على ماذا يعتمد تصميم نيومان

تصميم نيومان

يعروف أيضًا باسم معمارية Von Neumann أو

معمارية الحاسوب

، كما يشير اسمه هندسة

الكمبيوتر

، أي أنه نموذج مفاهيمي يوضح كيفية عمل الكمبيوتر والطريقة التي يتم بها ربط مكونات الأجهزة.

(آلة إلكترونية رقمية قابلة للبرمجة للمعالجة التلقائية للمعلومات، قادرة على استلامها وتشغيلها من خلال عمليات معينة وتوفير نتائج العمليات المذكورة)، يعتمد هذا النموذج على النموذج الذي شرحه الفيزيائي وعالم الرياضيات

جون فون نيومان

في عام 1945.

Von Neumann architecture شرح

يعتمد تصميم فون نيومان على أساس

النموذج مكون من (وحدة المعالجة المركزية ) التي تحتوي بدورها على وحدة المنطق الحسابي أو وحدة المنطق الحسابي وسجلات المعالج، ووحدة التحكم وعداد البرامج، كما أن لديها ذاكرة رئيسية وآلية إدخال وإخراج،

ويعتمد تصميم نيومان على أساس القيام بهيكلة الحاسبات في شكل وحدات منفردة.

وحدة المعالجة المركزية CPU:

وهي مسؤولة عن تفسير ومعالجة التعليمات الواردة من البرنامج من خلال أداء العمليات الحسابية الأساسية (الجمع والطرح والضرب والقسمة) والمنطق (AND و OR و NOT) التي تنفذها وحدة الحساب.

ولهذا الغرض تستخدم سجلات المعالج، وهي ذاكرة صغيرة تخزن البيانات الثنائية ولديها وقت وصول أقل بخمس إلى عشر مرات من الذاكرة الرئيسية، أحد هذه السجلات يسمى Program Counter.

Program Counter هو الجزء الذي يحسب تلقائيًا عدد دورات التنفيذ ويشير إلى التعليمات التالية التي سيتم تنفيذها، وأخيرًا هناك وحدة التحكم، وهي التي تهدف إلى البحث عن التعليمات في الذاكرة الرئيسية وتنفيذها بعد فك تشفيرها.

الذاكرة الرئيسية:

هي مجموعة من الخلايا من نفس الحجم مرتبطة برقم يسمى عنوان الذاكرة وتعمل على تخزين البيانات مؤقتًا لاستخدامها لاحقًا.

نظام الإدخال والإخراج:

يولد الإشارات اللازمة لنقل البيانات والرموز من وإلى الأجهزة الطرفية، الجهاز الطرفي هو ذلك الجهاز القادر على التفاعل مع العناصر الخارجية إما عن طريق إرسال المعلومات أو استقبالها.

ذاكرة التخزين المؤقت

نظرًا لفصل الذاكرة الرئيسية عن وحدة المعالجة المركزية، يتم إنشاء عنق الزجاجة أو الأداء المحدود بين هذين المكونين نظرًا لأن سرعة نقل البيانات لا تتوافق مع مقدارها.

وللتخفيف من هذا العيب، هناك آليات مختلفة، أحد أكثرها شيوعًا هو تضمين ما يسمى بذاكرة التخزين المؤقت بين وحدة المعالجة المركزية والذاكرة أو ما يسمى بخط الأنابيب الذي يسمح ببدء التعليمات قبل الانتهاء من دورة التعليمات السابقة، أي بهذه الطريقة سيكون هناك لها وظيفة موازية.

نيومان وعمارة الحواسيب

بعد فترة وجيزة من انتهاء الحرب العالمية الأولى، بدأ فون نيومان دراسته في الرياضيات في جامعة بودابست، وفي غضون خمس سنوات فقط تمكن من إنهاء شهادته والحصول على الدكتوراه.

دفعته شهيته الجامحة للعلم وحرصه على التعلم إلى الجمع بين دراسته في الرياضيات، في بودابست وشهادة في الهندسة الكيميائية من نفس مدرسة البوليتكنيك الفيدرالية في زيورخ، والتي من خلالها لم يمر ألبرت أينشتاين في فصولها الدراسية قبل سنوات عديدة.

