フォン・ノイマンの建築：その起源の歴史

フォン・ノイマン（Phon Neumann）モデルまたはプリンストン（Princeton）アーキテクチャ と も呼ばれる フォン・ノイマン（Phon Neumann）マシン のアーキテクチャは、EDVACコンピュータの「第1プロジェクト」レポートの一環として、1945年に数学者および物理学者John von Neumannによって記述された技術に基づいています。

建築概要

フォン・ノイマンの報告書は、電子デジタル・コンピュータのアーキテクチャー・スキームを記述しています。

• 算術論理ユニット。
• プロセッサレジスタ。
• コマンドレジスタとコマンドカウンタとを含む制御ユニットと、
• データを記憶する記憶装置と、
• 外部記憶装置。
• 入力と出力のメカニズム。

開発の意味は、選択された操作データが共通のバスを共有しているため、同時に操作できないプログラムによって、コンピュータに格納された情報を使用できることでした。 これは「最初のプロジェクト」に記載されています。これは、どのような種類のアーキテクチャーであるべきかに関する科学者の考えを記述しています。 Von Neumannはこの状況を「ボトルネック」と呼び、システムのパフォーマンスを制限することがありました。

フォンノイマン建築の原理

デジタルコンピュータは、プログラム命令、読み取り、書き込みのためのデータを含むプログラムを記憶するコンピュータであり、ランダムアクセスメモリ（RAM）も含む。 John von Neumannのアーキテクチャの原則は、彼の作品「The First Project」でも述べられています。 彼によると、メモリに格納されたプログラムを持つコンピュータは、ENIACなどのコンピュータの管理よりも改善されていました。 後者は、スイッチを設定し、様々な機能ブロック間でデータルーティングおよび制御信号を導くパッチを挿入することによってプログラムされた。 現代のコンピュータの大部分では、メモリも同様に使用されています。 この場合、von Neumannのコンピュータのアーキテクチャーは、例えばメインではなくキャッシュメモリを使用するという点でハーバード社とは異なります。

先史時代

最初のコンピュータには固定された固定プログラムがありました。 非常にシンプルなコンピュータの中には、単純化または教育目的のためにこの設計を使用しているものもあります。 例えば、デスクトップ電卓は、固定プログラムを備えたコンピュータでもあります。 数学の基礎を学ぶことができますが、 ワードプロセッサ やゲーム機として使うことはできません。 マシンの固定プログラムを変更するには、マシンの再インストール、再構成または再編成が必要です。 最も初期のコンピュータは、初めてと科学的な目的のために開発されたので、あまり狭くはありませんでした。 後で再プログラミングが行われ、ブロックダイアグラムや紙幣から始まり、詳細な技術プロジェクトで終わる、時間のかかるプロセスでした。 特に困難なのは、機械修復のチャンネルを物理的に近代化するプロセスでした。 ENIACにプログラムをインストールして動作させるには、3週間かかります。

新しいアイデア

メモリにプログラムを格納するコンピュータの提案により、すべてが変わった。 メモリに格納され、一連の命令を含むデザインです。 そのため、マシンはすぐに計算を実行するための一連のコマンドを取得できます。

そのようなプログラムの設計は自己修正コードを参照します。 そのようなオブジェクトの最初の設定の1つは、コマンドのアドレス部分を増やしたり、変更したりするためのアルゴリズムの必要性でした。 これは初期の設計では手動で行った。 これは、索引レジスタと間接アドレッシングが、ジョン・フォン・ノイマンのコンピュータ・コンピュータのコンピュータ・アーキテクチャーが所有する通常の特性となったとき、あまり重要ではなくなりました。 もう1つの用途は、頻繁に使用されるデータを直接のソリューションを使用してコマンドフローに挿入することです。 しかし、自己修正コードは、通常は理解してデバッグするのが難しいため、非常に批判されています。 さらに、最新のプロセッサーの再生方式やキャッシュ方式に関しては非効率的でもありました。

全体として、命令をデータとして扱う能力は、可能な自動プログラミングオブジェクトを有するアセンブラ、コンパイラ、ビルダー、ローダおよび他のツールが行うことである。 つまり、プログラムを書くプログラムを書くことです。 より小さい規模では、現代の3Dグラフィックスにおけるプリミティブまたはピクセルおよび頂点シェーダの画像を伴うBitBlt操作のような繰り返しの集中的な入力および出力操作は、ユーザ機器なしでは効果がないことが判明している。

