フォン・ノイマンの建築：その起源の歴史

フォンノイマンマシンのアーキテクチャ、また知られているフォン・ノイマン、すなわちプリンストンのアーキテクチャーは、1945年に数学者で物理学者のジョン・フォン・ノイマンがEDVACコンピューターのレポート「第1プロジェクト」の枠組みで述べた方法論に基づいています。

建築図

フォン・ノイマンの報告書には、以下を含む処理ユニットで構成される電子デジタル・コンピュータのアーキテクチャ図が記載されています。

算術論理ユニット;
レジスタプロセッサ;
コマンドレジスタとコマンドカウンタとを有する制御ユニットと、
データ記憶装置;
外部記憶装置;
入力および出力機構。

開発の意味は、コンピュータ上に記憶された情報は、共通のバスを共有するため、選択された動作データを同時に再生することができないプログラムによって使用することができる。これは「最初のプロジェクト」に記載されています。このプロジェクトでは、科学者がアーキテクチャにすべきことについての考えを記述しています。 Von Neumannは、この状況を「ボトルネック」と呼び、システムのパフォーマンスを制限することがあります。

フォンノイマン建築の原理

デジタルコンピュータは、プログラムを格納するコンピュータです。プログラム命令、読み取り、書き込みのためのデータを含み、ランダムアクセスメモリ（RAM）も含む。ジョン・フォン・ノイマンの建築の原則は、彼の著作「第一のプロジェクト」でも述べられています。彼によると、プログラムが保存されているコンピュータは、ENIACなどのコンピュータの管理よりも改善されています。後者は、スイッチを設定し、異なる機能ブロック間でデータルーティングおよび制御信号につながるパッチを挿入することによってプログラムされた。近代的なコンピュータの大部分では、メモリも同様に使用されています。同時に、von Neumannコンピュータのアーキテクチャは、主メモリではなくキャッシュメモリを使用するという点で、Harvardとは異なります。

先史時代

最初のコンピュータは固定プログラム。非常にシンプルなコンピュータの中には、単純化または教育目的のためにこのデザインを使用しているものもあります。たとえば、デスクトップ電卓は固定プログラムを備えたコンピュータです。それは数学の基礎で動作することができますが、ワードプロセッサやゲームコンソールとして使用することはできません。固定機械プログラムを変更するには、機械の再配線、再構築または再構成が必要です。最も初期のコンピュータは、初めて開発され、科学的目的のために集中されていませんでした。後で再プログラミングが行われ、フローチャートや紙のノートから始まり、詳細な技術プロジェクトで終わるという面倒なプロセスでした。特に困難なのは、マシンの復旧チャネルの物理的な近代化のプロセスでした。 ENIACにプログラムをインストールして動作させるには、3週間かかります。

新しいアイデア

プログラムを格納しているコンピュータがメモリ、すべてが変更されました。メモリに格納され、一連の命令で構成されています。これは、マシンが計算を行うための一連のコマンドをすぐに受け取ることができることを意味します。

そのようなプログラムの設計は、自己修正コード。このようなオブジェクトの最初のインストールの1つは、コマンドのアドレス部分を増やしたり変更したりするアルゴリズムの必要性でした。初期のデザインでは手作業で作られました。索引レジスタと間接アドレッシングがジョン・フォン・ノイマンのコンピュータ・アーキテクチャーがマシン上に持つ共通の特性になったとき、これはあまり重要ではなくなりました。もう1つの用途は、頻繁に使用されるデータを即時の解決策を使用してコマンドストリームに挿入することです。しかし、自己修正コードは広く理解され、デバッグすることが難しいため、広く批判されてきました。さらに、最新のプロセッサーの回路を再現しキャッシュするという点でも効果がありませんでした。

全体として、関連する能力データとしての命令は、アセンブラ、コンパイラ、アセンブラ、ローダ、およびその他のツールが自動プログラミングの可能なオブジェクトで行うことです。つまり、プログラムを書くプログラムを書くことです。小規模では、現代の3Dグラフィックスにおけるプリミティブまたはピクセルおよび頂点シェーダの画像を用いたBitBlt操作のような反復的な集中的な入力および出力操作は、ユーザ機器を使用しない作業には効果がないことが判明した。

