в применении к проблеме разрешимости» (англ. On Computable Numbers with an Application to the Entscheidungs problem), которая включала в себя концепции логического проектирования и универсальной машины. Фон Нейман, несомненно, был знаком с идеями Тьюринга, однако неизвестно, применял ли он их в проектировании IAS-машины десять лет спустя. [6]

В 1937 году фон Нейман стал гражданином США. В 1938 он был награждён премией имени М. Бохера за свои работы в области анализа. [6]

Фон Нейман был женат дважды. В первый раз он женился на Мариэтте Кёвеши (Mariette Kцvesi) в 1930 году. Брак распался в 1937 году, а уже в 1938 он женился на Кларе Дэн (Klara Dan). От первой жены у фон Неймана родилась дочь Марина -- в последующем известный экономист. [6]

В 1946 году Джон фон Нейман доказал теорему о плотности записи чисел в сдвоенных комбинированных показательных позиционных системах счисления. Первый успешный численный прогноз погоды был произведен в 1950 году с использованием компьютера ENIAC командой американских метеорологов совместно с Джоном фон Нейманом. [6]

В 1957 году фон Нейман заболел раком кости, возможно, вызванным радиоактивным облучением при исследовании атомной бомбы в Тихом океане или, может быть, при последующей работе в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико (его коллега, пионер ядерных исследований Энрико Ферми, умер от рака желудка в 1954 году). Через несколько месяцев после постановки диагноза фон Нейман умер в тяжёлых мучениях. Рак также поразил его мозг, практически лишив его возможности мыслить. Когда он лежал при смерти в госпитале Вальтера Рида, он шокировал своих друзей и знакомых просьбой поговорить с католическим священником. [6]

2. Фон-неймановская архитектура компьютера

нейман архитектура компьютер машина

2.1 История создания

В середине 1940-х проект компьютера, хранящего свои программы в общей памяти был разработан в Школе электрических разработок Мура (англ. The Moore School of Electrical Engineering) в Университете штата Пенсильвания (англ. The University of Pennsylvania).В процессе работы во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. В 1946 г. ученые изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье “Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства”. В статье убедительно обосновывается использование двоичной системы для представления чисел (нелишне напомнить, что ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде). Авторы убедительно продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций (в дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации - текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера). Еще одной поистине революционной идеей, значение которой трудно переоценить, является предложенный Нейманом принцип “хранимой программы”. Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений. [5]

Архитектура фон Неймана решала проблемы, свойственные компьютеру «ЭНИАК», который создавался в то время, за счёт хранения программы компьютера в его собственной памяти. Информация о проекте стала доступна другим исследователям вскоре после того, как в 1946 году было объявлено о создании «Эниака». По плану предполагалось осуществить проект силами Муровской школы в машине EDVAC, однако до 1951 года EDVAC не был запущен из-за технических трудностей в создании надёжной компьютерной памяти. Другие научно-исследовательские институты, получившие копии проекта, сумели решить эти проблемы гораздо раньше группы разработчиков из Муровской школы и реализовали их в собственных компьютерных системах. Первыми пятью компьютерами, в которых были реализованы основные особенности архитектуры фон Неймана, были:

- Манчестерский Марк I. Прототип -- Манчестерская малая экспериментальная машина. Университет Манчестера (англ. The University of Manchester), Великобритания, 21 июня 1948 года;

- EDSAC. Кембриджский университет (англ. The Cambridge University), Великобритания, 6 мая 1949 года;

- BINAC. США, апрель или август 1949 года;

- CSIR Mk 1. Австралия, ноябрь 1949 года;

- SEAC. США, 9 мая 1950 года. [5]

Норберт Винер, работая вместе с Джоном фон Нейманом, обратил внимание на то, что процессы, управляющие сложной электронной системой, аналогичны процессам нейрофизиологии, изучающей целенаправленную деятельность живых существ. Сохранение работоспособности таких систем достигается за счет обратной связи, она позволяет отслеживать и корректировать уже начатое, но еще не законченное до конца действие. Существование обратной связи позволяет рассматривать сложные системы различной природы - физической, социальной, биологической - с единой точки зрения. Это - основы кибернетики. В 1948 г. вышла в свет книга Н. Винера "Кибернетика, или Управление и связь в живом мире и машинах".[5]

2.2 Принципы фон Неймана

В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. [1с. 26] В последствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальны и сегодня.

