Работы Джона фон Неймана по теории вычислительных машин

ГОУ ВПО ХАКАСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ им. Н.Ф. КАТАНОВА

ИНСТИТУТ ИНФОРМАТИКИ И ТЕЛЕМАТИКИ

КАФЕДРА ИНФОРМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

на тему

Работы Джона фон Неймана по теории вычислительных машин

 

 

 

Выполнил: Полулях А.С.

студент I курса 18 гр.

Проверил: Шеломенцева И.Г.

 

 

 

 

 

 

 

 

Абакан 2008 г.

 

 

Оглавление.

 

 

Введение.

Джон фон Нейман внес значительный вклад в развитие многих областей математики. Первые его работы, написанные под влиянием Д.Гильберта, посвящены основаниям математики. Когда К.Гёдель показал неосуществимость предложенной Гильбертом программы, Нейман оставил исследования в этой области и занялся функциональным анализом и его применением к квантовой механике. Нейману принадлежит строгая математическая формулировка принципов квантовой механики, в частности ее вероятностная интерпретация; его труд Математические основы квантовой механики (Mathematical Foundations of Quantum Mechanics, 1932) считается классическим. В 1932 Нейман доказал эквивалентность волновой и матричной механики. Исследование оснований квантовой механики побудило его к более глубокому изучению теории операторов и созданию теории неограниченных операторов.

Труды Неймана оказали  влияние на экономическую науку. Ученый стал одним из создателей теории игр – области математики, которая занимается изучением ситуаций, связанных с принятием оптимальных решений. Приложение теории игр к решению экономических задач оказалось не менее значимым, чем сама теория. Результаты этих исследований были опубликованы в работе Теория игр и экономическое поведение (The Theory of Games and Economic Behavior, совместно с экономистом О.Моргенштерном, 1944). Третья область науки, на которую оказало влияние творчество Неймана, стала теория вычислительных машин и аксиоматическая теория автоматов. Настоящим памятником его достижениям являются сами компьютеры, принципы действия которых были разработаны именно Нейманом (отчасти в совместно с Г.Голдстайном).

 

 

 

Биография.

Джон фон Не́йман (англ. John von Neumann), или Йоганн фон Нейманн (нем. Johann von Neumann), или Я́нош Ла́йош Не́йман (венг. Neumann János Lajos) родился в Будапеште, работал в Германии, а затем по приглашению Принстонского университета выехал в Соединённые Штаты Америки, где он остался навсегда. Он был старшим из трёх сыновей в семье преуспевающего будапештского банкира Макса Неймана (венг. Neumann Miksa) и Маргарет Кэнн (венг. Kann Margit). Янош, или просто «Янси», был необыкновенно одарённым ребёнком. Уже в 6 лет он мог разделить в уме два восьмизначных числа и беседовать с отцом на древнегреческом. Янош всегда интересовался математикой, природой чисел и логикой окружающего мира. В восемь лет он уже хорошо разбирался в математическом анализе. В 1911 году он поступил в Лютеранскую Гимназию. В 1913 году его отец получил дворянский титул, и Янош вместе с австрийским и венгерским символами знатности — приставками фон (von) к австрийской фамилии и титулом Маргиттаи (Margittai) в венгерском именовании — стал называться Янош фон Нейман или Нейманом Маргиттаи Янош Лайос. Во время преподавания в Берлине и Гамбурге его называли Иоганном фон Нейманом. Позже, после переселения в 1930-х годах в США, его имя на английский манер изменилось на Джон. Любопытно, что братья фон Неймана после переезда в США получили совсем другие фамилии: Воннеуманн (Vonneumann) и Ньюман (Newman).

Фон Нейман получил степень  доктора философии по математике (с элементами экспериментальной  физики и химии) в университете Будапешта  в 23 года. Одновременно он изучал химическую инженерию в швейцарском Цюрихе (Макс фон Нейман полагал профессию математика недостаточной для того, чтобы обеспечить надёжное будущее сына). С 1926 по 1930 годы Джон фон Нейман был приват-доцентом в Берлине.

В 1930 году фон Нейман был  приглашён на преподавательскую  должность в американский Принстонский университет. Он был одним из первых приглашённых на работу в основанный в 1930 году научно-исследовательский Институт Перспективных Исследований (англ. Institute for Advanced Study), также располагавшийся в Принстоне, где с 1933 года и до самой смерти занимал профессорскую должность.

В 1936—1938 годах Алан Тьюринг  защищал в институте под руководством Алонзо Чёрча докторскую диссертацию. Это случилось вскоре после публикации в 1936 году статьи Тьюринга «On Computable Numbers with an Application to the Entscheidungs problem», которая включала в себя концепции логического проектирования и универсальной машины. Фон Нейман, несомненно, был знаком с идеями Тьюринга, однако неизвестно, применял ли он их в проектировании IAS-машины десять лет спустя.