ストアド・プログラムのコンセプトの開発

数学者Alan Turing、興味を持ったケンブリッジ大学のMax Newmanによる講義の後の数学的論理の問題について、1936年に記事を書いた。それはLondon Mathematical Societyの刊行物に掲載された。その中で、彼は "ユニバーサルコンピュータ"と呼ばれる仮想マシンを説明しました。これは現在ユニバーサルチューリングマシンとして知られています。それはこのアーキテクチャが作成された命令とデータの両方を含む無限のリポジトリ（現代の用語 - メモリ）を持っていました。フォン・ノイマンは、1935年にケンブリッジで客員教授を務めた当時、また1936年から1937年にプリンストン（ニュージャージー州）の高等研究所のTuring博士論文を守る過程でチューリングに会った。

お互いに独立して、Jie Presper Eckertとペンシルベニア大学の電気工学部でENIACを開発したJohn Mauchlyは、1943年12月にこのプログラムを記憶に残す機械の概念について書きました。 Eckertは、新しいマシンEDVACを計画しているとき、1944年1月に、金属水銀遅延を使ったメモリアドレッシングを備えた新しいデバイスにデータとプログラムを保存すると書いていました。実際にマシンを実践することが提案されたのは初めてのことです。同時に、彼とMauchlyはTuringの仕事を知らなかった（下の写真）。

コンピュータ・アーキテクチャ：フォン・ノイマンの原理

フォンノイマンは、 "プロジェクトマンハッタン"のロスアラモスの国立研究所で、膨大な計算量が必要でした。これは1944年の夏に彼をENIACプロジェクトに引き付けました。そこで彼はEDVACコンピュータの開発に関する議論に入りました。このグループの一員として、彼はEckertとMauchlyの研究に基づいて、EDVACレポートの最初のドラフトと題した論文を書いた。彼女は同僚のGoldsteinがvon Neumannの名前でプロジェクトを配ったときに未完成だった（ところで、EckertとMauchlyはこのようなニュースに気づいた）。この文書は、アメリカとヨーロッパの数多くのフォン・ノイマンの同僚によって読まれ、コンピュータ開発の次の段階に深刻な影響を与えました。

フォンノイマン建築の基本原理は、「最初のプロジェクト」で述べられているように、Turingはエンジニアリングとプログラミングで詳しく説明されている電子電卓について報告しています。それは、自動コンピューティングエンジン（ACE）と呼ばれていたマシンの作成者の発表となりました。彼はそれを1946年にイギリス国立物理研究所の実行委員会に提出した。しばらくすると、ACE設計の様々な成功した実装が行われました。

プロジェクト実施の開始

そして、プロジェクトのノイマンとTuringのドキュメント彼らはあるプログラムを記憶しているコンピュータを記憶に残していたが、フォン・ノイマンの論文は社会でより多くの流通を達成し、コンピュータ・アーキテクチャはジョン・フォン・ノイマンのアーキテクチャとして知られるようになった。

1945年、ノイマン教授は、フィラデルフィアのエンジニアリングスクールで最初のENIACが建設され、同僚のグループを代表してデジタルコンピュータの論理設計に関するレポートが発行されました。このレポートには、EDVACとして知られる機械の設計に関するかなり詳細な提案が含まれています。それはその後、最近アメリカで作られただけですが、この報告書はフォン・ノイマンにEDSACを創造するよう促しました。

