Предварительный доклад о машине эдвак

Обновлено: 05.07.2024

Первый проект отчета о EDVAC (обычно сокращенный до первого проекта) - это неполный 101-страничный документ, написанный Джоном фон Нейманом и распространенный 30 июня 1945 года Германом Голдстином, сотрудником службы безопасности по классифицированному проекту ENIAC. Он содержит первое опубликованное описание логического дизайна компьютера с использованием хранимой концепции программы von neumann, которая была известна как архитектура управления.

История

Титульная страница Первый черновик, копия принадлежит Сэмюэлю Н. Александру, который разработал компьютер SEAC на основе отчёта. Фон Нойман написал отчет от руки во время поездки поездом в Лос-Аламос, Нью-Мексико и искалечил рукоприкладные записки обратно в phia. Goldstine был напечатан и licateded отчет, в то время как дата на типизированный отчёт был тесно 30 июня, 24 копии были направлены в первую очередь

Синопсис

Он разбивает его на шесть основных подразделов: центральная арифметическая часть, CA, центральная управляющая часть, CC, память, M, вход, I, выход, O и (медленная) внешняя память, R, такие как перфокарты, телетайп, или магнитная e или стальная лента.

CA выполняет сложение, подтрапы, лицензирование, деление и квадратный корень. Другие операции, такие как логарифмы и функции onom c, должны выполняться с помощью поиска таблицы и интерполяции, возможно биквадратической. Он отмечает, что лицензирование и деление можно было бы осуществлять с помощью логарифмических таблиц, однако для того, чтобы таблицы были достаточно малыми, потребуется интерполяция, а это, в свою очередь, требует лицензирования, хотя, возможно, и с менее .

Числа должны быть представлены в бинарной нотации. Он оценивает 27 бинарных диджитов (он не использовал термин "бит", который был придуман де Шенноном в 1948 году) было бы достаточно (yielding 8 decimal place accuracy), но округляет до 30-битных чисел со знаком бит и бит, чтобы отличить числа от порядков, в результате чего 32-битное слово он называет незначительным циклом. Необходимо использовать арифметику двух дополнений, подтрап. Для лицензии и деления он предлагает размещение бинарной точки после бита знака, что означает, что все числа рассматриваются как находящиеся между − 1 и + 1 и поэтому задачи вычисления должны быть соответственно масштабированы.

Проектирование цепей

Вакуумные трубки должны использоваться, а не, из-за их способности работать одну микросекунду против 10 секунд для .

Фон Нейман предлагает (Sec. 5.6) максимально упростить компьютер, пытаясь повысить производительность за счет перекрывающихся операций. Арифметические операции должны выполняться по одному бинарному дигиту за раз. Он оценивает добавление двух бинарных разрядов как принятие одной микросекунды и, следовательно, 30-битное разрешение на должно занять около 302 микросекунд или около одной секунды, намного быстрее, чем любое устройство вычисления, доступное в то время.

Дизайн фон Неймана построен с использованием того, что он называет "элементами Е", которые основаны на биологическом нейроне как модели, но представляют собой цифровые устройства, которые, по его словам, могут быть построены с использованием одной или двух вакуумных трубок. В современных терминах его элемент lest E - это два входных элемента И с одним входным входным входом. E-элементы с большим количеством входов имеют соответствующее пороговое значение и выдают выходной сигнал, когда число положительных входных сигналов соответствует или превышает пороговое значение, при условии, что (единственная) входная линия не является импульсной. Он заявляет, что элементы E с большим количеством вводов могут быть построены из варианта "lest", но предлагает, чтобы они были построены непосредственно в виде циркуляций вакуумных труб, поскольку будут необходимы трубки.

Из этих элементов E должны быть построены более сложные функциональные блоки. Он показывает, как использовать эти элементы E для построения циркуляров для сложения, подтрап, лицензирования, деления и квадратного корня, а также двух блоков памяти состояния и управляющих циркуляров. Он не использует булеву логическую терминологию.

Циркуляция должна быть синхронной с тактовым сигналом ведущей системы выводиться из вакуумной трубки, возможно, управляемой кристаллом. Его логические значения включают символ стрелки для обозначения единичной временной задержки, поскольку временные задержки должны учитываться в синхронной схеме. Он указывает, что за одну микросекунду электрический импульс перемещается на 300 метров, так что до тех пор, пока не будет значительно выше тактовая частота, например, 108 циклов в секунду (100 МГц), длина не будет проблемой.

Необходимость обнаружения ошибок и упоминается, но не устраняется.