В 1937 году фон Нейман стал полноправным гражданином США. В 1938 он был награждён премией имени  М. Бохера за свои работы в области  анализа.

Фон Нейман был женат  дважды. В первый раз он женился  на Мариэтте Кёвеши (Mariette Kövesi) в 1930 году. Делая предложение, он не нашёл лучшего способа выразить свои чувства, нежели с помощью романтической фразы: «Нам было бы неплохо быть вместе, судя по тому, как мы оба любим пить». Фон Нейман даже согласился перейти в католичество, чтобы угодить её семье. Брак распался в 1937 году, а уже в 1938 он женился на Кларе Дэн (Klara Dan). От первой жены у фон Неймана родилась дочь Марина — в будущем известный экономист.

В 1957 году фон Нейман заболел  раком кости, возможно, вызванным  радиоактивным облучением при исследовании атомной бомбы в Тихом океане или, может быть, при последующей работе в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико (его коллега, пионер ядерных исследований Энрико Ферми, умер от рака кости в 1954 году). Через несколько месяцев после постановки диагноза фон Нейман умер в тяжёлых мучениях. Рак также поразил его мозг, практически лишив его возможности мыслить. Когда он лежал при смерти в госпитале Вальтера Рида, он шокировал своих друзей и знакомых просьбой поговорить с католическим священником.

 

Принципы Дж. фон Неймана.

Основные архитектурно-функциональные принципы построения ЭВМ были разработаны  и опубликованы в 1946 г. Джоном фон Нейманом и его коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом в ставшем классическим отчете «Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства».

Вот эти основные принципы:

1. Вычислительная машина  должна состоять из следующих  частей (Рис. 1):

- управляющие связи;

- потоки информации.

 

• Устройство управления (УУ) - устройство, руководящее порядком выполнения операций, координирующее работу вычислительной машины в целом и взаимосвязь ее с дополнительными устройствами. УУ формирует команды управления устройствами (управляющие импульсы) и отправляет их в определенные моменты времени. Формирует адреса ячеек памяти и передает эти адреса другим устройствам ЭВМ.
• Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.
• Оперативное запоминающее устройство, или оперативная память (ОЗУ) - устройство, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для хранения данных, участвующих в его операциях.
• Внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) - устройство, предназначенное для длительного хранения больших массивов информации.
• Устройства ввода/вывода информации - предназначены для ввода в ЭВМ данных и вывода результатов. 

2. Программное управление работой ЭВМ. Программы состоят из отдельных шагов - команд; команда осуществляет единичный акт преобразования информации; последовательность команд, необходимая для реализации алгоритма, является программой; все разновидности команд, использующиеся в конкретной ЭВМ, в совокупности являются языком машины или системой команд машины. Благодаря данному принципу компьютер становится универсальным устройством, предназначенным для обработки информации.

3. Принцип условного перехода. Это возможность перехода в процессе вычислений на тот или иной участок программы в зависимости от промежуточных, получаемых в ходе вычислений, результатов. Благодаря принципу условного перехода, число команд в программе получается вомного раз меньше, чем число выполненных машиной команд при исполнении данной программы за счет многократного вхождения в работу участков программы. Использование данного принципа в компьютере позволяет использовать в программе структуры разветвления и циклы.

4. Принцип хранимой программы. Этот один из самых важных принципов заключается в том, что команды представляются в числовой форме и хранятся в том же ОЗУ, что и исходные данные. Только команды для исполнения выбираются из ОЗУ в устройство управления (УУ), а числа (операнды) - в АУ; но для машины и команда, и число являются машинным словом, и если команду направить в АУ в качестве операнда, то над ней можно произвести арифметические операции, изменив ее. Это открывает возможности преобразования программ в ходе их выполнения; кроме того, принцип хранимой в ОЗУ программы обеспечивает одинаковое время выборки команд и операндов из ОЗУ для выполнения, позволяет быстро менять программы или части их, вводить непрямые системы адресации, видоизменять программы по определенным правилам.

5. Принцип использования двоичной системы счисления для представления информации в ЭВМ. Этот принцип существенно расширил номенклатуру физических приборов и явлений, которые можно использовать в АУ и ЗУ ЭВМ. Действительно, в двоичной системе имеются только две цифры 0 и 1, поэтому они могут изображаться положением любой системы с двумя устойчивыми состояниями, например, триодом в открытом и закрытом состоянии, состоянием триггера, участком ферромагнитной поверхности - намагниченным или ненамагниченным, динамически - отсутствием или наличием электрического импульса и т. п. Количество информации определяется единицей (бит) в двоичной системе счисления; к логическим схемам, построенным по двоичной системе счисления, может быть применен хорошо разработанный математический аппарат алгебры логики.

6. Принцип иерархичности ЗУ. С самого начала развития ЭВМ существовало несоответствие между быстродействием АУ и ОЗУ; выполняя ОЗУ на тех же элементах, что и логические устройства, удавалось частично разрешить это несоответствие, но такое ОЗУ получалось слишком дорогим и значительно увеличивало количество радиоламп в ЦВМ, снижая в целом ее надежность; иерархическое построение ЗУ позволяет иметь быстродействующее оперативное ЗУ (ОЗУ) сравнительно небольшой емкости только для операндов и команд, участвующих в счете в данный момент и в ближайшее время. Следующий более низкий уровень - это внешнее ЗУ (ВЗУ); ОЗУ достаточно быстро, за сотые доли секунды, может обменяться с ВЗУ целым массивом данных; емкость ВЗУ на порядок больше, чем емкость ОЗУ. Иерархичность ЗУ в ЭВМ является важным компромиссом между емкостью и быстрым доступом к данным, обеспечивающим требования быстродействия, большой емкости памяти, относительной дешевизны и надежности.

 

Архитектура фон  Неймана.

Архитектура фон Неймана — широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «Машина фон Неймана», однако, соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.

Наличие жёстко заданного набора исполняемых команд и программ было характерной чертой первых компьютерных систем. Сегодня подобный дизайн применяют с целью упрощения конструкции вычислительного устройства. Так, настольные калькуляторы, в принципе, являются устройствами с фиксированным набором выполняемых программ. Их можно использовать для математических расчётов, но невозможно применить для обработки текста и компьютерных игр, для просмотра графических изображений или видео. Изменение встроенной программы для такого рода устройств требует практически полной их переделки, и в большинстве случаев невозможно. Впрочем, перепрограммирование ранних компьютерных систем всё-таки выполнялось, однако требовало огромного объёма ручной работы по подготовке новой документации, перекоммутации и перестройки блоков и устройств и т. п.

Всё изменила идея хранения компьютерных программ в общей памяти. Ко времени её появления использование  архитектур, основанных на наборах  исполняемых инструкций, и представление  вычислительного процесса как процесса выполнения инструкций, записанных в программе, чрезвычайно увеличило гибкость вычислительных систем в плане обработки данных. Один и тот же подход к расмотрению данных и инструкций сделал лёгкой задачу изменения самих программ.

В середине 40-х проект компьютера, хранящего свои программы в общей памяти был разработан в Муровской школе электрических разработок в Университете штата Пенсильвания. Подход, описанный в этом документе, стал известен как архитектура фон Неймана, по имени единственного из названных авторов проекта Джона фон Неймана, хотя на самом деле авторство проекта было коллективным. Архитектура фон Неймана решала проблемы, свойственные компьютеру «Эниак», который создавался в то время, за счёт хранения программы компьютера в его собственной памяти. Информация о проекте стала доступна другим исследователям вскоре после того, как в 1946 году было объявлено о создании «Эниака». По плану предполагалось осуществить проект силами Муровской школы в машине «EDVAC», однако до 1953 года «EDVAC» не был запущен из-за технических трудностей в создании надёжной компьютерной памяти. Другие научно-исследовательские институты, получившие копии проекта, сумели решить эти проблемы гораздо раньше группы разработчиков из Муровской школы и реализовали их в собственных компьютерных системах. Первыми 5 компьютерами, в которых были реализованы основные особенности архитектуры фон Неймана, были:

«Манчестерский Марк I». Прототип («Манчестерское дитя») Университет Манчестера (англ. The University of Manchester) Великобритания, 21 июня 1948 года;

«EDSAC». Кембриджский университет (англ. The Cambridge University). Великобритания, 6 мая 1949 года;

«BINAC». США, апрель или  август 1949 года;

«CSIR Mk 1». Австралия, ноябрь 1949 года;

«SEAC». США, 9 мая 1950 года.

 

Заключение.

В 1945 году был опубликован  доклад фон Неймана, в котором  он наметил основные принципы построения и компоненты современного компьютера. Идеи, отраженные в докладе, развивались, и примерно через год появилась  статья "Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства". Здесь важно, что авторы, отвлекшись от электронных ламп и электрических схем, сумели обрисовать формальную организацию компьютера.

"По фон Нейману"  главное место среди функций,  выполняемых компьютером, занимают арифметические и логические операции. Для них предусмотрено арифметико-логическое устройство. Управление его работой — и вообще всей машины — осуществляется с помощью устройства управления. Роль хранилища информации выполняет оперативная память. Здесь хранится информация как для арифметико-логического устройства (данные), так и для устройства управления (команды).