メモリに格納されたプログラムの概念の開発

数学者の アラン・チューリングは、 ケンブリッジ大学のマックス・ニューマンの講義後に数学的論理の問題に興味を持ち、1936年に記事を書いた。それはロンドン数学協会の刊行物に掲載されている。 その中で、彼は "ユニバーサルコンピューティングマシン"と呼ばれ、ユニバーサルチューリングマシンとして知られている仮想マシンを説明しました。 それには、命令とデータの両方を含む無限の倉庫（現代の用語では - メモリ）があり、それに対して与えられたアーキテクチャが作成されました。 フォン・ノイマンは、1935年にケンブリッジで客員教授を務めた当時、また1936-1937年にプリンストン（ニュージャージー州）の高等研究所の博士論文を守っていた時にチューリングに会った。

お互いにかかわらず、ペンシルベニア大学の電気工学学校でENIACを開発したJi Presper EckertとJohn Mauchlyは、1943年12月にこのプログラムを記憶に残したマシンの概念について書きました。 Eckertは、新しいマシン、EDVACを計画しているとき、1944年1月に、金属水銀を遅らせることによってメモリアドレッシングを備えた新しいデバイスにデータとプログラムを保存すると書いていました。 これは、メモリにプログラムを格納する機械の構築が提案されたのは初めてであった。 同時に、彼とMauchlyはTuringの仕事を知らなかった（下の写真）。

コンピュータアーキテクチャ：フォンノイマン原理

フォンノイマンはロスアラモス国立研究所のマンハッタンプロジェクトに参加していましたが、膨大な計算量が必要でした。 これは1944年の夏に彼をENIACプロジェクトに引き寄せました。 そこで彼はEDVACコンピュータの開発に関する議論に参加しました。 このグループの枠組みの中で、彼はEckertとMauchlyの研究に基づいて、「EDVACに関する最初のドラフト報告書」という論文を書いた。 同僚のGoldsteinがvon Neumannという名前のプロジェクトを回覧したときには不完全でした（ところで、EckertとMauchlyはこのようなニュースで唖然としました）。 この文書は、アメリカとヨーロッパの数多くのフォン・ノイマンの同僚によって読まれ、コンピュータ開発の次の段階に大きな影響を与えました。

「最初のプロジェクト」で述べられたフォン・ノイマンのアーキテクチャの基本原則は広く普及しており、チューリングは電子計算機に関する報告書を取り上げました。これはエンジニアリングとプログラミングで詳しく説明されています。 著者には、自動計算エンジン（ACE）と呼ばれるマシンのプレゼンテーションが含まれていました。 彼は1946年にイギリス国立物理研究所の執行委員会に発表しました。 しばらくすると、ACE設計のさまざまな成功した実装が行われました。

プロジェクト実施の開始

フォン・ノイマンのデザインとチューリングの文書の両方は、特定のプログラムを記憶しているコンピュータを説明しているが、フォン・ノイマンの論文は社会でより多くの循環を辿り、コンピュータ・アーキテクチャはジョン・フォン・ノイマンのアーキテクチャとして知られるようになった。

最初のENIACが建設されたフィラデルフィアのエンジニアリングスクールで働いていたノイマン教授は、1945年に同僚のグループのためにデジタルコンピュータの論理設計に関するレポートを発行しました。 このレポートには、EDVACとして知られるようになったマシンの設計に関するかなり詳細な提案が含まれています。 それは最近アメリカに設立されたばかりでしたが、この報告書はフォンノイマンにEDSACを創造するよう促しました。