عندما أنهى دراسته حصل على 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، ولكن وصول النازيين إلى السلطة والضغط الذي بدأوا على الفور بممارسته على اليهود (كان فون نيومان يهوديًا) دفعه إلى اتخاذ قرار بالاستقرار بشكل دائم في أمريكا.

عمارة فون نيومان

تسببت المناهج الأكاديمية والمهنية المتميزة لفون نيومان في ضمه إلى جامعة برينستون في هيئة التدريس في معهد الدراسات المتقدمة الذي تم افتتاحه مؤخرًا، وهي مؤسسة تزامن فيها مع ألبرت أينشتاين، الذي كان قد تلقى دروسًا منه قبل بضع سنوات.

كان يدرس في برلين، لكنه في هذا المركز لم يتطابق مع أينشتاين فقط، فقد صادق آلان تورينج وهو عالم رياضيات بريطاني شاب واعد يدرس للحصول على درجة الدكتوراه، وكان قد التقى به قبل فترة وجيزة عندما عمل فون نيومان أستاذاً بديلاً في جامعة كامبريدج.

لم يشارك جون فون نيومان وآلان تورينج الشغف بالرياضيات فقط، فقد كان كلاهما شغوفًا بالحوسبة، مما دفع كلاهما إلى استثمار جزء كبير من جهودهما في هذا التخصص.

في عام 1936 تورينج نشر مقالًا كان له تأثير كبير على عمل فون نيومان، في هذا المقال، وصف عالم الرياضيات الإنجليزي آلة نظرية لها 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، ويقبل معظم المؤرخين أن فون نيومان قد تأثر بشكل كبير بأفكار آلان تورينج المبتكرة.

وهي بذرة دفعته بعد عشر سنوات، في منتصف الأربعينيات من القرن الماضي إلى اقتراح نموذج لهندسة الكمبيوتر جعل من الممكن تنفيذ برامج مختلفة يمكنها تم تخزينها مسبقًا في ذاكرة الكمبيوتر.

كان هذا النهج في ذلك

الوقت

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 عمارة فون نيومان.

في أجهزة الكمبيوتر التي الحالية هي مستوحاة منها بشكل واضح، ويُقترح استخدامها وحدة المعالجة المركزية أو CPU، والذي يحتوي على وحدة حسابية منطقية قادرة على تنفيذ عمليات حسابية بسيطة.

ومجموعة من السجلات التي تسمح للتخزين المؤقت للبيانات وعناوين الذاكرة، ووحدة تحكم مسؤولة عن جمع التعليمات من الذاكرة الرئيسية وفك تشفيرها وتنفيذها، بالإضافة إلى ذلك يقترح نموذج البنية هذا أيضًا وجود ذاكرة رئيسية توجد بها البيانات والتعليمات، وناقل إدخال وإخراج يسمح بتحميل البرامج والبيانات من وسيط تخزين خارجي وتقديم نتيجة.

حسب هندسة von Neumann

تم

تنقيح

النموذج المعماري الذي اقترحه فون نيومان تدريجيًا حتى أدى إلى ظهور أجهزة الكمبيوتر الحديثة، والتي تحتفظ بمعظم الخصائص التي وصفها عالم الرياضيات المجري، ومع ذلك لا ينبغي أن تُعزى أبوة أنظمة البرامج المخزنة إلى فون نيومان فقط.

كما رأينا كانت مساهمات آلان تورينج حاسمة بنفس القدر، كما تأثر فون نيومان نفسه بعلماء آخرين، مثل جون بريسبر إيكيرت وجون ويليام موشلي، الذين لعبوا دورًا حاسمًا في تصميم وبناء ENIAC في عام 1946، والذي كان من أوائل أجهزة الكمبيوتر ذات الأغراض العامة.

لقد ورثنا أيضًا عن 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 إدخال

نظرية اللعبة

ونظرية

التوازن

العام، مما دفعه إلى تصور نظرية الحد الأدنى وحل المشكلة التي اقترحها ليون والراس في نهاية القرن التاسع عشر.

حول حدوث حالات التوازن في النماذج، ووصف تطور الأسواق من مبدأ العرض والطلب، شارك جون فون نيومان في مشروع مانهاتن، والذي انتهى بإنتاج أول قنابل ذرية، المسؤولة عن نهاية الحرب العالمية الثانية.[1]