Сақталған бағдарламалы компьютердің алғашқы сипаттамасы

Кіріспе

Сақталған бағдарламалы компьютердің алғашқы жарияланған сипаттамасы

EDVAC туралы баяндаманың бірінші жобасы (көбінесе Бірінші жоба деп қысқартылады) – Джон фон Нейман жазған және 1945 жылғы 30 маусымда құпия ENIAC жобасының қауіпсіздік офицері Герман Голдстин таратып жүрген 101 беттік толық емес құжат. Онда сақталған бағдарлама тұжырымдамасын қолдана отырып, компьютердің логикалық дизайнының алғашқы жарияланған сипаттамасы бар, ол фон Нейман архитектурасы деп белгілі болды; фон Нейманның басқа да үлес қосушыларды атамауы салдарынан бұл атау даулы болып кетті.

Тарих

Фон Нойман Лос-Аламосқа (Нью-Мексико) пойызбен бара жатып, баяндаманы қолмен жазып, жазылған жазбаларын Филадельфияға жіберді. Голдстайн баяндаманы теріп, көшірді. Теңгештелген есепте 30 маусым деп көрсетілгенімен, алғашқы нұсқаның 24 данасы EDVAC жобасымен тығыз байланысты адамдарға 25 маусымда, бес күн бұрын таратылды. Баяндамаға болған қызығушылық оны бүкіл әлемге таратты; Кембридж университетінің Морис Уилкс баяндаманың мазмұнына деген қуанышының өзінің 1946 жылғы жазда Мур мектебінің лекцияларына АҚШ-қа бару шешіміне түрткі болғанын айтты.

Қысқаша мазмұны

Фон Нейман "өте жоғары жылдамдықты автоматты цифрлық есептеу жүйесінің" толыққанды дизайнын сипаттайды. Ол оны алты негізгі бөлімге бөледі: орталық арифметикалық бөлім, CA; орталық басқару бөлімі, CC; жад, M; кіріс, I; шығыс, O; және (баяу) сыртқы жад, R, мысалы, перфокарталар, телетайп лентасы немесе магниттік сым немесе болат лента. CA қосу, алу, көбейту, бөлу және квадрат түбірді орындайды. Логарифмдер және тригонометриялық функциялар сияқты басқа математикалық операциялар кестелерді қарастыру және интерполяция арқылы, мүмкін екікүндік интерполяциямен жасалуы керек. Ол көбейту мен бөлуді логарифм кестелерімен жасауға болатынын, бірақ кестелерді жеткілікті кішкентай ұстау үшін интерполяция қажет екенін, ал ол өз кезегінде көбейтуді талап етеді, бірақ бәлкім, азырақ дәлдікпен. Сандар екілік нотацияда көрсетіледі. Ол 27 екілік цифрдың (ол 1948 жылы Клод Шеннон енгізген "бит" терминін қолданбады) жеткілікті болады деп есептейді (ондық разрядқа дейін 8 дәлдік береді), бірақ сандарды командалардан ажырату үшін таңба битімен және битпен 30 биттік сандарға дейін дөңгелектейді, нәтижесінде ол "кіші цикл" деп атайтын 32 биттік сөз пайда болады. Екілік толықтыру арифметикасы қолданылады, бұл алу амалын жеңілдетеді. Көбейту мен бөлу үшін ол екілік нүктені таңба битінен кейін орналастыруды ұсынады, яғни барлық сандар -1 мен +1 аралығында қарастырылады, сондықтан есептеу мәселелері тиісінше масштабталуы керек.

Сұлбаның құрылысы

Вакуумдық түтіктер релелердің орнына қолданылады, себебі түтіктер 10 миллисекундқа қарағанда бір микросекундта жұмыс істей алады. Фон Нейман (Sec. 5.6) компьютерді мүмкіндігінше қарапайым ұстауды, операцияларды үстемелеу арқылы өнімділікті арттыруға тырыспауды ұсынады. Арифметикалық операциялар бір уақытта бір бинарлық цифрдан орындалуы керек. Ол екі бинарлық цифрды қосуға бір микросекунд кеткенін, демек 30 биттік көбейту шамамен 302 микросекунд немесе шамамен бір миллисекундқа созылатынын, сол кездегі кез келген есептеу құрылғысынан әлдеқайда жылдам болатынын есептейді. Фон Нейманның дизайны «E элементтері» деп аталатын құрылғыларға негізделген, олар биологиялық нейронды модельдеуге арналған, бірақ ол бір немесе екі вакуумдық түтіктерді пайдаланып құрастырылатын цифрлық құрылғылар болып табылады. Қазіргі заманғы терминдермен айтқанда, оның ең қарапайым E элементі – кері кірісі бар (тежеу кірісі) екі кірісті ЖӘНЕ қақпасы. Көбірек кірісі бар E элементтері шекті мәнмен байланысты және оң кіріс сигналдарының саны шекті мәнге жеткенде немесе одан асқанда шығыс береді, егер (бір ғана) тежеу желісі импульс бермесе. Ол көбірек кірісі бар E элементтерін ең қарапайым нұсқадан құрастыруға болатынын айтады, бірақ оларды тікелей вакуумдық түтікшелік тізбектер ретінде құрастыруды ұсынады, себебі оған аз түтікшелер қажет болады. Осы E элементтерінен күрделірек функционалдық блоктар құрылуы керек. Ол осы E элементтерін қосу, алу, көбейту, бөлу және квадрат түбірді табу, сондай-ақ екі күйлі жад блоктары мен басқару тізбектерін құру үшін қалай қолдануға болатынын көрсетеді. Ол Бульдік логика терминологиясын қолданбайды. Тізбектер вакуумдық түтікше осцилляторынан алынған бас жүйелік сағатпен синхронды болуы керек, мүмкін кристаллмен басқарылатын. Оның логикалық схемаларында уақыт бірлігінің кешігуін көрсету үшін жебе басы символы бар, себебі синхронды жобада уақыт кешігулері ескерілуі керек. Ол бір микросекундта электр импульсі 300 метрді қозғалатынын атап өтеді, сондықтан сағаттың жылдамдығы әлдеқайда жоғары болғанша, мысалы, секундына 108 цикл (100 МГц), сымның ұзындығы мәселе тудырмайды. Қателерді анықтау және түзету қажеттілігі айтылады, бірақ толыққанды түсіндірілмейді.