По сути, Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципиально новое.

1. Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах. Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.

2. Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.

3. Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.

4. Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.

5. Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода. [4, с. 14]

Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.

Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было хранимой в памяти программы) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) мог потребоваться далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться годы, однако они работают на миллионах компьютеров после несколько минутной установки на жесткий диск.

2.3 Структура машины фон Неймана

В соответствии с принципами фон Неймана компьютер состоит из арифметико-логического устройства -- АЛУ (англ. ALU, Arithmetic and Logic Unit), выполняющего арифметические и логические операции; устройства управления, предназначенного для организации выполнения программ; запоминающих устройств (ЗУ), в т.ч. оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и внешнего запоминающего устройства (ВЗУ); внешних устройств для ввода-вывода данных (Рис.1).

Фон-неймановская архитектура компьютера считается классической, на ней построено большинство компьютеров. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.

Рис. 1. Схема вычислительной машины фон Неймана

Первые компьютерные системы отличались жестко заданным набором исполняемых команд и программ. Примером такого рода вычислительных устройств являются калькуляторы. Идея хранения компьютерных программ в общей памяти позволяла превратить вычислительные машины в универсальные устройства, которые способны выполнять широкий круг задач.

Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние ячейки памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных ячейках. У любой программы последняя команда должна быть командой завершения работы. [2, с. 38]

Команда состоит из указания, какую операцию следует выполнить (из возможных операций на данном «железе») и адресов ячеек памяти, где хранятся данные, над которыми следует выполнить указанную операцию, а также адреса ячейки, куда следует записать результат (если его требуется сохранить в ЗУ).

Из арифметико-логического устройства результаты выводятся в память или устройство вывода. Принципиальное различие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройства вывода (принтер, монитор и др.) поступают так, как удобно человеку. [2, с. 40]

УУ управляет всеми частями компьютера. От управляющего устройства на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии.

Управляющее устройство содержит специальный регистр (ячейку), который называется «счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. УУ считывает из памяти содержимое ячейки памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство -- «Регистр команд». УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера. [2, с. 41]

В результате выполнения любой команды счетчик команд изменяется на единицу и, следовательно, указывает на следующую команду программы. Когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов, то специальная команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать управление.

Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день - фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины). По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.

3. Недостатки и современные перспективы архитектуры Фон Неймана

Архитектура фон Неймана неоднократно подвергалась критике (и, учитывая это, вызывает искреннее удивление ее живучесть, тогда как подавляющее большинство поздних альтернатив является теперь или музейными экспонатами, или прототипами, и вообще никак не могут соревноваться с ней в популярности).

Можно выделить два основных вектора такой критики:

«Семантический разрыв»

Хотя это не касается непосредственно принципов фон Неймана, но часто апеллируют именно к «классической архитектуры фон Неймана» в критике ее достаточно примитивного и низкоуровневого набора команд, который, по мнению критиков, абсолютно не соответствует современному состоянию дел в индустрии разработки программного обеспечения, в частности в наличии языков высокого уровня, которые намного повышают производительность труда программиста за счет предложения ему более высокоуровневых абстракций, и нужно обычно до нескольких сот машинных команд вместо одной команды языка высокого уровня. Этот дисбаланс в принципе успешно решается на программном уровне с помощью компиляторов, но в 60-70 годы XX века было довольно много попыток реализовать машинные языки высокого уровня аппаратно. Среди отечественных разработок в этом направлении следует выделить ЭВМ серии «МИР», а среди серьезных критиков системы фон Неймана, в том числе и за низкий семантический уровень команд, академика В. М. Глушкова. Определенной степени, попыткой «повысить семантический уровень» можно считать и CISC -архитектуры системы команд, хотя как доказало время, перспективным оказался прямо обратное направление максимальной «примитивизации» набора команд, реализованный в RISC -архитектурах. [3, с. 244]

