馮·諾依曼的建築：這個詞的起源的歷史

馮·諾依曼機器的結構， 也稱為馮·諾依曼模型，或普林斯頓建築，基於數學家和物理學家約翰·馮·諾伊曼（John von Neumann）所描述的技術，作為EDVAC計算機“第一個項目”報告的一部分。

建築大綱

馮·諾依曼報告描述了一種電子數字計算機的架構方案，其中包含以下各項的處理單元：

• 算術邏輯單元;
• 處理器寄存器
• 包含命令寄存器和命令計數器的控制單元;
• 一種用於存儲數據的存儲裝置;
• 外部存儲設備;
• 輸入和輸出機制。

開發的意義在於存儲在計算機上的任何信息都可以由所選擇的操作數據不能同時播放的程序使用，因為它們共享公共總線。 這在“第一個項目”中提到，它描述了科學家對什麼樣的架構應該是什麼的想法。 馮·諾依曼稱這種情況是一個“瓶頸”，通常會限制系統性能。

馮·諾依曼建築學原理

數字計算機是存儲包含程序指令，用於讀取，寫入的數據的程序的計算機，並且還包括隨機存取存儲器（RAM）。 約翰·馮·諾依曼（John von Neumann）的建築原理也在他的作品“第一個項目”中闡述。 據他介紹，存儲在存儲器中的程序的計算機比對ENIAC等計算機的管理有所改進。 後者通過設置開關和插入導致各種功能塊之間的數據路由和控制信號的補丁進行編程。 在絕大多數現代電腦中，記憶也以類似的方式使用。 在這種情況下，馮·諾依曼（ Von Neumann）的計算機的體系結構與哈佛（Harvard）不同，因為它不是主要的，而是緩存。

史前

第一台電腦固定了固定程序。 一些非常簡單的電腦仍然使用這種設計為簡單或教育目的。 例如，桌面計算器也是具有固定程序的計算機。 它可以與數學的基礎工作，但它不能用作 文字處理器 或遊戲機。 更改固定機器程序需要重新安裝，重組或重組機器。 最早的計算機並不那麼狹隘，因為它們是第一次開發和用於科學目的。 重新編程後來出現，這是一個耗時的過程，從框圖和紙幣開始，到詳細的技術項目結束。 機器恢復通道的物理現代化特別困難。 在ENIAC安裝程序可能需要三個星期，並嘗試使其工作。

一個新的想法

隨著計算機存儲程序在內存中的建議，一切都改變了。 存儲在內存中，它們是具有一組指令的設計。 因此，機器可以立即獲取一組命令來執行計算。

這種程序的設計是指自修改代碼。 用於這樣一個對象的第一個安裝之一是需要一種算法來增加或改變命令的地址部分。 它是在早期設計中手動完成的。 當索引寄存器和間接尋址成為約翰·馮·諾依曼計算機擁有的計算機體系結構的常見特徵時，這一點變得不那麼重要。 另一個用途是使用即時解決方案將常用數據插入到命令流中。 但自修改代碼受到嚴重的批評，因為通常難以理解和調試。 此外，現代處理器的播放和緩存方案也是效率低下的。

總體來說，將指令視為數據的能力是彙編程序，編譯器，構建器，加載程序和其他具有可能的自動編程對象的工具。 所以說，寫程序寫程序。 在較小規模的情況下，重複的密集輸入和輸出操作（如BitBlt操作與現代3D圖形中的原始或像素和頂點著色器的圖像）已被發現無效用於沒有用戶設備的工作。

開發存儲在內存中的程序的概念

數學家 艾倫圖靈 在劍橋大學麥克斯紐曼先生講課後對數學邏輯問題感興趣，於1936年撰寫了該文章，發表在倫敦數學學會的刊物上。 在此，他描述了一台假想機器，他稱之為“通用計算機”，現在被稱為通用圖靈機。 它有一個無限的倉庫（現代術語 - 記憶），其中包含指定和數據，給定的體系結構被創建。 馮·諾依曼在1935年擔任劍橋的客座教授時，以及1936 - 1937年普林斯頓大學高級研究所博士論文的辯護期間，圖恩見了圖靈。

無論彼此如何，在賓夕法尼亞大學電氣工程學院開發的ENIAC的Ji Presper Eckert和John Mauchly在1943年12月寫了一個存儲程序的機器的概念。 在計劃新機時，EDVAC Eckert在1944年1月寫道，她將通過延遲金屬汞將數據和程序存儲在具有存儲器尋址的新設備中。 這是第一次建議在存儲器中存儲程序的機器。 同時他和Mauchly也不知道圖靈的作品（下圖）。

計算機體系結構：馮諾依曼原則

馮·諾依曼參與了洛斯阿拉莫斯國家實驗室的曼哈頓計劃，需要大量的計算。 這吸引了他到1944年夏天的ENIAC項目。 在那裡，他加入了關於EDVAC計算機發展的討論。 根據Eckert和Mauchly的工作，他在這個小組的框架內寫了一篇題為“EDVAC第一份報告草案”的論文。 當他的同事戈德斯坦分享了一個名叫馮·諾依曼的項目（順便說一句，埃克特和莫赫利被這樣的消息愚弄），這是不完整的。 本文由美國和歐洲的幾十名馮·諾依曼（Von Neumann）同事閱讀，對下一個計算機開發階段產生了重大影響。

