Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации ФГБОУ ВПО Хакасский государственный университет

им. Н.Ф. Катанова

Институт информационных технологий и инженерного образования

РЕФЕРАТ

на тему Работы Дж. фон Неймана по теории вычислительных машин

г. Абакан, 2014 г.

Оглавление

• Введение
• 1. Краткая биография
• 2. Первые ЭВМ
• 3. Понятие «архитектура ЭВМ»
• 4. Основные принципы архитектуры Джона фон Неймана
• 5. Структура ЭВМ
• 6. Работа машины Джона фон Неймана
• Заключение
• Список литературы

1. 

Введение

С середины 60-х годов очень сильно изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместо разработки аппаратуры и средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из синтеза аппаратных (hardware) и программных (software) средств. При этом на главный план выдвинулась концепция взаимодействия. Так возникло новое понятие - архитектура ЭВМ.

Под архитектурой ЭВМ принято понимать совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их основных характеристик, которые определяют функциональные возможности вычислительной машины при решении соответствующих типов задач.

Архитектура ЭВМ охватывает значительный радиус проблем связанных с созданием комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих большое количество определяющих факторов. Среди этих факторов главными являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство в использовании, а одним из основных компонентов архитектуры считаются аппаратные средства.

Архитектуру вычислительного средства необходимо отличать от структуры, так как структура вычислительного средства определяет его текущий состав на определенном уровне детализации и излагает связи внутри средства. Архитектура же определяет основные правила взаимодействия составных элементов вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой необходимо для формирования правил взаимодействия. Она устанавливает не все связи, а только наиболее нужные, которые должны быть известны для более грамотного использования применяемого средства.

Так пользователю ЭВМ не важно, на каких элементах выполнены электронные схемы, схемно или программно исполняются команды и тому подобное. Архитектура ЭВМ действительно отражает радиус проблем, которые относятся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их программного обеспечения.

Архитектура ЭВМ включает в себя как структуру отражающую состав ПК, так и программно - математическое обеспечение. Структура ЭВМ - совокупность элементов и связей между ними. Программное управление-это основной принцип построения всех современных ЭВМ.

Основы учения об архитектуре вычислительных машин сформировал выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Он присоединился к созданию первой в мире ламповой ЭВМ ENIAC в 1944 г., когда ее конструкция была уже выбрана. В процессе работы во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом фон Нейман изложил идею принципиально новой ЭВМ. В 1946 г. ученые высказали свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства». С тех пор прошло полвека, но выдвинутые в ней положения сохраняют актуальность и сегодня.

Отвечая в 1954 г. на анкету Национальной Академии наук США, фон Нейман назвал три своих наивысших научных достижения: математическое обоснование квантовой механики; теорию неограниченных операторов и эргодическую теорию. В этой оценке не только проявление личных вкусов фон Неймана, но и щедрость гения: многое из того, что фон Нейман не включил в список своих лучших достижений, вошло в золотой фонд математической науки и могло бы по праву обессмертить имя своего создателя. Достаточно сказать, что среди «отвергнутых» работ оказались и частичное решение (для локально-компактных групп) знаменитой пятой проблемы Гильберта, и теория игр, и основополагающие работы по теории автоматов.

Ещё при жизни Джон фон Нейман стал легендой. Некоторые восхищались невероятной логикой его рассуждений и сравнивали его с идеальной логической машиной с тщательно подогнанными шестеренками. Другим импонировали присущие мышлению фон Неймана блеск и изящество. Третьих восхищало умение производить в уме наисложнейшие вычисления и инженерная хватка, несколько неожиданная у математика, мышление которого, даже по мнению его искушённых коллег, отличалось особой абстрактностью.

Джон фон Нейман принадлежал, к редкому в те дни, типу математика -универсала, презирающего искусственные разделения между отдельными областями своей древней, но вечно юной науки, воспринимающего её как единый живой организм и свободно переходящего в своём творчестве от одного её раздела к другому, на первый взгляд весьма далекому от первого, но в действительности связанного с ним нерасторжимыми узами внутреннего единства.

Широкий спектр математических интересов и научных достижений фон Неймана представлял собой настолько поразительный контраст с унылой картиной всеобщей узкой (а иногда и чрезмерно узкой) специализации, что не только историки науки, но и многие математики, которые активно работали, пытались найти объяснение этому специфическому явлению. Вот что, например, говорил по этому поводу известный математик С. Улам, который лично знал Джона фон Неймана и проработал с ним многие годы: «Странствия фон Неймана по многочисленным разделам математической науки не были следствием съедавшего его внутреннего беспокойства. Они не были вызваны ни стремлением к новизне, ни желанием применить маленький набор общих методов к множеству различных частных случаев. Математика в отличие от теоретической физики не сводится к решению нескольких главных проблем. Стремление к единству, если он зиждется на чисто формальной основе, фон Нейман считал обречённым на предсказуемую неудачу. Причина его неуемной любознательности скрывалась в некоторых математических мотивах и в большей мере была обусловлена миром физических явлений, который, насколько можно судить, ещё долго не будет поддаваться формализации.