Разделение операционного устройства и памяти

Разделение их хранения и памяти в классической архитектуре фон-Неймана считается ее существенным недостатком. Любят говорить о так называемом «бутылочном горлышке»- узком месте фон-неймановской архитектуры (термин, предложенный Джоном Бэкуса (John Backus) в 1977. Это «горлышко» создается между операционным устройством (микропроцессором) и памятью, ведь скорость обработки информации в процессоре обычно намного больше, чем скорость работы их хранения, который не успевает обеспечивать процессор новыми порциями информации, что приводит к простоям. Проблема решается за счет построения более сложной иерархии памяти, в частности введением кэш-памяти, более быстрой (но и более дорогой, чем основная), где хранятся данные, которые часто используются в вычислениях, чтобы не обращаться за ними к медленной основной памяти. Существуют также и радикальные предложения, которые в последнее время начали воплощаться в жизнь, и заключаются в создании так называемой «умной памяти», которая бы интегрировала запоминая ячейки со схемами обработки данных. [3, с. 246]

Другим примером частичного решения этой проблемы является гарвардская архитектура, в которой память команд и данных разделена, что позволяет интенсифицировать обмен между запоминающим устройством и центральным процессором. [3, с. 247]

Последовательный принцип выполнения

Архитектура фон Неймана является принципиально последовательной. И это является существенным ограничивающим фактором в повышении быстродействия машин с такой организацией, исключает введение явного параллелизма в систему. [5] Прежде всего- это вопрос не технический, а концептуальный и связан с самой парадигмой программирования для фон-неймановской машины. Именно поэтому параллельные вычислительные машины, хотя и успешно выполняют свои задачи, еще долго, видимо, не смогут вытеснить эту классическую архитектуру.

Вместе с тем, хотя почти все ЭВМ общего назначения являются фон-неймановскими, они существенно используются для вычислений, хотя это происходит и неявно, на уровне внутренней организации процессора, который незаметно для программиста выявляет скрытый параллелизм в последовательных программах для фон-неймановской машин.

Такая «незаметность» является принципиальной. Фактически фон-неймановской в современных ЭВМ остается именно архитектура вычислительной машины (т.е. программная организация). Внутренняя организация современных процессоров радикально использует фон-неймановские принципы выполнения команд, но «вывода» эти принципы непосредственно в архитектуру ЭВМ не имеют, то есть открытие их для программиста, которое на первый взгляд может показаться целесообразным, в действительности может разрушить всю индустрию, и именно в этом есть секрет привлекательности фоннеймановской архитектуры. Фактически, эта концепция предлагает программисту чрезвычайно простую модель выполнения программы, последовательную модель, которая совпадает с образом мышления большинства программистов, которая является доминирующей в написании программ. Явное параллельное программирование - это очень сложная отрасль, требующая полной перестройки образа мышления программиста, оперирование более сложными абстракциями, применение совсем других алгоритмов и структур данных. [5] Поэтому сохранение фон-неймановской архитектуры, каким бы сдерживающим фактором оно ни было, является абсолютно принципиальным для проектировщиков ЭВМ общего назначения.

