Architektura von Neumanna - Polski Serwis Naukowy

Architektura von Neumana

Architektura von Neumanna - pierwszy rodzaj architektury komputera, opracowanej przez Johna von Neumanna, Johna W. Mauchly'ego oraz Johna Presper Eckerta w 1945 roku. Cechą charakterystyczną tej architektury jest to, że dane przechowywane są wspólnie z instrukcjami, co sprawia, że są kodowane w ten sam sposób.

John von Neumann (ur. 28 grudnia 1903 w Budapeszcie, zm. 8 lutego 1957 w Waszyngtonie) – matematyk, inżynier chemik, fizyk i informatyk. Wniósł znaczący wkład do wielu dziedzin matematyki - w szczególności był głównym twórcą teorii gier, teorii automatów komórkowych (w które pewien początkowy wkład miał także Stanisław Ulam), i stworzył formalizm matematyczny mechaniki kwantowej. Uczestniczył w projekcie Manhattan. Przyczynił się do rozwoju numerycznych prognoz pogody.

Jednostka arytmetyczno-logiczna (z ang. Arithmetic and Logical Unit lub Arithmetic Logic Unit, ALU) to jedna z głównych części procesora, prowadząca proste operacje na liczbach całkowitych.

W architekturze tej komputer składa się z czterech głównych komponentów:

pamięci komputerowej przechowującej dane programu oraz instrukcje programu; każda komórka pamięci ma unikalny identyfikator nazywany jej adresem

jednostki kontrolnej odpowiedzialnej za pobieranie danych i instrukcji z pamięci oraz ich sekwencyjne przetwarzanie

jednostki arytmetyczno-logicznej odpowiedzialnej za wykonywanie podstawowych operacji arytmetycznych.

urządzeń wejścia/wyjścia służących do interakcji z operatorem

Jednostka kontrolna wraz z jednostką arytmetyczno-logiczną tworzą procesor.

Program komputerowy (. Program jest zazwyczaj wykonywany przez komputer (np. wyświetlenie strony internetowej), czasami bezpośrednio – jeśli wyrażony jest w języku zrozumiałym dla danej maszyny lub pośrednio – gdy jest interpretowany przez inny program (interpreter). Program może być ciągiem instrukcji opisujących modyfikacje stanu maszyny ale może również opisywać obliczenia w inny sposób (np. rachunek lambda).

Informacja (łac. informatio – przedstawienie, wizerunek; informare – kształtować, przedstawiać) - termin interdyscyplinarny, definiowany różnie w różnych dziedzinach nauki; najogólniej - właściwość pewnych obiektów, relacja między elementami zbiorów pewnych obiektów, której istotą jest zmniejszanie niepewności (nieokreśloności).

System komputerowy zbudowany w oparciu o architekturę von Neumanna powinien:

mieć skończoną i funkcjonalnie pełną listę rozkazów

mieć możliwość wprowadzenia programu do systemu komputerowego poprzez urządzenia zewnętrzne i jego przechowywanie w pamięci w sposób identyczny jak danych

dane i instrukcje w takim systemie powinny być jednakowo dostępne dla procesora

informacja jest tam przetwarzana dzięki sekwencyjnemu odczytywaniu instrukcji z pamięci komputera i wykonywaniu tych instrukcji w procesorze.

Podane warunki pozwalają przełączać system komputerowy z wykonania jednego zadania (programu) na inne bez fizycznej ingerencji w strukturę systemu, a tym samym gwarantują jego uniwersalność.

Pamięć komputerowa to różnego rodzaju urządzenia i bloki funkcjonalne komputera, służące do przechowywania danych i programów (systemu operacyjnego oraz aplikacji). Potocznie przez "pamięć komputerową" rozumie się samą pamięć operacyjną.

Instrukcja - w programowaniu jest to najmniejszy samodzielny element, imperatywnego języka programowania. instrukcja może być niskiego poziomu napisana w asemblerze np. mov ax,bx która po przetłumaczeniu na kod binarny nadaje się do uruchomienia przez procesor lub instrukcja wysokiego poziomu napisana np. w języku C np. int a = 5; która zostanie przetłumaczona na kilka instrukcji niskiego poziomu. Program jest tworzony jako zbiór różnych instrukcji. Instrukcja może zawierać wewnętrzne komponenty (np. wyrażenia).

System komputerowy von Neumanna nie posiada oddzielnych pamięci do przechowywania danych i instrukcji. Instrukcje jak i dane są zakodowane w postaci liczb. Bez analizy programu trudno jest określić czy dany obszar pamięci zawiera dane czy instrukcje. Wykonywany program może się sam modyfikować traktując obszar instrukcji jako dane, a po przetworzeniu tych instrukcji - danych - zacząć je wykonywać.

Procesor (ang. processor), także CPU (ang. Central Processing Unit) – urządzenie cyfrowe sekwencyjne, które pobiera dane z pamięci, interpretuje je i wykonuje jako rozkazy. Wykonuje on ciąg prostych operacji (rozkazów) wybranych ze zbioru operacji podstawowych określonych zazwyczaj przez producenta procesora jako lista rozkazów procesora.

EDVAC - Electronic Discrete Variable Automatic Computer. Maszyna zbudowana według pomysłu von Neumanna w kwietniu 1952[potrzebne źródło] w Moore School of Engineering przy Uniwersytecie Pensylwanii na potrzeby armii USA. Stworzyli ją John Mauchly i J. Presper Eckert. Zainstalowana w Ballistic Research Laboratories w Aberdeen (stan Maryland) w roku 1949 kosztem ok. 500 000 dolarów (przy budżecie pięciokrotnie mniejszym).

Model komputera wykorzystującego architekturę von Neumanna jest często nazywany przykładową maszyną cyfrową (PMC).

Kontrowersje

Mauchly i Eckert oskarżali von Neumanna o przywłaszczenie wspólnych wyników prac. Sam von Neumann uważał ich pracę za dzieło zbiorowe o licencji public domain (projekt był współfinansowany przez rząd amerykański).

Zobacz też

Architektura harwardzka

ENIAC, EDVAC

Architektura harwardzka - rodzaj architektury komputera. W odróżnieniu od architektury von Neumanna, pamięć danych programu jest oddzielona od pamięci rozkazów.

John William Mauchly, (ur. 30 sierpnia 1907, zm. 8 stycznia 1980), amerykański fizyk i inżynier; profesor uniwersytetu stanu Pensylwania; konstruktor liczących maszyn analogowych i cyfrowych; projektant i konstruktor (wraz z J.P. Eckertem) słynnego komputera ENIAC, a także pierwszego komputera będącego produktem handlowym (UNIVAC I, 1951); autor prac poświęconych m.in. zastosowaniu metod matematycznych do przewidywania pogody.