Единого определения математики не существует. Сколь ни богат выбор различных типов определений в логике, ни один из них не позволяет полностью охарактеризовать неуловимую сущность математики. Например, широко известное определение математики через ближайший род и видовое отличие «Математика -- дедуктивная наука, занимающаяся изучением...» неполно хотя бы потому, что дедуктивный характер присущ традиционной форме изложения математических результатов, т.е. математике «готовой». В процессе поиска доказательства теоремы, математик следует примеру естествоиспытателя и широко использует индуктивные рассуждения, аналогию и т.п. Перечень того, чем занимается наука математика, предусмотрительно заменённый многоточием, обречен на неполноту, сколь бы длинным он ни был. Неполно и остенсивное определение математики: мы не можем указать пальцем на нечто и сказать, что это и есть математика (работы одного математика, по фон Нейману, имеют отношение не более чем к одной четвёртой всей математики, работы различных математиков с необходимостью пересекаются и не образуют «полного покрытия» математики). Неполны и все другие определения математики: через отношение, противоположность, абстракцию, генетическое определение, семантическое и т.д.

Не будет преувеличением сказать, что у каждого крупного математика складывается своя собственная концепция математики, не часто формулируемая в явном виде, но дающая ключ к пониманию его работ.

1. Краткая биография

Джон фон Нейман -- американский математик и физик, сделавший важный вклад в разные отрасли науки, такие как информатика, экономика, квантовая физика, логика и другие. Внёс огромный вклад в создание ЭВМ, известен как создатель современной архитектуры компьютеров.

Джон фон Нейман (Янош фон Нейман) родился 28 декабря 1903 года в состоятельной семье в Будапеште. Янош был одаренным ребёнком, его интересовала математика.

В юные годы Янош занимался дома со специально приглашёнными педагогами, а в возрасте 10 лет поступил в одно из лучших учебных заведений, того времени -- лютеранскую гимназию.

По окончании гимназии перед фон Нейманом, так же как и перед его сверстниками, встал важный вопрос: «Кем быть?» Однако для Яноша фон Неймана этот вопрос имел несколько иное значение, чем для других выпускников гимназий. Для юноши со столь незаурядными способностями и рано определившимися интересами речь шла не о выборе призвания, ибо этот выбор был предрешен заранее. Речь шла о выборе профессии, способной удовлетворить не столько чаяниям сына, сколько критериям отца: профессию математика Макс фон Нейман не считал достаточно «надёжной», способной обеспечить будущее своего первенца, и настоял, чтобы тот приобрёл более «земную» профессию инженера-химика. Разумеется, Янош, вкусивший первые радости математического творчества, принявший посвящение (хотя и неформальное) в математики, не мог представить себе жизнь без занятия любимой наукой. На семейном совете было решено, что Янош поступит в Федеральную высшую техническую школу в Цюрихе, где будет изучать химию, и одновременно на математический факультет Будапештского университета.

В 23 года получил степень доктора философии по математике. Изучал несколько наук одновременно. В 1933 году, вскоре после основания Института высших исследований, фон Нейману предложили место в математическом отделе института. В то время институт был грандиозным экспериментом в области высшего образования и исследовательской работы в США, вдохновителями и организаторами которого выступили Флекснер и Веблен и их друзья-единомышленники, взявшие на себя финансирование всего предприятия. Приглашение в институт фон Неймана, тридцатилетнего математика, вместе с некоторыми самыми выдающимися и знаменитыми математиками США означало не только признание его таланта, но и свидетельствовало о полноте его слияния с жизнью Америки. Всю остальную часть своей научной карьеры фон Нейман провел в Институте высших исследований.

Гений -- это не только исключительная одарённость, но и исключительная работоспособность. Фон Нейман был наделен и тем и другим. Много лет спустя Клара фон Нейман-Эккарт сказала о своём муже: «Когда его что-нибудь интересовало, работоспособность его становилась практически безграничной». Хотя в годы цюрихско-будапештского периода внешний «выход» был сравнительно невелик, проделанная работа была поистине титанической, и результаты её не замедлили сказаться. Именно в эти ученические годы фон Нейман приобщился к тому, что составляет подлинную математическую культуру, без чего невозможна творческая работа в математике (химия никогда по-настоящему не занимала его помыслов). Именно тогда в нем осуществился тот синтез накопленных знаний, который впоследствии позволил ему сформировать свой собственный взгляд на математику и выработать своеобразие, отличавшее творческий почерк фон Неймана в зрелые годы.

2. Первые ЭВМ

Когда в конце 30-х годов фон Нейман обратился к проблемам гидродинамики, лучшей вычислительной машиной в США и, быть может, во всём мире был дифференциальный анализатор - это машина, разработанная в Массачусетсом технологическом институте под руководством доктора Буша. Основные принципы, лежащие в основе дифференциального анализатора, впервые были сформулированы лордом Кельвином, однако в то время вследствие технических трудностей было невозможно построить машину задуманного им типа. Первым такую машину построил академик Крылов в 1912 году.

Доктор Буш и его сотрудники независимо открыли те же самые принципы. В 1931 году было завершено создание первого дифференциального анализатора.

Технические трудности, которые возникли при создании машины, были решены с помощью нескольких остроумных устройств, таких как, например, блоки корректировки мертвого хода и усилители напряжений вращения, также посредством улучшенных технических приемов работы машины. С тех пор в различных частях света было построено несколько других машин.

Дифференциальный анализатор Буша больше десяти лет широко применялся в различных областях, а также и в военной. Определения точек, куда нужно навести ствол орудия, чтобы выпущенный из него снаряд встретился с атакующим самолетом, производились с помощью именно аналоговых вычислительных устройств.