Заключение

Таким образом, американский ученый Джон фон Нейман внес существенный вклад в развитие электронной вычислительной техники. В 1946 году в своем отчете ученый сформулировал основные критерии разработки ЭВМ:

1. ЭВМ должны работать в двоичной системе счисления;

2. Все действия, выполняемые ЭВМ, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательного набора команд. Каждая команда должна содержать код операции, адреса операндов и набор служебных признаков;

3. Команды должны храниться в памяти ЭВМ в двоичном коде, так как это позволяет:

А) сохранять промежуточные результаты вычислений, константы и другие числа в том же запоминающем устройстве, где размещается программа;

Б) двоичная запись команд позволяет производить операции над величинами, которыми они закодированы;

В) появляется возможность передачи управления на различные участки программы, в зависимости от результатов вычислений;

4. Память должна иметь иерархичную организацию, так как скорость работы запоминающих устройств значительно отстает от быстродействия логических схем;

5. Арифметические операции должны выполняться на основе схем, выполняющих только операции сложения, а создание специальных устройств - нецелесообразно;

6. Для увеличения быстродействия необходимо использовать параллельную организацию вычислительного процесса, т.е. Операции над словами будут производиться одновременно во всех разрядах слова.

В соответствии с принципами фон Неймана компьютер состоит из:

1. Операционного устройство, которое выполняет команды из определенного набора, который называется системой (набором) команд, над порциями информации, хранящейся отделенной от операционного устройства памяти (хотя современные архитектуры имеют в составе операционного устройства дополнительную память (обычно банк регистров), в которой операнды хранятся сравнительно короткое время непосредственно в процессе проведения вычислений.

2. Устройства управления, которое организует последовательное выполнение алгоритмов, расшифровка команд, поступающих из запоминающего устройства, реагирует на аварийные ситуации и выполняет общие функции управления всеми узлами вычислительной машины.

3. Запоминающего устройства- массива ячеек с уникальными идентификаторами (адресам), в которых хранятся команды и данные.

4. Устройства ввода-вывода, которое обеспечивает связь ЭВМ с внешним миром, устройств, передающих информацию на переработку в ЭВМ и принимающих результаты.

Архитектура фон Неймана неоднократно подвергалась критике. Основной пафос критики был обращён прежде всего к несовершенным методам программирования. За прошедшие годы в программировании произошли заметные сдвиги, появились функциональные и объектно-ориентированные технологии, и с их помощью частично удалось преодолеть то, что Бэкус назвал “интеллектуальным фон-неймановским бутылочным горлом”. Однако архитектурная первопричина данного явления - врожденная болезнь канала между памятью и процессором- не исчезла, несмотря на научный прогресс в области технологии. С годами эта проблема постоянно усугубляется, поскольку скорость работы памяти растет гораздо медленнее, чем производительность процессоров, и разрыв между ними становится все больше. Конечно, появились и аппаратные методы улучшения исходной архитектуры (индексные регистры, ввод-вывод данных параллельно с вычислениями, виртуальная память, мультипроцессирование и т. д.), предложены новые компьютерные архитектуры, реализованные в основном в дорогостоящих машинах, но и в них в той или иной мере присутствует бессмертная фон-неймановская архитектура.

Список литературы

1. Данилов Ю.А. Джон фон Нейман // Новое в жизни, науке и технике. Сер. «Математика, кибернетика», № 12/90.

2. Знакомьтесь: компьютер. Пер. с англ. К. Г. Батаева // Под ред. В. М. Курочкина -- М: Мир,1989. -- 240 с.

3. Симонович С.В. Информатика. Базовый курс: Учебник для вузов. -- СПб: ПИТЕР, 2013. -- 640 с.

4. Частиков А. Л. От калькулятора до суперЭВМ // Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Вычислительная техника и ее применение», № 1/88.

5. Википедия. Свободная энциклопедия // Нейман Джон фон// URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B5%D0%B9%D0%BC%D0%B0%D0%BD,_%D0%94%D0%B6%D0%BE%D0%BD_%D1%84%D0%BE%D0%BD (Дата обращения: 01.03.14)

6. Электронный мемориал «Помни про»// Нейман Джон фон -- Биография // URL: http://pomnipro.ru/memorypage5359/biography (Дата обращения: 02.03.14)

Размещено на Allbest.ru