“第一個項目”中提出的馮·諾依曼建築的基本原理得到廣泛的普及，而圖靈涵蓋了他在電子計算器上的報告，這在工程和程序設計中有詳細描述。 它包含作者對機器的介紹，稱為自動計算引擎（ACE）。 他於1946年提交英國國家物理實驗室執行委員會。 過了一會兒，甚至進行了ACE設計的各種成功實施。

項目實施開始

馮·諾依曼的設計和圖靈的文件描述了將某個程序存儲在內存中的計算機，但是馮·諾依曼的文章在社會上得到了更多的流通，計算機架構被稱為約翰·馮·諾依曼的建築。

1945年，Neumann教授曾在費城工程學院工作，這是首個ENIAC建成的公司，代表一群同事發表了數字計算機邏輯設計報告。 該報告包含一個相當詳細的機器設計方案，此後已被稱為EDVAC。 只是最近才在美國成立，但該報告啟發了馮·諾依曼創建EDSAC。

瘋子和Joniacs

1947年，伯克斯，戈德斯坦和馮·諾依曼發表了另一份報告，其中介紹了另一種類型的機器（這個時間平行）的構建，這個機器應該是非常快的，每秒可以執行20,000次操作。 他們指出，構建這個問題的一個未解決的問題是開發適當的記憶，其內容應該立即可用。 首先，他們建議使用名為Selectron的特殊真空管，該真空管是在普林斯頓實驗室發明的。 這樣的管道是昂貴的，並且使它們變得非常困難，特別是如果使用這種結構。 馮·諾依曼隨後決定根據威廉姆斯的記憶建立一台機器。 這台機器於1952年6月在普林斯頓完成，成為廣為人知的MANIAC（或簡稱Maniacs）。 它的設計激發了創作者設計出六個或更多類似的設備，這些設備現在在美國建造，並被稱為漫畫Johniacs。

創作原則

體現自動電子計算技術發展和改進的最現代數字電腦之一，在Teddington的國家物理實驗室得到體現，該研究所由少數數學家，電子工程師和研究人員在英國電力公司的一些生產工程師的協助下設計製造。有限公司 設備仍然在實驗室，但只是作為一個更大的安裝的原型，這被稱為自動計算引擎。 但是，儘管質量相對較小，只有800個熱離子閥的含量，它是一種非常快速和通用的計數機。

機器計算的基本概念和抽象原則早在1936年就在同一個倫敦數學學會的基礎上，由圖靈博士制定，但在英國這樣的機器工作卻被推遲了。 1945年，數學系主任Vormsley博士在國家物理實驗室繼續考慮創建這種裝置的問題。 他與他的小專業人員一起加入圖靈，到了1947年，初步規劃進展順利，成立了一個專門小組。

馮諾依曼建築的第一台電腦

第一個項目描述了一個被許多大學和公司用於構建計算機的計劃。 其中只有ILLIAC和ORDVAC具有兼容的指令集。

經典的馮·諾伊曼建築體現在曼徹斯特小型實驗機（SSEM）中，綽號為曼徹斯特大學的寶貝，該系統首次成功發射，作為1948年6月21日存儲該程序的設備。

劍橋大學的EDSAC是這種類型的第一台實用電子計算機，於1949年5月首次成功啟動。

開發創建的模型

IBM SSEC有能力查看指令作為數據，並在1948年1月27日公開展示。 該能力在美國專利中獲得批准。 然而，它部分是機電機器，而不是完全電子的。 實際上，由於記錄有限，因此從紙帶讀取指令。

寶貝是第一台運行存儲程序的全電子計算機。 他在開始一個簡單的計算和計算之後，於1948年6月21日進行了保理計劃52分鐘，這表明兩個數字是相對的。

ENIAC被修改為僅作為原始計算機操作，但是對於相同的架構，並在1948年9月16日被證明，並且在馮·諾依曼的幫助下，Adel Goldstein計劃的推出。

BINAC在1949年2月，3月和4月進行了幾個測試計劃，儘管到1949年9月才完成。 此外，還有其他電子計算機的測試啟動（一些成功的），這種架構是固有的。 順便說一下，馮·諾依曼繼續在曼哈頓的項目上工作。 這是一個普遍的人。

總線架構系統的演進

幾十年來，已經在六十年代和七十年代，電腦整體變得越來越小，導致了馮·諾依曼（Von Neumann）進行的計算機架構的一些演變。 例如，輸入和輸出存儲器中的顯示允許相應的設備，數據和指令集成到要處理的系統中，以保持在存儲器中。 一個總線系統可用於提供更少的模塊化系統。 這有時被稱為建築的“合理化”。 在接下來的幾十年中，簡單的微控制器有時不會使用典型模型的某些特性來降低成本和尺寸。 但大型計算機遵循已建立的架構，因為它們增加了功能來提高性能。