Дифференциальный анализатор предназначенный для решения широкого класса обыкновенных дифференциальных уравнений, был чисто механической машиной. Позднее В. Буш построил усовершенствованный электромеханический вариант своего дифференциального анализатора.

Первая электронная вычислительная машина была построена в 1943-1946 гг. в школе инженеров-электриков Мура Пенсильванского университета и получила название ЭНИАК (по первым буквам английского названия машины -- электронный цифровой интегратор и вычислитель). Проект первой в мире ЭВМ был предложен в 1942 г. американцами Дж. Моучли и Дж. Эккертом. Придя к выводу о необходимости использования в вычислительных устройствах электронных ламп, Дж. Эккерт представил проект электронной машины, названной «Эниак». Машина «Эниак» (ENIAC, аббревиатура от Electronic Numerical Integrator and Calculator - электронный цифровой интегратор и калькулятор), подобно «Марку-1» Г. Эйкена, также предназначалась для решения задач баллистики. Но в итоге она оказалась способной решать задачи из самых различных областей. Проект «Эниака» лежал без движения больше года, пока им не заинтересовалось Министерство обороны США.

Были развернуты значительны по масштабам работы, которым в условиях войны придавалось первостепенное значение. Более 200 особо засекреченных специалистов трудились над реализацией проекта Дж. Моучли и Дж. Эккерта. В 1944 г. Дж. Эккерт впервые выдвинул идею хранимой в памяти компьютера программы. В 1945 г., когда «Эниак» был, наконец собран и готов к проведению первого официального испытания, война, для которой он был придуман и создан, окончилась. Чтобы проверить работу машины были выбрана задача выполнения расчетов для определения принципиальной возможности создания водородной бомбы. Сама задача указывала на то, что роль вычислительных машин в послевоенные годы не снижалась, а, скорее, возрастала. В феврале 1946 г. впервые состоялась публичная демонстрация ЭВМ «Эниак». Роль «Эниака» в развитии вычислительной техники определяется, прежде всего, тем, что это была первая работающая машина, в которой все действия - арифметические и логические операции, запоминание и хранение информации - были реализованы на электронных схемах. Применение электронных ламп вместо реле обусловило качественный скачок в быстродействии.

В компьютере использовалось три типа электронных схем:

- схемы совпадения, сигнал на выходе которых появлялся только в тогда когда, поступили сигналы на все входы;

- собирательные схемы, сигнал на выходе которых появляется, если есть сигнал хотя бы на одном входе;

-триггеры, выполненные на двойных триодах (две трехэлектродные электронные лампы монтировались в одном баллоне).

Применение новой электровакуумной техники позволило достичь скоростей, которые были недостижимы при использовании электромеханических элементов. «Эниак» выполнял 5000 операций сложения и 360 операций умножения в секунду. Эта скорость была в сотни раз больше, чем у распространенных в то время механических и электромеханических арифмометров. Она имела память емкостью всего двадцать десятизначных чисел. Вес машины - 30 т, занимаемая площадь - 300 м2. По размерам (около 6 м в высоту и 26 м в длину) этот компьютер более чем вдвое превосходил «Марк-1» Г. Эйкена. Однако двойное увеличение в размерах сопровождалось тысячекратным увеличением в быстродействии.

Конструкция машины выглядела очень сложной и массивной - она содержала 17 468 ламп. Такое количество ламп объяснялось тем, что «Эниак» должен был работать с десятичными числами. Моучли предпочитал десятичную систему счисления, потому что хотел, чтобы «машина была понятна человеку». Однако такое большое количество ламп, которые, могли перегреться и выйти из строя, приводило к частым поломкам. При 17 тыс. ламп, одновременно работающих с частотой 100 тыс. импульсов в секунду, ежесекундно возникало 1,7 млрд. ситуаций, в которых хотя бы одна из ламп могла не сработать. Дж. Эккерт решил эту проблему, и воспользовался приемом, широко применяющимся при эксплуатации больших электроорганов в концертных залах: на лампы стали подавать меньшее напряжение, и количество аварий снизилось до одной - двух в неделю.

Дж. Эккерт также разработал программу строгого контроля неисправности аппаратуры. Каждый из более чем 100 тыс. электронных компонентов машины подвергался тщательной проверке, затем все они аккуратно расставлялись по местам и запаивались, а иногда и перепаивались не раз. Компьютер работал на протяжении девяти лет. Последний раз он был включен в 1955 г.

Недостатки ЭВМ «Эниак»:

1. Малый объем внутренней памяти машины, еле хватавшего для хранения числовых данных, которые используются в расчетах. Это означало, что программы приходилось буквально «впаивать» в сложные электронные схемы машины.

2. Трудности, которые возникли при изменении вводимых в него инструкций, т.е. программы. Программа задавалась схемой коммутации триггеров на 40 наборных полях, на каждую требовалось несколько коммутационных шнуров. На перенастройку уходили недели.

3. Использование десятичной системы счисления.

4. Структура машины напоминала механические вычислительные машины.

