Dílo Johna von Neumanna

John von Neumann

John von Neumann se narodil v Budapešti 28. prosince 1903 v bohaté bankovní rodině povýšené na maďarskou šlechtu. Od raného věku projevoval velký intelekt a byl označen za zázračné dítě. Ve věku 6 let von Neumann mohl mluvit starořečtinou a rozdělit mu v hlavě pár 8místných čísel a do 8 let se naučil diferenciální a integrální počet. Když bylo von Neumannovi 15 let, jeho otec zařídil, aby mu Gábor Szegő sloužil jako soukromý učitel matematiky. Na své první lekci se slavný matematik Szegő rozplakal poté, co sledoval rychlost a schopnosti mladého von Neumanna. Kromě těchto neuvěřitelných výkonů měl von Neumann fotografickou paměť a dokázal recitovat celé romány od slova do slova.

Von Neumann absolvoval dvouletý certifikát chemie na univerzitě v Berlíně a doktorát z matematiky na univerzitě Pázmány Péter. Po ukončení doktorského studia odešel von Neumann na univerzitu v Göttingenu ke studiu u Davida Hilberta, jednoho z významných matematiků, jehož práce pomohla vyvinout počítač. Poté von Neumann odešel na Princetonskou univerzitu, aby přijal doživotní jmenování do Institutu pro pokročilé studium. Jeho kancelář byla několik dveří od kanceláře Alberta Einsteina a Einstein si stěžoval, že von Neumann hraje na jeho kancelářském fonografu příliš hlasitě německou pochodovou hudbu.

Během pobytu v Princetonu byl von Neumann přiveden k práci na projektu Manhattan. Podnikl mnoho cest do laboratoře v Los Alamos, aby sledoval vývoj atomových zbraní, a byl rozhodující v mnoha fázích návrhu a konstrukce dvou jaderných zbraní, které spadly na Japonsko. Byl očitým svědkem prvního testu atomové bomby 16. července 1945 a sloužil ve výboru, jehož úkolem bylo rozhodovat, která dvě japonská města budou cílem bomby. Pro jeho zapojení do projektu Manhattan se von Neumann stal možná největší inspirací pro postavu Dr. Strangelove ve stejnojmenném filmu Stanleyho Kubricka.

Dr. Divná láska

Kolem doby, během níž pracoval na atomové bombě, začal von Neumann pracovat na myšlenkách, které by tvořily základ počítačové vědy. Von Neumann se setkal s Alanem Turingem před lety a zprávy naznačují, že von Neumann byl ovlivněn Turingovým dokumentem „On Computable Numbers.„Jistě, díky své předchozí práci s Hilbertem byl von Neumann ve skvělé pozici, aby uznal význam Turingova díla.

V roce 1945, v závěrečných fázích své práce na projektu Manhattan, von Neumann řekl přátelům a kolegům, že přemýšlí o ještě důslednější práci. Když byl ve vlaku do Los Alamos, napsal von Neumann dokument s názvem „První návrh zprávy o EDVAC“. Tento 101stránkový dokument obsahuje návrh architektury von Neumann, která od svého zavedení zůstává dominantním paradigmatem v počítačové architektuře. Architektura von Neumann je obvykle spojena s konceptem počítače uloženého programu, ale zahrnuje také čtyřdílný navržený design, který se liší od ostatních konceptů uloženého programu.

Nejdůležitější je, že architektura von Neumann je počítač s uloženým programem. Počítače s uloženým programem používají jednu paměťovou jednotku k ukládání počítačových programů i dat, která počítačové programy berou jako vstup. Návrh uloženého programu je obvykle v kontrastu s architekturou Harvard, která k ukládání počítačového programu a dat programu používá samostatné paměťové jednotky.

Myšlenku architektury uloženého programu mlčky navrhla Turingova práce na univerzálních Turingových strojích, protože tyto stroje jsou teoretickými verzemi počítačů s uloženým programem. Von Neumann však poznal hodnotu výslovného inženýrství této vlastnosti v počítačích. Alternativní metody programování počítačů vyžadovaly ruční zapojení nebo přepojení obvodů počítače, což byl proces tak náročný na práci, že počítače byly často konstruovány pro jednu funkci a nikdy nebyly přeprogramovány. S novým designem se počítače staly snadno přeprogramovatelnými a schopnými implementovat mnoho různých programů; muselo však být povoleno řízení přístupu, aby se zabránilo určitým typům programů, jako jsou viry, v přeprogramování důležitého softwaru, jako je operační systém.

Nejznámější konstrukční omezení architektury von Neumann se nazývá „úzké místo von Neumann“. Zúžení von Neumann je způsobeno architekturou uloženého programu, protože data a program sdílejí stejnou sběrnici s centrální procesorovou jednotkou. Přenos informací z paměti do CPU je obvykle mnohem pomalejší než skutečné zpracování v CPU. Návrh von Neumann zvyšuje množství požadovaného přenosu informací, protože je třeba přenést počítačový program i data programu do CPU. Jednou z nejlepších metod zmírnění tohoto problému bylo použití mezipaměti CPU. Mezipaměti CPU slouží jako prostředníci mezi hlavní pamětí a CPU. Tyto mezipaměti CPU poskytují malé množství rychle přístupné paměti poblíž jádra procesoru.

Architektura von Neumann se skládá ze čtyř částí: řídicí jednotka, procesorová jednotka (včetně aritmetické a logické jednotky (ALU)), paměťová jednotka a vstupní / výstupní mechanismy. Mechanismy vstupu / výstupu zahrnují standardní zařízení spojená s počítači, včetně klávesnic jako vstupů a obrazovek jako výstupů. Vstupní mechanismy zapisují do paměťové jednotky, která ukládá počítačové programy a data programu. Řídicí jednotka a procesorová jednotka zahrnují centrální procesor. Řídicí jednotka řídí centrální zpracování podle pokynů, které přijímá. Procesorová jednotka obsahuje ALU, která provádí základní aritmetické nebo bitové operace s řetězcem bitů. ALU může vykonávat mnoho různých funkcí; proto je funkcí řídicí jednotky nasměrovat ALU tak, aby prováděla správnou funkci na správném řetězci.

Von Neumannova architektura

Po jeho zavedení se architektura von Neumann stala standardní počítačovou architekturou a architektura Harvard byla odsunuta na mikrokontroléry a zpracování signálu. Architektura von Neumann se dodnes používá, ale novější a komplikovanější návrhy inspirované architekturou von Neumann zastínily původní architekturu z hlediska popularity.