Дизайн памяти

Ключевой концепцией дизайна, названной позднее архитектурой фон Неймана, является единообразная память, содержащая как числа (данные), так и порядки (инструкции).

Фон Нейман оценивает необходимый объем памяти, основываясь на нескольких классах задач, включая обычные и частичные дифференциальные уравнения, s и эксперименты вероятностей. Из них частичные дифференциальные уравнения в двух измерениях плюс время потребует больше памяти, с тремя измерениями плюс время находится за пределами того, что можно сделать с помощью технологии, которая тогда была доступна. Он, что память будет самым большим подвидением системы, и предлагает 8192 второстепенных цикла (слова) 32-бит в качестве цели проектирования, при этом 2048 второстепенных циклов все еще полезны. Он оценивает несколько сотен второстепенных велосипедов будет достаточно для хранения программы.

Он предлагает два вида быстрой памяти, линию задержки и трубку Iconoscope. Каждый второстепенный цикл должен быть адресован как единица (адресация слов, Sec. 12.8). Инструкции должны выполняться последовательно, со специальным, для переключения на другую точку памяти (т.е. jump);.

Бинарные диджиты в памяти линии задержки проходят через линию и подаются обратно в начало. Доступ к данным в линии задержки налагает временной штраф, ожидая, когда желаемые данные снова появятся. После анализа этих проблем синхронизации он предлагает организовать память линии задержки в 256 линий задержки " ans" (DLA), каждый из которых хранит 1024 бита или 32 второстепенных цикла, называемых основным циклом. Доступ к памяти сначала выбирает DLA (8 битов), а затем минорный цикл в пределах DLA (5 битов), в общей сложности, 13 адресных битов.

Для памяти Iconoscope он признает, что каждая точка сканирования на поверхности трубки является конденсатором и что конденсатор может хранить один бит. Потребуется очень высокое сканирование, и память будет длиться только короткое время, возможно, всего лишь секунду, и поэтому потребуется периодическое повторное копирование (refre ).

Заказы (инструкции)

В Sec 14.1 фон Нейман предлагает формат заказов, который он называет кодом. Типы порядка включают в себя основные арифметические операции, перемещение малых циклов между CA и M (загрузка слов и хранение в современных терминах), порядок (ы), который выбирает одно из двух чисел на основе знака предыдущей операции, ввод и вывод и перенос CC в ячейку памяти els (jump). Он указывает количество битов, необходимых для различных типов порядка, предлагает немедленные порядки, где следующее слово является операндом и различает желательность оставить spare-биты в формате порядка, чтобы обеспечить более адресуемую память в будущем, а также другие неиспользованные цели. Обсуждается возможность хранения нескольких порядков в незначительном цикле при незначительном энтузиазме в отношении такого подхода. Приводится таблица заказов, однако в первый проект не было включено обсуждение инструкций по вводу и выводу.

Контроверси

Рассмотрение предварительного отчета как публикации (в юридическом смысле) было источником горькой язвы между фракциями проектной группы EDVAC по двум причинам. Во-первых, публикация была равносильна публичной дисклосуре, которая предотвратила патентование EDVAC; во-вторых, некоторые в проектной команде EDVAC утверждали, что хранимая концепция программы не была разработана на встречах в Университете Фон Моора, что Проект ИнТиНойо Переводе. Генс, неспособность фон Неймана и Goldstine перечислить других в качестве авторов Первого проекта привело к присвоению кредита только фон Нейманну. (См. эффект Маттью и закон Стиглера.)

Первый проект доклада о EDVAC (обычно сокращается до первого проекта ) является неполным 101-страничный документ , написанный Джоном фон Нейманом и распределены по 30 июня 1945 года Герман Голдстайн , сотрудник службы безопасности на секретной ENIAC проекта. Он содержит первое опубликованное описание логической конструкции компьютера с использованием концепции хранимых программ, которая получила название архитектуры фон Неймана .

СОДЕРЖАНИЕ

Титульный лист Первого проекта , копия принадлежит Сэмюэлю Н. Александру , который разработал компьютер SEAC на основе отчета.

Фон Нейман написал отчет от руки, когда ехал поездом в Лос-Аламос, штат Нью-Мексико, и отправил рукописные заметки обратно в Филадельфию . Голдстайн напечатал и продублировал отчет. Хотя дата напечатанного отчета - 30 июня, 24 экземпляра Первого проекта были розданы лицам, тесно связанным с проектом EDVAC, пятью днями ранее, 25 июня. Интерес к отчету заставил его разослать по всему миру; Морис Уилкс из Кембриджского университета назвал свое волнение по поводу содержания доклада стимулом для его решения поехать в Соединенные Штаты на лекции школы Мура летом 1946 года.