Все это было достаточно веским аргументом, для того, чтобы отказаться от попыток использовать «Эниак» в качестве универсального компьютера. Тем не менее, в 1996 г. по инициативе Пенсильванского университета многие страны мира отметили 50-летие информатики, связав это событие с 50-летием создания ЭВМ «Эниак». Для этого имелись веские основания - до «Эниака» и после него ни одна ЭВМ не оказала такого влияния на развитие цифровой вычислительной техники. В 1950 г. был произведен первый успешный численный прогноз погоды с использованием вычислительной машины «Эниак». Хотя и «Эниак», и «Colossus» работали на электронных лампах, они копировали электромеханические машины: новое содержание (электроника) было внесено в старую форму (структуру доэлектронных машин). Конечно, ламповый триггер предпочтительнее электромеханического - так как он работает гораздо быстрее. Но стоимость его во много раз больше. Кроме того, для создания более или менее емкую память на триггерах, приходится использовать огромное количество постоянно работающих электронных ламп, так как для хранения всего лишь одного двоичного разряда требуется два триода. С технической точки зрения запоминающее устройство на триггерах было неэкономичным, громоздким, ненадежным и очень дорогим. Поэтому вскоре появились многочисленные и оригинальные проекты более дешевых устройств. Фон Нейман сразу же распознал возможности, которые были заложены в этой машине, и понял, как их можно использовать наиболее оптимальным образом. Вот как рассказывает об этом конструктор ЭНИАКа А. Беркс: «Идея создания универсальной быстродействующей вычислительной машины принадлежит Джону Мочли. Он внёс предложение Голдстайну из артиллерийского управления о том, чтобы армия Соединённых Штатов поддержала разработку и создание такой вычислительной машины, которую можно было бы использовать прежде всего для расчётов по баллистике. Такая поддержка была оказана, причём военных особенно поражала большая скорость, с которой электронная вычислительная машина могла составлять таблицы стрельб. Машина ЭНИАК проектировалась и создавалась ... при техническом руководстве Мочли и Эккерта. Фон Нейман посетил нас, когда мы строили эту машину, и сразу же заинтересовался ею. К этому времени конструкция машины была уже выбрана, но после того как её постройка была закончена, фон Нейман показал, как можно модифицировать машину, чтобы сильно упростить её программирование».

Следующая модель - машина Эдвак (EDVAC, от Electronic Discrete Automatic Variable Computer - электронный дискретный переменный компьютер) - была уже более гибкой. У нее была более вместительная внутренняя память, содержавшая не только данные, но и программу. Инструкции теперь не «впаивались» в схемы аппаратуры, а записывались электронным способом в специальных устройствах. О таких устройствах Экерт узнал, когда работал над созданием радара: это - заполненные ртутью трубки, называемые линиями задержки. Кристаллы, которые были помещены в трубку, генерировали импульсы, которые, распространяясь по трубке, сохраняли информацию, как ущелье «хранит» эхо. Существенно и то, что Эдвак кодировал данные уже в двоичной, а не в десятичной системе, что позволило значительно сократить количество электронных ламп.

В конце 1944 г., когда Мочли и Экерт трудились над машиной Эдвак, способной хранить программы в памяти.

В создании машины ЭДВАК (электронный автоматический вычислитель с дискретными переменными), фон Нейман принял гораздо более активное участие. Он не только разработал подробную логическую схему машины, в которой структурными единицами были не физические элементы цепей, а идеализированные вычислительные элементы, но и предложил ряд инженерных решений. Использование идеализированных вычислительных элементов было важным шагом вперёд. Этот шаг позволил отделить создание принципиальной логической схемы от её технического воплощения.

Фон Нейману принадлежит и предложение использовать в качестве элементов памяти не линии задержки, а электронно-лучевые трубки. Предложение было встречено скептически, но первые же испытания подтвердили правоту фон Неймана, и тот начинает обдумывать замысел новой вычислительной машины с памятью на электронно-лучевых трубках. Как свидетельствует Беркс: «Новая вычислительная машина должна была намного превосходить по скорости действия все рассматривавшиеся тогда машины в основном из-за двух следующих обстоятельств. Первое обстоятельство, применение электростатической запоминающей системы обеспечивает немедленный доступ к каждому разряду, в то время как разряд или всё слово, хранящееся в линии задержки, недоступно до тех пор, пока не дойдёт до конца линии. Второе обстоятельство, было принято решение обрабатывать все разряды слова параллельно, что также снижает время вычислений».

Планы фон Неймана недолго оставались на бумаге. Вскоре задуманная им машина была построена под руководством Дж. Бигелоу в Институте высших исследований. Её логическую схему разработали Беркс, Голдстайн и фон Нейман. Машина Института высших исследований приобрела широкую известность под таким названием как ДЖОНИАК -- в честь фон Неймана. Её логические и схемные решения послужили прототипами при создании вычислительных машин в Иллинойсском университете, Национальных лабораторий Лос-Аламоса, Аргонна, Окриджа, корпорации РЭНД. Именно ДЖОНИАК позволил осуществить важные расчёты при создании водородной бомбы, превосходившие по своему объему всё, что когда-либо было сосчитано человечеством.