マニアックとジョニャック

1947年、Berks、Goldstein、von Neumannは別の報告書を発表しました。これは非常に高速で、1秒間に最大20,000回の操作が可能な別のタイプの機械（今回は並行）の建設をカバーしています。 彼らは、それを構築する際に解決されていない問題は、適切なメモリの開発であり、その全体の内容はすぐに利用可能でなければならないと指摘した。 最初に彼らはPrinceton Laboratoryで考案されたSelectronと呼ばれる特別な真空管を使用することを提案しました。 このようなパイプは高価であり、特にこのアーキテクチャを使用する場合には非常に困難です。 フォン・ノイマンはその後、ウィリアムズの記憶に基づいて機械を作ることにしました。 プリンストンで1952年6月に完成したこの機械は、広く知られているMANIAC（または単にマニアックス）になりました。 そのデザインは、クリエイターがアメリカで現在構築されている類似のデバイスを半ダース以上設計するよう促し、喜んでJohniacsと呼ばれています。

創造の原則

自動電子計算技術の開発と改良を具体化した最新のデジタルコンピュータの1つが、英国電気の多くの生産技術者の助けを借りて数学者、電子工学者、研究者の小さなグループによって設計されたTeddingtonのNational Physical Laboratoryで実証されました会社株式会社 装置はまだ実験室にありますが、自動計算エンジンと呼ばれるはるかに大きな設備のプロトタイプとしてのみ使用されます。 しかし、比較的小さい質量とわずか800個の熱電子バルブの内容にもかかわらず、非常に高速で普遍的な計数機です。

機械で計算する基本的な概念と抽象原則は、1936年早々に同じLondon Mathematical SocietyのもとでTuring博士によって策定されましたが、英国の機械での作業は戦争によって遅れました。 1945年には、このようなデバイスを作成する問題の考察は、数学の研究室の教授であるVormsley博士の国立物理実験室で続けられました。 彼は専門家の小さなスタッフとTuringに加わり、1947年までに予備計画が進んで特別なグループの創設を正当化しました。

フォンノイマン建築の最初のコンピュータ

最初のプロジェクトでは、多くの大学や企業がコンピュータを構築するために使用されているスキームについて説明しています。 その中で、ILLIACとORDVACだけが互換性のある命令セットを持っていました。

古典的なフォン・ノイマンの建築は、マンチェスター大学の「ベイビー」というニックネームのマンチェスター・スモール・エクスペメーション・マシン（SSEM）に組み込まれました。このマシンは、1948年6月21日、

このタイプの最初の実用的な電子コンピュータであるケンブリッジ大学のEDSACは、1949年5月に初めて成功しました。

作成されたモデルの開発

IBM SSECは命令をデータと見なす能力を持ち、1948年1月27日に公に実証されました。 この能力は、米国特許で承認された。 しかし、それは部分的に電気機械であり、完全に電子的ではありませんでした。 実際には、メモリが限られているため、紙テープから命令が読み取られました。

Babyは、ストアドプログラムを実行する最初の完全な電子コンピュータでした。 彼は分裂と計算の簡単な計算を開始した後、1948年6月21日に52分間、ファクタリングプログラムを実行した。これは、2つの数字が互いに素であることを示している。

ENIACは、読み込み専用の基本的なコンピュータとして動作するように変更されましたが、同じアーキテクチャーで1948年9月16日にデモされ、von Neumannの助けを借りて組織されたプログラムAdel Goldsteinの立ち上げが行われました。

BINACは1949年2月、3月、4月にいくつかのテストプログラムを実施したが、1949年9月まで完了しなかった。 さらに、このアーキテクチャが固有の他の電子計算機のテスト開始（いくつかは成功したもの）がありました。 フォン・ノイマンは、マンハッタンのプロジェクトに引き続き取り組んでいます。 これは普遍的な人物です。

バスアーキテクチャシステムの進化

何十年にもわたって60年代と70年代にかけて、コンピュータ全体が小型化・高速化し、ノイマン・フォン氏のもとにあるコンピュータ・アーキテクチャーが進化したいくつかの進化がもたらされました。 例えば、入力および出力メモリのディスプレイは、対応するデバイス、データ、および処理されるシステムへの統合のための命令がメモリ内に残ることを可能にする。 1つのバスシステムを使用して、より少ないモジュールシステムを提供することができます。 これは、建築の「合理化」と呼ばれることもあります。 その後の数十年間、単純なマイクロコントローラは、コストとサイズを削減するために、典型的なモデルのいくつかの機能を使用しないことがあります。 しかし、大型のコンピュータは、パフォーマンスを向上させる機能を追加したため、既存のアーキテクチャに準拠しています。