CA выполнит сложение, вычитание, умножение, деление и извлечение квадратного корня. Другие математические операции, такие как логарифмы и тригонометрические функции, должны выполняться с помощью поиска в таблице и интерполяции , возможно, биквадратичной . Он отмечает, что умножение и деление можно выполнять с помощью таблиц логарифмов, но для того, чтобы таблицы оставались достаточно маленькими, потребуется интерполяция, а это, в свою очередь, требует умножения, хотя, возможно, с меньшей точностью.

Вместо реле следует использовать вакуумные лампы из-за способности ламп работать за одну микросекунду по сравнению с 10 миллисекундами для реле.

Фон Нейман предлагает (раздел 5.6) сохранять компьютер как можно более простым, избегая любых попыток повышения производительности за счет наложения операций. Арифметические операции должны выполняться по одной двоичной цифре за раз. По его оценке, сложение двух двоичных цифр занимает одну микросекунду, и, следовательно, 30-битное умножение должно занять около 30 2 микросекунд или около одной миллисекунды, что намного быстрее, чем любое вычислительное устройство, доступное в то время.

Из этих элементов E должны быть построены более сложные функциональные блоки. Он показывает, как использовать эти элементы E для построения схем сложения, вычитания, умножения, деления и извлечения квадратного корня, а также двух блоков памяти состояний и схем управления. Он не использует терминологию булевой логики .

Цепи должны быть синхронизированы с часами главной системы, полученными от генератора на электронных лампах , возможно, с кварцевым управлением . Его логические схемы включают в себя стрелку, обозначающую единичную временную задержку, поскольку временные задержки должны учитываться в синхронном проекте. Он указывает, что за одну микросекунду электрический импульс перемещается на 300 метров, так что до тех пор, пока тактовая частота не будет намного выше, например, 10 8 циклов в секунду (100 МГц), длина провода не будет проблемой.

Упоминается необходимость обнаружения и исправления ошибок, но не уточняется.

Заявленная ключевая концепция дизайна, позже названная архитектурой фон Неймана , представляет собой унифицированную память, содержащую как числа (данные), так и заказы (инструкции).

По оценкам Von Neumann объем требуемой памяти на основе нескольких классов математических задач, в том числе обыкновенных и дифференциальных уравнений в частных , сортировки и вероятностных экспериментов . Из них уравнения в частных производных в двух измерениях плюс время потребуют наибольшего объема памяти, а три измерения плюс время выходят за рамки того, что можно было бы сделать с использованием технологий, которые были тогда доступны. Он приходит к выводу, что память будет самым большим подразделением системы, и предлагает 8192 второстепенных 32-битных цикла (слова) в качестве цели проектирования, при этом 2048 второстепенных циклов все еще могут быть полезны. По его оценке, для сохранения программы будет достаточно нескольких сотен второстепенных циклов.

Он предлагает два типа быстрой памяти: линию задержки и трубку для иконоскопа . К каждому второстепенному циклу следует обращаться как к единице (адресация слов, раздел 12.8). Инструкции должны выполняться последовательно со специальной инструкцией для переключения в другую точку памяти (например, инструкцией перехода).

Что касается памяти Иконоскопа, он понимает, что каждая точка сканирования на лицевой стороне трубки является конденсатором и что конденсатор может хранить один бит. Потребуется сканирование с очень высокой точностью, а памяти хватит на короткое время, возможно, всего на секунду, и поэтому ее нужно будет периодически копировать ( обновлять ).

Заказы (инструкции) [ редактировать ]

В разделе 14.1 фон Нейман предлагает формат заказов, который он называет кодом. Типы заказов включают в себя основные арифметические операции, перемещение второстепенных циклов между CA и M (загрузка и сохранение слова в современных терминах), порядок ( ы ), который выбирает одно из двух чисел в зависимости от знака предыдущей операции, ввод и вывод и передача. CC в другое место в памяти (скачок). Он определяет количество битов, необходимых для разных типов заказов, предлагает немедленные заказы. где следующее слово является операндом и обсуждает желательность оставлять запасные биты в формате порядка, чтобы обеспечить больше адресуемой памяти в будущем, а также для других неуказанных целей. Обсуждается возможность хранения более одного заказа в малом цикле, но такой подход не вызывает особого энтузиазма. Приведена таблица заказов, но в первый черновик не включены инструкции по вводу и выводу.