В работе над ЭДВАК проявилась важная особенность мышления фон Неймана, которая проливала свет на его деятельность инженера, изобретателя, физика. Некоторые детали реальной конструкции он рассматривал, по существу, аксиоматически, абстрагируясь от несущественных подробностей и сохраняя лишь главное. Такой подход не только отвечал его индивидуальным наклонностям, а так же позволял фон Нейману использовать аппарат математической логики, оперируя с абстрактными элементами, как с символами. Эта мысль находит подтверждение в следующем замечании С. Улама: «Мы уже упоминали о способности фон Неймана, сравнительно редкой у математиков, общаться с физиками, понимать их язык и почти мгновенно, без малейшего промедления преобразовывать его в математические схемы и выражения. Затем, разобравшись в существе задачи, фон Нейман переводил их снова в выражения, общепринятые у физиков... Фон Нейман с необычайной лёгкостью производил прикидочные оценки и алгебраические и численные выкладки в уме, не прибегая к карандашу и бумаге. Эта способность, несколько напоминающая способность играть в шахматы вслепую, нередко производила сильное впечатление на физиков. У меня создалось впечатление, что фон Нейман, размышляя, не прибегал к зримым образам физических объектов, а предпочитал рассматривать их свойства как логические следствия из основных физических допущений. С каким блеском он умел играть в эту дедуктивную игру!».

В конце 40-х годов, накопив огромнейший практический опыт в создании быстродействующих вычислительных машин, фон Нейман приступил к созданию общей математической (или, как предпочитал называть её сам фон Нейман, логической) теории автоматов.

По Берксу, теория автоматов -- это наука об основных принципах, общих для искусственных автоматов (цифровых вычислительных машин, аналоговых вычислительных машин, управляющих систем) и естественных автоматов (нервной системы человека, самовоспроизводящихся клеток, организмов в эволюционном аспекте).

В планы фон Неймана входило создать систематическую теорию, математическую и логическую по форме, которая могла бы упорядочить понятия и принципы, касающиеся структуры и организации естественных и искусственных систем, роли языка и информации в таких системах, программирования и управления такими системами. Теория автоматов лежит на пересечении разных дисциплин, объединяет различные подходы (с точки зрения логики, теории связи, физиологии), но, в конце концов, ей предстоит стать отдельной самостоятельной дисциплиной.

Различия между теорией автоматов фон Неймана и кибернетикой Винера не такие заметные и обусловлены скорее личным вкусом и опытом их создателей, чем принципиальными соображениями. Теория автоматов фон Неймана, который принимал активное участие в разработке и создании современных быстродействующих ЭВМ первого поколения, уделяет основное внимание цифровым вычислительным машинам и дискретной математике (главным образом, комбинаторике и логике). Кибернетика Винера, принимавшего в годы войны участие в разработке прибора управления артиллерийским зенитным огнём, концентрирует внимание на следящих системах и непрерывной математике (классическом анализе). Винер всячески подчеркивает важность обратной связи для управления и целенаправленного поведения, фон Нейман, по существу, использовал обратную связь и в конструкции машин, и в блок-схемах программ, не считает необходимым специально подчеркивать это.

Разумеется, Винер осознавал важность цифровых вычислительных машин, а фон Нейман отнюдь не принадлежал к числу принципиальных противников непрерывного в математике. Предвосхищая успехи синергетики, фон Нейман планировал построить непрерывную модель самовоспроизведения, основанную на нелинейных дифференциальных уравнениях в частных производных, которые описывают систему химически реагирующих и диффундирующих веществ. В этой связи охотно можно отметить, что в 1952 г. независимо от фон Неймана аналогичную модель структурообразования предложил в работе «Химическая основа морфогенеза» английский математик А. Тьюринг, который внес немалый вклад в развитие теории автоматов.

Винер и фон Нейман находились под взаимным влиянием и, как показывает, например, рецензия фон Неймана на книгу Винера «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине», были великолепно осведомлены о сильных и слабых сторонах каждого подхода, но всё же их подходы и цели были различны.

Ещё в период работы над созданием вычислительной машины ЭДВАК фон Нейман произвёл сравнение некоторых элементов живых и искусственных автоматов. Более контрастно цели и задачи такого сравнения были сформулированы им в начале известной статьи «Общая и логическая теория автоматов», представлявшей собой текст доклада, с которым фон Нейман выступил в сентябре 1948 г. на симпозиуме «Механизмы мозга в поведении» в Калифорнийском технологическом институте: «В естественных науках автоматы играли роль, значение которой непрерывно возрастало, и которая к настоящему времени стала весьма значительной. Этот процесс развивался в течение нескольких десятилетий. В конце этого периода автоматы стали захватывать и некоторые области математики, в частности (но не только) математическую физику и прикладную математику. Их роль в математике представляет интересный аналог некоторых сторон жизнедеятельности организмов в природе. Как правило, живые организмы гораздо более сложны и тоньше устроены и, следовательно, значительно менее понятны в деталях, чем искусственные автоматы. Тем не менее рассмотрение некоторых закономерностей устройства живых организмов может быть весьма полезно при изучений и проектировании автоматов. И наоборот, многое из опыта нашей работы с искусственными автоматами может быть до некоторой степени перенесено на наше понимание естественных организмов.

При сравнении живых организмов и, в частности, наиболее сложно организованной системы -- нервной системы человека -- с искусственными автоматами следует иметь в виду следующее ограничение. Естественные системы чрезвычайно сложны, и ясно, что проблему их изучения необходимо разделить на несколько частей. Один метод такого расчленения, особенно важный в нашем случае, заключается в следующем. Организмы можно рассматривать как состоящие из частей, из элементарных единиц, которые в определённых пределах автономны. Поэтому можно считать первой частью проблемы исследование структуры и функционирования таких элементарных единиц в отдельности. Вторая часть проблемы состоит в том, чтобы понять, как эти элементы организованы в единое целое и каким образом функционирование целого выражается в терминах этих элементов.

