Arbeidet til John von Neumann

John von Neumann

John von Neumann ble født i Budapest 28. desember 1903 i en velstående bankfamilie som var blitt løftet til den ungarske adelen. Fra tidlig alder viste han stort intellekt og ble merket et vidunderbarn. I en alder av 6 kunne von Neumann snakke antikkgresk og dele et par åttesifrede tall i hodet, og med 8 hadde han lært differensial- og integralregning. Da von Neumann var 15, ordnet faren hans at Gábor Szegő skulle tjene som hans private matteveileder. Ved sin første leksjon ble den berømte matematikeren Szegő brakt til tårer etter å ha sett hastigheten og evnen til den unge von Neumann. I tillegg til disse utrolige prestasjonene hadde von Neumann et fotografisk minne og kunne resitere hele romaner ord for ord.

Von Neumann fullførte et to-års sertifikat i kjemi ved Universitetet i Berlin og en doktorgrad i matematikk ved Pázmány Péter University. Etter å ha fullført doktorgraden gikk von Neumann til universitetet i Göttingen for å studere under David Hilbert, en av en viktig matematiker hvis arbeid bidro til å utvikle datamaskinen. Deretter gikk von Neumann til Princeton University for å godta en livstidsavtale til Institute of Advanced Study. Kontoret hans var flere dører unna Albert Einsteins kontor, og Einstein klaget over at von Neumann spilte tysk marsjmusikk på kontorgrafografen for høyt.

Mens han var i Princeton ble von Neumann hentet inn for å jobbe med Manhattan-prosjektet. Han tok mange turer til Los Alamos Laboratory for å overvåke utviklingen av atomvåpen, og han var avgjørende i mange stadier av utformingen og konstruksjonen av de to atomvåpnene som falt på Japan. Han var øyenvitne til den første testen av en atombombe 16. juli 1945, og han satt i komiteen som hadde til oppgave å avgjøre hvilke to japanske byer som ville være mål for bomben. For sitt engasjement i Manhattan-prosjektet ble von Neumann kanskje den største inspirasjonen for karakteren Dr. Strangelove i Stanley Kubricks homonyme film.

Dr. Merkelig kjærlighet

Rundt den tiden han jobbet med atombomben, begynte von Neumann å jobbe med ideer som skulle danne grunnlaget for informatikk. Von Neumann hadde møtt Alan Turing år tidligere, og rapporter antyder at von Neumann ble påvirket av Turings avis "On Computable Numbers".”Visst, på grunn av sitt tidligere arbeid med Hilbert, var von Neumann i en god posisjon til å erkjenne betydningen av Turings arbeid.

I 1945, mens han var i sluttfasen av sitt arbeid med Manhattan-prosjektet, fortalte von Neumann venner og kolleger at han tenkte på enda mer konsekvensarbeid. Mens han var i tog til Los Alamos, skrev von Neumann et dokument kalt "First Draft of a Report on the EDVAC". Dette dokumentet på 101 sider inneholder utformingen av von Neumann-arkitekturen, som har vært det dominerende paradigmet i dataarkitektur siden introduksjonen. Von Neumann-arkitekturen er vanligvis assosiert med datamaskinkonseptet for lagret program, men det inkluderer også en 4-delt konstruert design som skiller seg fra andre lagrede programkonsepter.

Viktigst er at von Neumann-arkitekturen er en datamaskin med lagret program. Lagrede programdatamaskiner bruker en minneenhet til å lagre både dataprogrammene og dataene som dataprogrammene tar som inndata. Lagret programdesign er vanligvis i motsetning til Harvard-arkitekturen, som bruker separate minneenheter til å lagre dataprogrammet og programmets data.

Ideen om en lagret programarkitektur ble stiltiende antydet av Turings arbeid med universelle Turing-maskiner, da disse maskinene er teoretiske versjoner av lagrede programdatamaskiner. Imidlertid anerkjente von Neumann verdien av å eksplisitt konstruere denne eiendommen i datamaskiner. De alternative metodene for programmering av datamaskiner krevde manuell kabling eller kabling av datamaskinens kretser, en prosess som var så arbeidskrevende at datamaskiner ofte ble bygget for en funksjon og aldri omprogrammert. Med den nye designen ble datamaskiner lett omprogrammerbare og i stand til å implementere mange forskjellige programmer; Imidlertid måtte tilgangskontroller være aktivert for å forhindre at visse typer programmer, for eksempel virus, omprogrammerer viktig programvare som operativsystemet.

Den mest kjente designbegrensningen i von Neumann-arkitekturen kalles "von Neumann-flaskehalsen". Von Neumann-flaskehalsen er forårsaket av den lagrede programarkitekturen, da data og program deler den samme bussen til sentralbehandlingsenheten. Overføringen av informasjon fra minne til CPU er vanligvis mye tregere enn faktisk behandling i CPU. Von Neumann-designen øker mengden informasjonsoverføring som kreves fordi både dataprogrammet og programmets data må overføres til CPU. En av de beste metodene for å forbedre dette problemet har vært bruken av CPU-cacher. CPU-cacher fungerer som mellomledd mellom hovedminnet og CPU-en. Disse CPU-hurtigbufferne gir små mengder raskt tilgjengelig minne i nærheten av prosessorkjernen.

Von Neumann-arkitekturen består av fire deler: kontrollenheten, prosessorenheten (inkludert aritmetikk og logisk enhet (ALU)), minneenheten og inn / ut-mekanismene. Inngangs- / utgangsmekanismene inkluderer standardenhetene som er tilknyttet datamaskiner, inkludert tastaturer som innganger og skjerm som utganger. Inndatamekanismene skriver til minneenheten som lagrer dataprogrammene og programmets data. Kontrollenheten og prosessorenheten omfatter den sentrale prosessoren. Kontrollenheten styrer sentral behandling i henhold til instruksjonene den mottar. Behandlingsenheten inneholder en ALU som utfører grunnleggende aritmetiske eller bitvise operasjoner på en streng med biter. ALU kan utføre mange forskjellige funksjoner; derfor er det funksjonen til kontrollenheten å lede ALU slik at den utfører riktig funksjon på riktig streng.

Von Neumann-arkitekturen

Etter introduksjonen ble von Neumann-arkitekturen standard dataarkitektur, og Harvard-arkitekturen ble forvist til mikrokontrollere og signalbehandling. Von Neumann-arkitekturen er fortsatt i bruk i dag, men nyere og mer kompliserte design inspirert av von Neumann-arkitekturen har formørket den originale arkitekturen når det gjelder popularitet.