Принципы фон Неймана

История разработки принципов фон Неймана

Основные положения о структурной организации электронных вычислительных машин были разработаны фон Неманом в 1944-ом году, когда он участвовал в проектировании первой электронной вычислительной машины ЭНИАК, базовым элементом которой стали электровакуумные лампы. При проектировании этого компьютера в Университете Пенсильвании фон Нейман принимал участие в постоянных дискуссионных беседах с другими специалистами, итогом которых стала идея о реализации более мощного компьютера. Ему дали название EDVAC. Проектирование пары этих компьютеров было продолжено параллельно. К началу 1945-го года главные положения логической организации компьютера были отражены в отчётной документации военным руководителям специальной лаборатории армии Соединённых Штатов, по заказу которой и велись эти работы. Отчёт предназначался для использования внутри организации, и там излагались только контуры базовых идей, но армейское руководство представило его широкому кругу профессионалов, чтобы узнать их мнение. Но так как фамилия фон Неймана стояла на титульном листе отчёта, то все читатели отчёта подумали, что он единственный автор изложенных в отчёте идей. В отчёте было очень много информационных данных, которые давали возможность каждому учёному, изучившему его, спроектировать компьютер, аналогичный по структурной организации EDVAC.

Принципы фон Неймана

Архитектурная организация электронной вычислительной машины EDVAC стала именоваться именно как архитектура фон Неймана. В 1946-ом году фон Нейман вместе с соавторами выпустил работу «Предварительное изучение логического построения электронного вычислительного оборудования», в котором детально представлены элементы конструкции электронной вычислительной машины. С той поры прошло уже очень много лет, но заложенные в том постулате идейные послания и базовые методики не потеряли актуальности и сегодня.

В этой работе было представлено доказательство необходимости использования двоичной системы счисления, хотя до выхода этого основополагающего труда всё вычислительное оборудование применяло десятичную систему счисления. Авторы в наглядной форме показали все преимущества бинарного кодирования в электронных вычислительных устройствах, представили примеры простоты и удобства выполнения в них арифметических и логических операций. В дальнейшем, в вычислительных устройствах стали обрабатывать все типы информации (не только числовые), однако главным методом её кодировки по-прежнему оставалась двоичная система. Однако необходимо заметить, что были и устройства, использовавшие троичную систему счисления. У использования троичной системы в компьютерном оборудовании есть отдельные преимущества относительно бинарного кодирования, но при этом имеются и определённые недостатки. К преимуществам можно отнести увеличение быстродействия при осуществлении арифметических операций. К примеру, операция сложения выполнялась примерно в полтора раза быстрее. Но основным недостатком было существенное повышение сложности компьютерного устройства, если применялась троичная система кодирования.

Кроме двоичной системы счисления, у фон Неймана была другая, по истине революционная для своего времени, идея. А именно, это метод «сохранения программы». Первоначально программа задавалась установкой перемычек на специальной коммутационной панели. Такая операция имела повышенную трудоёмкость и требовала значительных временных затрат. Например, для замены программы в компьютере ЭНИАК, требовался примерно один день, а сама программа выполнялась буквально в течение нескольких минут и могла остановиться из-за выхода из строя какой-нибудь лампы, которых было просто очень много. Вместе с тем, имеется возможность хранить программное приложение в бинарном формате так же, как и обрабатываемые данные, в памяти машины. Так как не существует принципиального отличия набора программных кодов и информационных данных, то это даёт возможность самому компьютеру выполнить компоновку своего программного обеспечения по итогам предшествующих операций. Наличие всего командного набора и модулей программ являлось характерной чертой компьютеров тех времён. В сегодняшнем оборудовании такая структурная организация применяется для упрощения его конструкции. Например, в обычных калькуляторах сразу внесен в память весь возможный командный набор. Калькуляторы можно использовать только для выполнения арифметических операций, осуществлять какие-то другие процедуры невозможно. Изменить заложенную в такие устройства рабочую программу можно лишь при помощи их полной переделки, что на практике никогда не делается. А вот занесение новой программы в электронные вычислительные машины первого поколения всё-таки выполнялось, что требовало огромного объёма ручного труда по формированию новой документации, ручной установке необходимых коммутационных перемычек, переналадке узлов и других компонентов. Ситуация в корне меняется, если использовать принцип хранения программных кодов в общей памяти.

Итак, фон Нейманом были сформулированы следующие основополагающие принципы построения компьютерных вычислительных устройств:

• Принцип однородности памяти. Командные кодовые последовательности и коды данных не имеют отличий при сохранении в выбранные участки памяти. Отличаются они только методикой их использования и это значит, что они могут быть как данными, так и адресом или кодом команды. Всё решает метод использования этого кода.
• Принцип адресности. Структурная организация памяти является набором пронумерованных ячеек и процессорный модуль в каждый момент времени может обратиться к любой ячейке.
• Принцип программного управления. Все процессы вычислений обязаны иметь формат программы, состоящей из набора команд.