Аксиоматизация поведения элементов означает следующее. Мы принимаем, что элементы имеют некоторые вполне определённые внешние функциональные характеристики, т.е. что их следует считать «чёрными ящиками». Это означает, что их рассматривают как автоматы, внутреннюю структуру которых нет необходимости раскрывать и которые, по предположению, реагируют на некоторые точно определённые раздражители (стимулы) посредством точно определённых реакций.

Сравнивая особенности функционирования естественных и искусственных автоматов, фон Нейман обратил внимание на то, что живые автоматы и, в частности, человеческий мозг работают с небывалой надёжностью, несмотря на сравнительно низкую надёжность их деталей. Можно ли смоделировать эту особенность живых организмов при помощи искусственных автоматов? Можно ли, и если можно, то как построить надёжный автомат из ненадёжных компонентов? Можно ли понизить порог ошибки до заданного значения? Эти вопросы были проанализированы в статье фон Неймана «Вероятностная логика и синтез надёжных организмов из ненадёжных компонентов», написанной на основе пяти лекций, прочитанных в январе 1952 г. в Калифорнийском технологическом институте.

«Как показывает заглавие, - подчёркивает фон Нейман во введении, - основным предметом статьи является роль ошибки в логике и в физическом орудии логики - синтезировании автоматов. Поэтому ошибка рассматривается не как исключительное событие, результат или причина какой-то неправильности, а как существенная часть рассматриваемого процесса. Значение понятия ошибки в синтезировании автоматов вполне сравнимо со значением обычно учитываемого фактора правильной логической структуры, которая имеется в виду.

Предлагаемая трактовка ошибки является неудовлетворительной и даётся лишь для определённой ситуации. По убеждению автора, которого он придерживается уже много лет, ошибку следует рассматривать при помощи термодинамических методов, так же, как это делается с информацией в работах Л. Сциларда и К. Шеннона».

По фон Нейману, каждый компонент допустимо рассматривать как чёрный ящик с определённым числом входов и выходов. Если бы сигнал на выходе был функцией сигналов на входе, то мы имели бы надёжный компонент, срабатывающий с вероятностью 1. Если же сигнал на выходе при заданных сигналах на входе возникает с вероятностью меньше 1, то компонент ненадёжен. Можно ли, располагая неограниченным запасом ненадёжных компонентов, построить надёжный вариант любого заданного автомата?

Фон Нейман решил эту проблему двумя способами. Первое решение (автоматы с простыми линиями) позволило понизить вероятность ошибки лишь до некоторого уровня. Суть решения состояло в построении из трёх ненадёжных одинаковых линий и смесителей, производящих сравнение сигналов на выходах подключённых к ним компонентов, более надёжной системы, выполняющей ту же функцию.

Второе решение фон Нейман называл трюком с кратными линиями. Двоичный выход машины заменяется пучком из многократно повторенного двоичного выхода, и значение сигнала на выходе определяется «большинством голосов» - значением сигнала на большей части линий в пучке. Схема идеального автомата, построенного из надёжных компонент, преобразуется: каждая линия заменяется пучком линий, а каждый орган - аналогом, производящим операции с выходным сигналом большинства линий. Фон Нейман приводит оценки избыточности для второй схемы. Оказывается, что при замене органа, не срабатывающего с вероятностью 1/200, при избыточности 60 000 на единицу уровень ошибки понижается до 10-²⁰. Это означает, что автомат, сравнимый по сложности и быстродействию с человеческим мозгом, мог бы столетиями работать без сбоев.

Другая важная особенность живых организмов, которую фон Нейман стремился включить в общую теорию автоматов, - способность к самовоспроизведению. В записях фон Неймана сохранились два фрагмента теории.

Первый из них можно найти в уже упоминавшейся статье «Общая и логическая теория автоматов». В нем речь идёт о построении автоматов автоматами из сравнительно небольшого числа стандартных.

Второй, несравненно более обширный фрагмент долгое время оставался известным лишь малому кругу лиц, которые слушали лекции фон Неймана. Благодаря усилиям А. Беркса, взявшего на себя сложный труд по разбору, дополнению и «монтажу» отдельных записей, которые сохранились в архиве фон Неймана. Теперь можно по достоинству оценить важность и красоту многих идей фон Неймана, которые относятся к теории самовоспроизведения и, в частности, доказанную им возможность самовоспроизведения конечного автомата, обладающего 29 внутренними состояниями.

Многие идеи фон Неймана ещё не получили надлежащего развития. К их числу относится, в частности, идея о взаимосвязи уровня сложности и способности системы к самовоспроизведению, о существовании критического уровня сложности, ниже которого система вырождается, а выше обретает способность к самовоспроизведению.

3. Понятие «архитектура ЭВМ»

Термин «архитектура» используется в популярной литературе по вычислительной технике достаточно часто, однако определение этого понятия и его содержание могут у разных авторов достаточно различаться. Разберем этот вопрос более тщательно.

Начать нужно с происхождения термина. Слово «архитектура» изначально своем смысле используется в градостроении. Будучи немало сложной структурой, современный город состоит из районов, улиц, площадей, домов и т.п., которые расположены определенным образом. Жители города обычно мало интересуются, как выглядит определенный дом и из каких материалов он построен. Зато очень важно знать район, где этот дом находится, улицы, ведущие к нему, и транспорт, пользуясь которым можно сократить путь и время.

