John von Neumanns arbejde

John von Neumann

John von Neumann blev født i Budapest den 28. december 1903 i en velhavende bankfamilie, der var blevet hævet til den ungarske adel. Fra en tidlig alder viste han stor intellekt og blev mærket et vidunderbarn. I en alder af 6 kunne von Neumann tale antikgræsk og dele et par 8-cifrede tal i hans hoved, og ved 8 havde han lært differentieret og integreret beregning. Da von Neumann var 15, sørgede hans far for, at Gábor Szegő fungerede som hans private matematiklærer. Ved deres første lektion blev den berømte matematiker Szegő bragt til tårer efter at have set den unge von Neumanns hurtighed og evne. Ud over disse utrolige bedrifter havde von Neumann en fotografisk hukommelse og kunne recitere hele romaner ord for ord.

Von Neumann afsluttede et to-årigt certifikat i kemi ved universitetet i Berlin og en ph.d. i matematik ved Pázmány Péter University. Efter at have afsluttet sin ph.d. gik von Neumann til universitetet i Göttingen for at studere under David Hilbert, en af ​​en vigtig matematiker, hvis arbejde hjalp med at udvikle computeren. Derefter gik von Neumann til Princeton University for at acceptere en livstid udnævnelse til Institute of Advanced Study. Hans kontor var adskillige døre væk fra Albert Einsteins kontor, og Einstein klagede over, at von Neumann spillede tysk marchmusik på hans kontorgrafograf for højt.

Mens han var i Princeton, blev von Neumann bragt ind for at arbejde på Manhattan-projektet. Han tog mange ture til Los Alamos Laboratory for at overvåge udviklingen af ​​atomvåben, og han var afgørende i mange faser af design og konstruktion af de to atomvåben, der blev droppet over Japan. Han var øjenvidne til den første test af en atombombe den 16. juli 1945, og han sad i det udvalg, der havde til opgave at beslutte, hvilke to japanske byer der ville være mål for bomben. For hans engagement i Manhattan-projektet blev von Neumann måske den største inspiration for karakteren Dr. Strangelove i Stanley Kubricks homonyme film.

Dr. Strangelove

Omkring det tidspunkt, hvor han arbejdede på atombomben, begyndte von Neumann at arbejde på ideer, der ville danne grundlaget for datalogi. Von Neumann havde mødt Alan Turing år tidligere, og rapporter antyder, at von Neumann var påvirket af Turings papir “On Computable Numbers”.”På grund af hans tidligere arbejde med Hilbert var von Neumann bestemt i en god position til at erkende betydningen af ​​Turings arbejde.

I 1945, mens han var i sidste fase af sit arbejde med Manhattan-projektet, fortalte von Neumann venner og kolleger, at han tænkte på endnu mere konsekvent arbejde. Mens han var på et tog til Los Alamos, skrev von Neumann et dokument kaldet "First Draft of a Report on the EDVAC". Dette dokument på 101 sider indeholder designet af von Neumann-arkitekturen, som har været det dominerende paradigme inden for computerarkitektur siden introduktionen. Von Neumann-arkitekturen er typisk forbundet med computerkonceptet til det lagrede program, men det inkluderer også et 4-delt konstrueret design, der adskiller sig fra andre lagrede programkoncepter.

Vigtigst er det, at von Neumann-arkitekturen er en computer med et lagret program. Gemte programcomputere bruger en hukommelsesenhed til at gemme både computerprogrammerne og de data, som computerprogrammerne tager som input. Det lagrede programdesign er typisk i kontrast til Harvard-arkitekturen, der bruger separate hukommelsesenheder til at gemme computerprogrammet og programmets data.

Ideen om en lagret programarkitektur blev stiltiende antydet af Turings arbejde med universelle Turing-maskiner, da disse maskiner er teoretiske versioner af lagrede programcomputere. Von Neumann anerkendte imidlertid værdien af ​​eksplicit at konstruere denne ejendom i computere. De alternative metoder til programmering af computere krævede manuel tilslutning eller omkabling af computerens kredsløb, en proces, der var så arbejdskrævende, at computere ofte blev bygget til en funktion og aldrig omprogrammeret. Med det nye design blev computere let omprogrammerbare og i stand til at implementere mange forskellige programmer; adgangskontrol måtte imidlertid være aktiveret for at forhindre, at visse typer programmer, såsom vira, omprogrammerede vigtig software som operativsystemet.

Den mest kendte designbegrænsning af von Neumann-arkitekturen kaldes 'von Neumann flaskehals'. Von Neumanns flaskehals er forårsaget af den lagrede programarkitektur, da data og program deler den samme bus til den centrale behandlingsenhed. Overførslen af ​​information fra hukommelse til CPU er typisk meget langsommere end faktisk behandling i CPU'en. Von Neumann-designet øger den nødvendige informationsoverførsel, fordi både computerprogrammet og programmets data skal overføres til CPU'en. En af de bedste metoder til forbedring af dette problem har været brugen af ​​CPU-cache. CPU-caches fungerer som mellemled mellem hovedhukommelsen og CPU'en. Disse CPU-cache giver små mængder hurtig adgang til hukommelse nær processorens kerne.

Von Neumann-arkitekturen består af fire dele: styreenheden, processorenheden (inklusive den aritmetiske og logiske enhed (ALU)), hukommelsesenheden og input / output-mekanismerne. Input / output-mekanismerne inkluderer standardenheder tilknyttet computere, herunder tastaturer som input og displayskærme som output. Inputmekanismerne skriver til hukommelsesenheden, der gemmer computerprogrammerne og programmets data. Styreenheden og behandlingsenheden omfatter den centrale processor. Kontrolenheden styrer central behandling i henhold til den vejledning, den modtager. Behandlingsenheden indeholder en ALU, der udfører en grundlæggende aritmetisk eller bitvis operation på en streng af bits. ALU kan udføre mange forskellige funktioner; derfor er det styringens funktion at dirigere ALU'en, så den udfører den korrekte funktion på den korrekte streng.

Von Neumann-arkitekturen

Efter introduktionen blev von Neumann-arkitekturen standard computerarkitektur, og Harvard-arkitekturen blev henvist til mikrocontrollere og signalbehandling. Von Neumann-arkitekturen er stadig i brug i dag, men nyere og mere komplicerede design inspireret af von Neumann-arkitekturen har overskygget den originale arkitektur med hensyn til popularitet.