Vacuum tubes are to be used rather than relays due to tubes' ability operate in one microsecond vs. 10 milliseconds for relays. Von Neumann suggests (Sec. 5.6) keeping the computer as simple as possible, avoiding any attempt at improving performance by overlapping operations. Arithmetic operations are to be performed one binary digit at a time. He estimates addition of two binary digits as taking one microsecond and that therefore a 30 bit multiplication should take about 302 microseconds or about one millisecond, much faster than any computing device available at the time. Von Neumann's design is built up using what he call "E elements," which are based on the biological neuron as model, but are digital devices which he says can be constructed using one or two vacuum tubes. In modern terms his simplest E element is a two input AND gate with one input inverted (the inhibit input). E elements with more inputs have an associated threshold and produce an output when the number of positive input signals meets or exceed the threshold, so long as the (only) inhibit line is not pulsed. He states that E elements with more inputs can be constructed from the simplest version, but suggests they be built directly as vacuum tube circuits as fewer tubes will be needed. More complex function blocks are to be built from these E elements. He shows how to use these E elements to build circuits for addition, subtraction, multiplication, division and square root, as well as two state memory blocks and control circuits. He does not use Boolean logic terminology. Circuits are to be synchronous with a master system clock derived from a vacuum tube oscillator, possibly crystal controlled. His logic diagrams include an arrowhead symbol to denote a unit time delay, as time delays must be accounted for in a synchronous design. He points out that in one microsecond an electric pulse moves 300 meters so that until much higher clock speeds, e. g. 108 cycles per second (100 MHz), wire length would not be an issue. The need for error detection and correction is mentioned but not elaborated.

Жад құрылымы

Кейіннен Фон Нейман архитектурасы деп аталатын негізгі дизайн тұжырымдамасы – сандар (деректер) мен бұйрықтар (нұсқаулар) бар бірыңғай жад. "Құрылғыға едәуір жад қажет. Осы жадтың әртүрлі бөліктері олардың табиғаты мен мақсаттары жағынан біршама өзгеше функцияларды орындауы керек деп табылса да, бүкіл жадты бір орган ретінде қарастыруға және оның бөліктерін жоғарыда санамаланған әртүрлі функциялар үшін мүмкіндігінше бір-біріне ауыстырып отыруға ұмтылуға болады". (Бөлім 2.5) "CC-ге келіп түскен бұйрықтар M-ден, яғни сандық материал сақталатын сол жерден келеді". (Бөлім 14.0) Фон Нейман математикалық мәселелердің бірнеше кластарына, соның ішінде қалыпты және дербес дифференциалдық теңдеулерге, сұрыптау және ықтималдық тәжірибелеріне негізделген жадтың қажетті көлемін бағалайды. Олардың ішінде екі өлшемді және уақытпен дербес дифференциалдық теңдеулер ең көп жадты қажет етеді, ал үш өлшемді және уақыт сол кездегі технология мүмкіндіктерінен асып түседі. Ол жад жүйенің ең үлкен бөлімшесі болады деген қорытындыға келеді және жобалау мақсаты ретінде 32 битті 8192 кіші циклді (сөзді) ұсынады, ал 2048 кіші цикл әлі де пайдалы болады. Оның пікірінше, бағдарламаны сақтау үшін бірнеше жүздеген кіші цикл жеткілікті. Ол жылдам жадтың екі түрін ұсынады: кешіктіру желісі және иконоскоп түтігі. Әрбір кіші цикл бірлік ретінде қарастырылады (сөздік адрестеу, Бөлім 12.8), ал нұсқаулар тізбектеп орындалады, жадтағы басқа нүктеге ауысу үшін арнайы нұсқаумен (яғни, секіру нұсқауы). Кешіктіру желісіндегі екілік цифрлар желі арқылы өтеді және бастапқы нүктеге қайтарылады. Кешіктіру желісіндегі деректерге қол жеткізу үшін қажетті деректердің қайтадан келуін күтуге уақыт жұмсалады. Осы уақыттық мәселелерді талдағаннан кейін ол кешіктіру желісі жадын 256 кешіктіру желісі "органына" (DLA) ұйымдастыруды ұсынады, әрқайсысы 1024 битті немесе 32 кіші циклді сақтайды, бұл негізгі цикл деп аталады. Жадқа қол жеткізу алдымен DLA-ны (8 бит) таңдайды, содан кейін DLA ішіндегі кіші циклді (5 бит), барлығы 13 адрес биті. Иконоскоп жады үшін ол түтік бетіндегі әрбір сканерлеу нүктесінің конденсатор екенін және конденсатор бір бит сақтай алатынын мойындайды. Мұндай жадқа өте жоғары дәлдікте сканерлеу қажет, және жадтың қызмет ету мерзімі қысқа болады, мүмкін бір секундқа ғана созылады, сондықтан оны мерзімді түрде қайтадан жаңарту (жаңарту) қажет болады.