Отношение к предварительному отчету как к публикации (в юридическом смысле) было источником ожесточенной неприязни между фракциями команды разработчиков EDVAC по двум причинам. [3] Во-первых, публикация представляла собой публичное раскрытие информации, которое не позволило запатентовать EDVAC; вторых, некоторые на дизайн EDVAC команды утверждали , что концепция хранимой программы эволюционировали из встреч в Университете Пенсильвании «ы Мур школа электротехники , предшествующих деятельности фон Неймана в качестве консультанта там, и что большая часть работы представлена в Первый вариант был не более чем переводом обсуждаемых концепций на язык формальной логики. на котором фон Нейман свободно владел. Следовательно, неспособность фон Неймана и Голдстайна указать других авторов в Первом черновике привела к тому, что заслуги приписали только фон Нейману. (См. Эффект Мэтью и закон Стиглера .)

Джон фон Нейман (von Neumann) (1903 — 57) — американский математик. Внес большой вклад в создание первых ЭВМ и разработку методов их применения.

В возрасте 20—30 лет, занимаясь преподавательской работой в Германии, он внес значительный вклад в развитие квантовой механики — краеугольного камня ядерной физики, и разработал теорию игр — метод анализа взаимоотношений между людьми, который нашел широкое применение в различных областях, от экономики до военной стратегии. На протяжении всей жизни он любил поражать друзей и учеников своей способностью производить в уме сложные вычисления. Он делал это быстрее всех, вооруженных бумагой, карандашом и справочниками. Когда же фон Нейману приходилось писать на доске, он заполнял ее формулами, а потом стирал их настолько быстро, что однажды кто-то из его коллег, понаблюдав за очередным объяснением, пошутил: "Понятно. Это доказательство методом стирания".

Джон фон Нейман наиболее известен как человек, с именем которого связывают архитектуру большинства современных компьютеров (так называемая архитектура фон Неймана), применение теории операторов к квантовой механике (алгебра фон Неймана).

Фон Нейман получил степень доктора философии по математике (с элементами экспериментальной физики и химии) в университете Будапешта в 23 года.

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, также расположенный в Принстоне, где с 1933 года и до самой смерти занимал профессорскую должность.

Интерес фон Неймана к компьютерам в какой-то степени связан с его участием в сверхсекретном Манхэттенском проекте по созданию атомной бомбы, который разрабатывался в Лос-Аламосе, шт. Нью-Мексико. Там фон Нейман математически доказал осуществимость взрывного способа детонации атомной бомбы. Теперь он размышлял о значительно более мощном оружии — водородной бомбе, создание которой требовало очень сложных расчетов.

Однако фон Нейман понимал, что компьютер — это не больше, чем простой калькулятор, что — по крайней мере потенциально — он представляет собой универсальный инструмент для научных исследований. В июле 1954 г., меньше чем через год после того, как он присоединился к группе Моучли и Эккерта, фон Нейман подготовил отчет на 101 странице, в котором обощил планы работы над машиной EDVAC. Этот отчет, озаглавленный "Предварительный доклад о машине EDVAC" представлял собой прекрасное описание не только самой машины, но и ее логических свойств. Присутствовавший на докладе военный представитель Голдстейн размножил доклад и разослал ученым как США, так и Великобритании.

Благодаря этому "Предварительный доклад" фон Неймана стал первой работой по цифровым электронным компьютерам, с которым познакомились широкие круги научной общественности. Доклад передавали из рук в руки, из лаборатории в лабораторию, из университета в университет, из одной страны в другую. Эта работа обратила на себя особое внимание, поскольку фон Нейман пользовался широкой известностью в ученом мире. С того момента компьютер был признан объектом, представлявшим научный интерес. В самом деле, и по сей день ученые иногда называют компьютер "машиной фон Неймана".

Будучи экспертом в математике ударных волн и взрывов во время Второй мировой войны фон Нейман работал консультантом Лаборатории баллистических исследований (Army Ballistics Research Laboratory) Управления боеприпасов Армии США. По приглашению Оппенгеймера Фон Нейман был привлечен к работе в Лос-Аламосе над Манхеттэнским проектом начиная с осени 1943 года, где он работал над расчетами сжатия плутониевого заряда до критической массы путем имплозии.