Для того, чтобы ориентироваться в хитросплетении улиц и площадей, в любом городе существует исторически сложившаяся система названий, а также определенная нумерация домов. Наличие общепринятой адресации позволяет четко определить положение любого строения и в случае необходимости быстро найти его. Именно на существовании такой адресной структуры построена работа почты. Во многих случаях расположение улиц и присвоение им имен носит беспорядочный характер. В то же время бывает, что эта деятельность детально продумана и является продолжением общей планировки города, т.е. фактически частью его архитектуры. Характерным примером может служить известная система взаимно-перпендикулярных улиц города Нью-Йорка. Помимо чисто практической, архитектура города может иметь еще и художественную ценность (что обычно больше интересует приезжих). Но понятие «архитектура» вряд ли можно перенести на вычислительную технику.

Используя аналогию с градостроительством, нужно понимать под архитектурой ЭВМ какой набор характеристик, который необходим пользователю. Это, прежде всего, основные устройства и блоки ЭВМ, а также структура связей между ними. И правда, если заглянуть, например, в «Толковый словарь по вычислительным системам», мы найдем там, что термин «архитектура ЭВМ используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных логических узлов ЭВМ (вследствие чего термин «архитектура» оказывается ближе к обыденному значению этого слова)».

Однако описание внутренней структуры ЭВМ вовсе не является самоцелью: с точки зрения архитектуры представляют интерес лишь те связи и принципы, являющиея наиболее общими, которые присущи многим конкретным реализациям вычислительных машин. Часто говорят даже о семействах ЭВМ, т.е. группах моделей, совместимых между собой. В пределах одного семейства основные принципы устройства и функционирования машин одинаковы, однако отдельные модели могут существенно различаться по производительности, стоимости и другим параметрам. Ярким примером могут служить различные модификации компьютеров PDP фирмы DEC (более известные нашим пользователям по отечественным аналогам - серии ДВК), семейство MSX-машин, к которому принадлежит широко распространенная YAMAHA, а также заполонившие мир IBM-совместимые персональные компьютеры.

Именно всё, то общее, что есть в строении ЭВМ, и причисляют к понятию архитектуры. Важно сказать, что целью такой общности в конечном счете служит вполне понятное стремление: все машины одного семейства, независимо от их определенного устройства и фирмы-производителя, должны быть способны выполнять одну и ту же программу (на практике из-за постоянного роста вычислительной мощности техники чаще используется менее жесткий принцип совместимости снизу вверх: все программы данной модели выполнимы на более старших). Отсюда выходит вывод, что с точки зрения архитектуры важны не все сведения о построении ЭВМ, а только те, которые могут как-то использоваться при программировании и «пользовательской» работе с ЭВМ. Так же как максимально подробная архитектура города не нуждается в описании марок кирпичей, из которых возведены дома, и растворов, которыми эти кирпичи скреплены, так и архитектура ЭВМ не содержит описания электронных схем, других деталей реализации, «невидимых» для пользователя (например, внутреннего ускорителя доступа к памяти).

Ниже приводится список таких наиболее общих принципов построения ЭВМ, которые относятся к архитектуре:

* структура памяти ЭВМ;

* способы доступа к памяти и внешним устройствам;

* возможность изменения конфигурации компьютера;

* система команд;

* форматы данных;

* организация интерфейса.

Если сложить все вышеизложенное, то можно получить следующее определение архитектуры:

«Архитектура - это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов».

4. Основные принципы архитектуры Джона фон Неймана

Джон фон Нейман (1903 - 1957) - внес огромный вклад в создание первых ЭВМ и разработку методов их применения. Именно он заложил фундамент учения об архитектуре вычислительных машин присоединившись к созданию первой в мире ламповой ЭВМ ENIAC в 1944 году когда ее конструкция была уже выбрана. В процессе работы во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом Джон фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. В 1946 году ученые изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства». С тех пор прошло более полувека, но выдвинутые в ней положения сохраняют свою актуальность и сегодня.

В статье убедительно обосновывается использование двоичной системы для представления чисел ведь ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде. Авторы продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации - текстовую графическую звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.

Еще одной революционной идеей, значение которой трудно переоценить является предложенный Нейманом принцип «хранимой программы». Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например для изменения программы машины ENIAC требовалось несколько дней в то время как собственно расчет не мог продолжаться более нескольких минут - выходили из строя лампы которых было огромное количество. Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие видимой разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.

5. Структура ЭВМ

Джон фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ но и предложил ее структуру, воспроизводившуюся в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными разделами по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) обычно объединяемые в центральный процессор в который также входит набор регистров общего назначения (РОН) - для промежуточного хранения информации в процессе ее обработки; память внешняя, память устройства ввода и вывода. Следует отметить, что внешняя память различна от устройств ввода и вывода тем что данные в нее заносятся в виде удобном компьютеру но недоступном для непосредственного восприятия человеком.

Рис.1. Архитектура ЭВМ построенная на принципах Джон фон Неймана.

Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации пунктирные - управляющих сигналов.

6. Работа машины Джона фон Неймана

Теперь более подробно можно рассмотреть как же работает машина построенная на данной архитектуре. Машина фон Неймана состоит из запоминающего устройства (памяти) - ЗУ арифметико-логического устройства - АЛУ устройства управления - УУ а также устройств ввода и вывода что видно их схемы и о чем говорилось ранее.

Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние ячейки памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных ячейках. У любой программы последняя команда должна быть командой завершения работы.

Команда состоит из указания какую операцию следует выполнить и адресов ячеек памяти где хранятся данные, над которыми следует выполнить указанную операцию а также адреса ячейки куда следует записать результат если его требуется сохранить в ЗУ.

Арифметико-логическое устройство выполняет указанные командами операции над указанными данными. Из него результаты выводятся в память или устройство вывода.

Управляющее устройство (УУ) управляет всеми частями компьютера. От него на другие устройства поступают сигналы «что делать» а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии. Оно содержит специальный регистр (ячейку) который называется «счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы а УУ считывает из памяти содержимое ячейки памяти адрес которой находится в счетчике команд и помещает его в специальное устройство -- «Регистр команд». УУ определяет операцию команды «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде и контролирует выполнение команды.

АЛУ - обеспечивает арифметическую и логическую обработку двух переменных, в результате которых формируется выходная переменная. Функции АЛУ обычно сводятся к простым арифметическим и логическим операциям и операциям сдвига. Также формирует ряд признаков результата (флагов) характеризующих полученный результат и события, произошедшие в результате его получения (равенство нулю знак четность переполнение). Флаги могут анализироваться УУ с целью принятия решения о дальнейшей последовательности выполнения команд.

В результате выполнения любой команды счетчик команд изменяется на единицу и следовательно указывает на следующую команду программы. Когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов то специальная команда перехода содержит адрес ячейки куда требуется передать управление.

вычислительный нейман кибернетика винер

Заключение

Ещё при жизни Джон фон Нейман стал легендой. Он был удостоен высших академических почестей. Был избран членом Академии точных наук (Лима, Перу), Академии деи Линчи (Рим, Италия), Американской Академии искусств и наук, Американского философского общества, Ломбардского института наук и литературы, Национальной Академии США, Нидерландской королевской академии наук и искусств, почётным доктором многих университетов в США и за рубежом.

При жизни фон Неймана часто сравнивали с безупречной логической машиной с тщательно подогнанными шестерёнками. Но мозг, его, подаривший миру столько блестящих идей, принадлежал человеку. И как все люди, фон Нейман был смертен. Он ушёл из жизни после тяжёлой болезни, измученный таявшими день ото дня надеждами на выздоровление, так и не примирившись с выводом, который задолго до кончины подсказал ему мозг. Человек, он до последней минуты надеялся. И до последней возможности, пока хватало сил, работал над рукописью книги «Вычислительная машина и мозг», которую ему так и не суждено было закончить.

К январю 1956 г. Джонни оказался прикованным к инвалидному креслу, но он продолжал принимать посетителей, требовал, чтобы его ежедневно привозили в служебный кабинет, и продолжал работать над рукописью. Силы его заметно таяли день ото дня. Все поездки и выступления мало-помалу пришлось отменить, все, кроме Силлименовских лекций. Оставалась надежда, что облучение спинного мозга позволит ему хотя бы на время собраться с силами и отправиться в Нью-Хейвен, чтобы выполнить столь много значившее для него обязательство. Но даже в расчёте на самый благоприятный исход лечения Джонни пришлось обратиться к Комитету по проведению Силлименовских чтений с просьбой сократить число лекций до одной-двух, ибо напряжение недельного цикла лекций было бы опасным в его ослабленном состоянии. К марту все ложные надежды пришлось оставить. Вопрос о том, чтобы Джонни мог куда-нибудь поехать, отпал сам собой. И снова Йельский университет с неизменной готовностью и пониманием не отменил его лекций, а предложил представить рукопись, с тем чтобы кто-нибудь мог прочитать её вместо Джонни. Несмотря на все усилия, Джонни не смог завершить работу над рукописью в намеченное время. Судьба сложилась так, что он вообще не смог закончить её.

В начале апреля Джонни положили в госпиталь Уолтера Рида, из которого он так и не вышел до самой смерти, последовавшей 8 февраля 1957 г. Незаконченная рукопись отправилась вместе с ним в госпиталь, где он предпринял ещё несколько попыток поработать над ней. Но к этому времени болезнь явно взяла верх, и даже исключительный разум Джонни оказался не в силах побороть телесную слабость.

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ.

Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название «фон-неймановской архитектуры». Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день - фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины).

По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.

Итак выделим ещё раз основные принципы предложенные фон Нейманом:

Принцип двоичного кодирования. Для представления данных и команд используется двоичная система счисления.

Принцип однородности памяти. Как программы (команды) так и данные хранятся в одной и той же памяти (и кодируются в одной и той же системе счисления -- чаще всего двоичной). Над командами можно выполнять такие же действия как и над данными.

Принцип адресуемости памяти. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Принцип последовательного программного управления. Все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно одна после завершения другой.

Принцип условного перехода. Команды из программы не всегда выполняются одна за другой. Возможно присутствие в программе команд условного перехода которые изменяют последовательность выполнения команд в зависимости от значений данных. (Сам принцип был сформулирован задолго до Джона фон Неймана Адой Лавлейс и Чарльзом Бэббиджем, однако он логически включен в фон-неймановский набор как дополняющий предыдущий принцип.)

Джон фон Нейман внес огромный вклад в развитие первых ЭВМ и разработку методов их применения. Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название «фон-неймановской архитектуры». Принципы этой архитектуры широко используются и сегодня. Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день - фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины).