تصميم نيومان
تُعرف أيضًا باسم معمارية Von Neumann أو، كما يشير اسمها، العمارة، أي أنها نموذج مفاهيمي يوضح كيفية عمل الكمبيوتر والشرح طريقة التي يتم بها ربط مكونات الأجهزة.
(آلة إلكترونية رقمية قابلة للبرمجة للمعالجة الآلية للمعلومات، قادرة على استقبالها وتشغيلها من خلال عمليات معينة وتقديم نتائج العمليات المذكورة). يستند هذا النموذج إلى النموذج الذي أوضحه الفيزيائي والرياضي في عام 1945.
من عمارة نيومان شرح
يعتمد تصميم Von Neumann على
يتكون النموذج من (وحدة المعالجة المركزية) والتي تحتوي بدورها على وحدة المنطق الحسابي أو وحدة المنطق الحسابي، وسجلات المعالج، ووحدة التحكم وعداد البرنامج، كما تحتوي على ذاكرة رئيسية ومدخل و آلية الإخراج.
وحدة المعالجة المركزية
وهي مسؤولة عن تفسير ومعالجة التعليمات من البرنامج عن طريق إجراء العمليات الحسابية الأساسية (الجمع والطرح والضرب والقسمة) والمنطق (AND، OR، NOT) التي تقوم بها الوحدة الحسابية.
لهذا الغرض، يتم استخدام سجلات المعالج، وهي ذاكرة صغيرة تخزن البيانات الثنائية ولها وقت وصول أقل من خمس إلى عشر مرات من الذاكرة الرئيسية، أحد هذه السجلات يسمى Program Counter.
Program Counter هو الجزء الذي يقوم تلقائيًا بحساب عدد دورات التنفيذ ويشير إلى التعليمات التالية التي سيتم تنفيذها، وأخيرًا هناك جهاز التحكم الذي يهدف إلى البحث عن التعليمات في الذاكرة الرئيسية وتنفيذها بعد فك تشفيرها.
الذاكرة الرئيسية
مجموعة من الخلايا من نفس الحجم مرتبطة برقم يسمى عنوان الذاكرة وتخزين البيانات مؤقتًا لاستخدامها لاحقًا.
نظام الإدخال والإخراج
يولد الإشارات اللازمة لنقل البيانات والرموز من وإلى الأجهزة الطرفية، والجهاز الطرفي هو ذلك الجهاز القادر على التفاعل مع العناصر الخارجية إما عن طريق إرسال المعلومات أو استقبالها.
مخبأ
نظرًا لفصل الذاكرة الرئيسية عن وحدة المعالجة المركزية، يتم إنشاء عنق الزجاجة أو الأداء المحدود بين هذين المكونين لأن سرعة نقل البيانات لا تتطابق مع مقدارهما.
للتخفيف من هذا العيب، توجد آليات مختلفة، أحد أكثرها شيوعًا هو تضمين ما يسمى بالذاكرة المؤقتة بين وحدة المعالجة المركزية والذاكرة أو ما يسمى بخط الأنابيب الذي يسمح ببدء التعليمات قبل انتهاء دورة التعليمات السابقة، أي بهذه الشرح طريقة سيكون لها وظيفة موازية.
نيومان وعمارة الكمبيوتر
بعد فترة وجيزة من نهاية الحرب العالمية الأولى، بدأ فون نيومان دراسته في الرياضيات في جامعة بودابست، وفي غضون خمس سنوات فقط تمكن من إنهاء شهادته والحصول على درجة الدكتوراه.
دفعته شهيته الجامحة للعلم وشغفه للتعلم إلى الجمع بين دراسته في الرياضيات، في بودابست، مع شهادة في الهندسة الكيميائية من نفس البوليتكنيك الفيدرالية في زيورخ، والتي من خلالها لم يمر ألبرت أينشتاين بفصولها الدراسية قبل سنوات عديدة.
عندما أنهى دراسته، تولى منصب أستاذ مشارك للرياضيات في جامعة برلين، وبعد سنوات قليلة أغراه من قبل جامعة برينستون في الولايات المتحدة لتدريس فصل دراسي هناك.
لعدة سنوات، عمل فون نيومان أستاذاً جامعياً في كل من ألمانيا والولايات المتحدة، لكن صعود النازيين إلى السلطة والضغط الذي بدأوا على الفور بممارسته على اليهود (كان فون نيومان يهوديًا) دفعه إلى اتخاذ قرار بالاستقرار بشكل دائم في امريكا.
العمارة فون نيومان
أدى منهج فون نيومان الأكاديمي والمهني المتميز إلى انضمامه إلى جامعة برينستون في هيئة التدريس في معهد الدراسات المتقدمة الذي افتتح حديثًا، وهي مؤسسة تزامن فيها مع ألبرت أينشتاين، الذي كان قد تعلم منه دروسًا قبل بضع سنوات.
كان يدرس في برلين، لكن في هذا المنصب لم يتطابق مع أينشتاين فقط. وصادق آلان تورينج، وهو عالم رياضيات بريطاني شاب واعد يدرس للحصول على درجة الدكتوراه. الذي التقى به قبل فترة وجيزة عندما كان فون نيومان أستاذاً بديلاً في جامعة كامبريدج.
لم يشترك جون فون نيومان وآلان تورينج في شغف الرياضيات فحسب، بل كان لديهما أيضًا شغف بالحوسبة، مما أدى إلى استثمار جزء كبير من جهودهما في هذا التخصص.
في عام 1936 نشر تورينج مقالاً كان له تأثير كبير على عمل فون نيومان. في هذه المقالة، وصف عالم الرياضيات الإنجليزي آلة نظرية ذات ذاكرة لا نهائية حيث كان من الممكن تخزين كل من التعليمات والبيانات.
مما جعل من الممكن تنفيذ برامج مختلفة. إن التشابه المفاهيمي بين “آلة تورينج العالمية” وأجهزة الكمبيوتر اليوم واضح، ويتقبل معظم المؤرخين أن فون نيومان قد تأثر بشكل كبير بأفكار آلان تورينج المبتكرة.
بذرة قادته بعد عشر سنوات، في منتصف الأربعينيات من القرن الماضي، إلى اقتراح نموذج لهندسة الكمبيوتر الذي أتاح تنفيذ برامج مختلفة كان من الممكن تخزينها سابقًا في ذاكرة الكمبيوتر.
كان هذا النهج مبتكرًا للغاية وتجاوز قيود أجهزة الكمبيوتر التي تم إنشاؤها بالفعل، مثل ENIAC أو Colossus، والتي تتطلب برمجة معقدة وشاقة للغاية باستخدام مفاتيح وكابلات توصيل في بنية فون نيومان.
في أجهزة الكمبيوتر الحالية، من الواضح أنها مستوحاة منه، ويقترح استخدام وحدة المعالجة المركزية أو وحدة المعالجة المركزية، والتي تحتوي على وحدة حسابية منطقية قادرة على إجراء عمليات حسابية بسيطة.
مجموعة من السجلات التي تسمح بالتخزين المؤقت للبيانات وعناوين الذاكرة، وهي وحدة تحكم مسؤولة عن جمع وفك تشفير وتنفيذ التعليمات من الذاكرة الرئيسية، بالإضافة إلى ذلك، يقترح نموذج البنية هذا أيضًا ذاكرة رئيسية توجد بها البيانات والتعليمات، وناقل الإدخال / الإخراج الذي يسمح بتنزيل البرامج والبيانات من وسيط تخزين خارجي وتقديم نتيجة.
وفقًا لهندسة فون نيومان
تم تطوير النموذج المعماري الذي اقترحه فون نيومان تدريجيًا حتى ظهور أجهزة الكمبيوتر الحديثة، والتي تحتفظ بمعظم الخصائص التي وصفها عالم الرياضيات المجري، ومع ذلك لا ينبغي أن تُعزى أصل أنظمة البرامج المخزنة إلى فون نيومان فقط.
كما رأينا، كانت مساهمات آلان تورينج مهمة بنفس القدر، وتأثر فون نيومان نفسه بعلماء آخرين، مثل جون بريسبر إيكيرت وجون ويليام موشيلي، الذين لعبوا دورًا حاسمًا في تصميم وبناء ENIAC في عام 1946، الذي كان من أوائل أجهزة الكمبيوتر ذات الأغراض العامة.
لقد ورثنا أيضًا من التطورات في الرياضيات والاقتصاد وفيزياء الكم. تتجاوز مساهمات جون فون نيومان النظرية الحسابية. في مجال الرياضيات، قدم مساهمات مهمة جدًا مؤطرة في نظرية الأعداد، مثل تعريف العدد الترتيبي، وفي نظرية المجموعة، مثل بديهية الانتظام أو البديهية التأسيسية.
في علم الاقتصاد، اقترح المقدمة والنظرية العامة، مما دفعه إلى وضع تصور للنظرية الدنيا وحل المشكلة التي اقترحها ليون والراس في نهاية القرن التاسع عشر.
حول حدوث التوازنات في النماذج، ووصف تطور الأسواق من مبدأ العرض والطلب، شارك جون فون نيومان في مشروع مانهاتن، الذي انتهى بإنتاج القنابل الذرية الأولى، المسؤولة عن نهاية الحرب العالمية الثانية. .