A key design concept enunciated, and later named the Von Neumann architecture, is a uniform memory containing both numbers (data) and orders (instructions). "The device requires a considerable memory. While it appeared that various parts of this memory have to perform functions which differ somewhat in their nature and considerably in their purpose, it is nevertheless tempting to treat the entire memory as one organ, and to have its parts even as interchangeable as possible for the various functions enumerated above." (Sec. 2.5)

"The orders which are received by CC come from M, i. e. from the same place where the numerical material is stored." (Sec. 14.0)

Von Neumann estimates the amount of memory required based on several classes of mathematical problems, including ordinary and partial differential equations, sorting and probability experiments. Of these, partial differential equations in two dimensions plus time will require the most memory, with three dimensions plus time being beyond what can be done using technology that was then available. He concludes that memory will be the largest subdivision of the system and he proposes 8,192 minor cycles (words) of 32 bits as a design goal, with 2,048 minor cycles still being useful. He estimates a few hundred minor cycles will suffice for storing the program. He proposes two kinds of fast memory, delay line and iconoscope tube. Each minor cycle is to be addressed as a unit (word addressing, Sec. 12.8). Instructions are to be executed sequentially, with a special instruction to switch to a different point in memory (i. e. a jump instruction). Binary digits in a delay line memory pass through the line and are fed back to the beginning. Accessing data in a delay line imposes a time penalty while waiting for the desired data to come around again. After analyzing these timing issues, he proposes organizing the delay line memory into 256 delay line "organs" (DLAs) each storing 1024 bits, or 32 minor cycles, called a major cycle. A memory access first selects the DLA (8 bits) and then the minor cycle within the DLA (5 bits), for a total of 13 address bits. For the iconoscope memory, he recognizes that each scan point on the tube face is a capacitor and that a capacitor can store one bit. Very high precision scanning will be needed and the memory will only last a short time, perhaps as little as a second, and therefore will need to be periodically recopied (refreshed).

Бұйрықтар (нұсқаулар)

14.1-бөлімде фон Нейман бұйрықтардың форматын ұсынады, оны ол код деп атайды. Бұйрық түрлеріне негізгі арифметикалық амалдар, CA мен M арасындағы кіші циклдарды жылжыту (қазіргі терминдерде сөзді жадқа жүктеу және сақтау), алдыңғы амалдың таңбасына қарай екі санның біреуін таңдайтын бұйрық(тар), кіріс және шығыс, сондай-ақ CC-ді басқа жад орнына (секіру) көшіру кіреді. Ол әртүрлі бұйрық түрлеріне қажетті биттердің санын анықтайды, келесі сөз операнды болатын дереу бұйрықтарды ұсынады және болашақта жадының адрестеу көлемін арттыру үшін бұйрық форматында бос биттерді қалдырудың маңыздылығын талқылайды, сондай-ақ басқа да белгіленбеген мақсаттарды қарастырады. Кіші циклда бірнеше бұйрықты сақтау мүмкіндігі талқыланады, бірақ бұл тәсілге көңілсіздікпен қаралады. Бұйрықтардың тізімі берілген, алайда кіріс және шығыс нұсқаулары туралы талқылау алғашқы нұсқада қамтылмаған.

Дау

Есептің жариялануы мен таратылуы EDVAC жобалау тобының екі фракциясы арасында екі себептен қатыгез даудың туындауына себеп болды. Біріншіден, есеп EDVAC патенттік өтінімі тіркелгенге дейін бір жылдан астам бұрын жарияланған құпиялы ақпарат деп танылды, бұл патентті күшін жойды. Екіншіден, EDVAC жобалау тобының бір бөлігі сақталған бағдарлама идеясы фон Нейман консультант ретінде жұмыс істеуге дейін Пенсильвания университетінің Мур электр инженерия мектебінде өткен кездесулерде қалыптасқан деп санды. Сондықтан, Бірінші жобада фон Нейман мен Голдстайн басқа авторларды көрсетпегендіктен, барлық еңбектің құрметі тек фон Нейманға ғана берілді. (Мэтью эффектісі және Стиглер заңына қараңыз).