マニアックとジョニャック

1947年、バークス、ゴールドスタイン、フォン・ノイマン非常に高速であると思われていた別のタイプのマシン（今回は並行）の設計をカバーし、毎秒最大20,000回の操作を実行する可能性のある別のレポートを発表しました。彼らは、それを構築する際に解決されていない問題は、適切なメモリの開発であり、その内容全体に即座にアクセス可能でなければならないと指摘した。最初はプリンストン研究所で発明されたSelectronと呼ばれる特別な真空管を使用することを提案しました。このような管は高価であり、特にこの構造が使用される場合、それらを作ることは非常に困難である。その後、フォン・ノイマンはウィリアムズの記憶に基づいて自動車を作ることにしました。プリンストンで1952年6月に完成したこの機械は、MANIAC（または単にマニアック）として広く知られるようになりました。彼女のデザインは、クリエイターに、今やアメリカで建設されている、喜んでJohniacsと呼ばれる半ダース以上のデバイスを設計するよう促しました。

創造の原則

最先端のデジタルコンピュータの1つである、英国電気会社の多くの製造技術者の助けを借りて、少数の数学者、電子技術者、研究エンジニアによって設計され、建設されたTeddingtonのNational Physical Laboratoryで、自動電子計算技術の開発と改良を具体化した装置はまだ実験室にありますが、自動計算エンジンと呼ばれるはるかに大きな設備のプロトタイプとしてのみ使用されます。しかし、質量が比較的小さく、熱電バルブがわずか800個であるにもかかわらず、非常に高速で汎用性の高い計数機です。

の基本的な概念と抽象的な原則1936年に同じLondon Mathematical Societyを元にDr. Turingによって策定されましたが、英国の機械での作業は戦争によって遅れました。 1945年には、このような装置を作る問題の考察は、数学の研究室の教授であるWormsley博士の国立物理研究所で続けられました。彼は専門家の小さなスタッフとTuringに加わり、1947年までに特別なグループの創設を正当化するための予備的計画が十分に進められました。

フォンノイマン建築の最初のコンピュータ

最初のプロジェクトでは、多くの大学や企業がコンピュータを構築するために使用したスキームについて説明しています。その中で、ILLIACとORDVACだけが互換性のある命令セットを持っていました。

フォンノイマンの古典的な建築は1948年6月21日、マンチェスター大学の「ベイビー」という名前の「マンチェスター・スモール・エクスペラメント・マシン（SSEM）」に組み込まれた。

このタイプの最初の実用的な電子計算機であるケンブリッジ大学のEDSACは、1949年5月に初めて成功しました。

作成されたモデルの開発

IBM SSECには考慮する機会がありました1948年1月27日に公開された。この能力は、米国特許で主張されていた。しかし、それは完全に電子的ではなく、部分的に電気機械であった。実際には、命令はその限られたメモリのためにペーパーテープから読み取られた。

赤ちゃんは最初の完全な電子コンピュータだった保存したプログラムを実行します。彼は分割と計算の簡単な計算を開始した後、1948年6月21日に52分間、ファクタリングプログラムを実行しました。これは2つの数値が相互に単純であることを示しています。

ENIACは、次のように動作するように変更されました。基本的なコンピュータは読み込み専用ですが、同じアーキテクチャのために、1948年9月16日にデモされ、von Neumannの助けを借りて組織されたプログラムAdel Goldsteinの立ち上げが行われました。

BINACはいくつかのテストプログラムを1949年2月、3月、4月、1949年9月までは完成しなかった。加えて、このアーキテクチャによって特徴付けられる他の電子計算機のテスト開始（成功したもの）が実装された。フォン・ノイマンは、マンハッタンのプロジェクトを続けました。ここにそのような普遍的な人がいる。

バスシステムアーキテクチャの進化

すでに60年代と70年代の数十年を経て、コンピュータ全体が小型化、高速化され、ノイマンのコンピュータアーキテクチャが進展したいくつかの進化がもたらされました。例えば、入力および出力のメモリ内マッピングにより、処理されるシステムに統合するための対応するデバイス、データおよび命令がメモリに残ることが可能になる。 1つのバスシステムを使用して、より小型のモジュラーシステムを提供することができる。これはアーキテクチャの「合理化」と呼ばれることもあります。その後の数十年間、単純なマイクロコントローラは、コストとサイズを削減するために、典型的なモデルの機能の一部を使用しないことがあります。しかし、大きなコンピュータは、パフォーマンスを向上させる機能を追加するため、インストールされたアーキテクチャに従います。