Расчеты по этой задаче требовали больших вычислений, которые поначалу осуществлялись в Лос-Аламосе ручных калькуляторах, потом на механических табуляторах IBM 601, где использовались перфокарты. Фон Нейман, свободно разъезжая по стране, собирал информацию из разных источников о текущих проектах по созданию электронно-механических (Bell Telephone Relay-Computer, компьютер Mark I Говарда Айкена в Гарвардском университете использовался Манхеттенским проектом для расчетов весной 1944 г.) и полностью электронных компьютеров (ENIAC использовался в декабре 1945 года для расчетов по проблеме термоядерной бомбы).

Фон Нейман помогал в разработке компьютеров ENIAC и EDVAC, внес вклад в развитие науки о компьютерах в своей работе "Первый проект отчёта о EDVAC", где представил научному миру идею компьютера с программой хранимой в памяти. Эта архитектура до сих пор носит название архитектуры фон Неймана, и долгие годы реализовывалась во всех компьютерах и микропроцессорах.

После окончания войны фон Нейман продолжил работу в этой области, разрабатывая высокоскоростной исследовательский компьютер IAS-машину в Принстонском университете, который предполагалось использовать для ускорения расчетов по термоядерному оружию.

Первый успешный численный прогноз погоды был произведен в 1950 году с использованием компьютера ENIAC командой американских метеорологов совместно с Джоном фон Нейманом.

Умер фон Нейман в возрасте 54 лет от саркомы.

В честь Фон Неймана был назван компьютер JOHNNIAC, созданный в 1953 году в Корпорации RAND.

в 1945 году был опубликован "Первый проект отчета о EDVAC" под редакцией Джона Фон Неймана, в котором были изложены принципы "архитектуры Фон Неймана", перевернувшие все представления об ЭВМ.

Этот документ родился из дискуссий, которые начались еще во время работы над компьютером ENIAC. Машина получилась неплохой для своего времени, но имела ряд критических недостатков.

Поэтому Джон Уильям Мокли, Джон Экерт, Герман Голдстайн и Артур Бёркс еще в 1944 году начали раздумывать о новой ЭВМ -EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer). Тогда же к ним присоединился знаменитый математик Джон Фон Нейман, и через год он выпустил свой отчет, в котором изложил принципы работы такой ЭВМ.

Сразу оговоримся, что хоть архитектура и носит имя Фон Неймана, ее авторами на самом деле являются все вышеперечисленные светила науки.

В соответствии с принципами этой архитектуры, EDVAC должен был стать двоичной, а не десятеричной, как ENIAC, машиной. Это значительно упрощало его конструкцию и программирование, никак не сказываясь на производительности.

А в EDVAC предлагалось хранить программу в виде единиц и нулей в той же памяти, что и обрабатываемые ею числа! Это еще больше упрощало работу с компьютером.

Вообще, известно четыре основных принципа фон Неймана:

Принцип однородности памяти. Команды (программа) и данные хранятся в одной и той же памяти.
Принцип адресности. Память состоит из пронумерованных ячеек, и процессору доступна любая из них. Двоичные коды команд и данных разделяются на единицы информации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, а для доступа к ним используются номера соответствующих ячеек — адреса.
Принцип программного управления. Все вычисления представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов — команд. Каждая команда предписывает определенную операцию. Команды программы хранятся в последовательных ячейках памяти и выполняются той последовательности, в которой они расположены в программе. При необходимости, с помощью специальных команд, эта последовательность может быть изменена.
Принцип двоичного кодирования. Вся информация (данные и команды) кодируются двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип информации представляется двоичной последовательностью и имеет свой формат. Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. В числовой информации обычно выделяют поле знака и поле значащих разрядов. В формате команды можно выделить два поля: поле кода операции и поле адресов.

Что любопытно, первой машиной, построенной на принципах фон Неймана, стал не EDVAC. Вот перечень таких ЭВМ в порядке их появления:

прототип — Манчестерская малая экспериментальная машина (SSEM) — Манчестерский университет, Великобритания, 21 июня 1948 года;
EDSAC — Кембриджский университет, Великобритания, 6 мая 1949 года;
Манчестерский Марк I — Манчестерский университет, Великобритания, 1949 год;
BINAC — США, август 1949 года;
CSIR Mk 1 — Австралия, ноябрь 1949 года;
SEAC — США, 9 мая 1950 года
EDVAC — США, август 1949 года — фактически запущен в 1952 году;

СССР тоже не отставал. Первой советской ЭВМ, близкой к принципам фон Неймана, стала МЭСМ, построенная Лебедевым (на базе киевского Института электротехники АН УССР) и прошедшая государственные приемочные испытания в декабре 1951 года.

Читайте также: