مقاله ماشين وان نيومان-فون نويمان(تمام متن): 

مقاله ماشين فون نيومان | مترجم: الهام و علي لفظي قاضي| تعداد صفحه:10

هرگونه استفاده از اين مقاله بدون ذکر منبع و نويسنده و مترجم غير مجاز مي باشد

مؤلفان:

 الهام لفظی قاضی

درجه علمی: دانشجوی کارشناسی ارشد کتابداری و اطلاع رسانی دانشگاه علوم و تحقیقات

تاریخ تولد:1363

-------------------

علی لفظی قاضی

درجه علمی: دانشجوی رشته مهندسی کامپیوتر

موقعیت شغلی: مدیر عامل شرکت طراحی سامی

تاریخ تولد:1366

irlib2000[at]gmail.comایمیل:

----------------------------------------------

بیوگرافی جان فون نویمان[1]

جان فون نویمان،در28 دسامبر 1903 در بوداپست، پایتخت مجارستان دیده به جهان گشود. او کارهای مهمی در نظریه کوانتم، نظریه مجموعه‌ها، آنالیز تابعی، علم کامپیوتر، اقتصاد و نظریه بازی‌ها انجام داده است. او یکی از دست اندر کاران پروژه مانهاتان بود (که منجر به ساخت اولین بمب اتمی گردید) بود. وی همچنین از نخستین کسانی است که در طراحی و ساخت اولین کامپیوتر بنام انیاک سهم مهمی داشت.وی از کودکی دارای هوش خارق العاده‌ای بود و قادر بود اعداد هفت رقمی را در هم ضرب کند.

 وان نیومن ،در 1921 در رشته مهندس شیمی در دانشگاه برلین مشغول به تحصیل شد؛ اما به دلیل علاقه فراوان به ریاضیات، در کنار دروس شیمی به تکمیل تئوری سری اعداد پرداخت و اولین مقاله خود را در 1922 ، زمانیکه 17 سال بیشتر نداشت، در مجله جامعه ریاضی آلمان، به چاپ رساند.

و بدین ترتیب، توانست در 1926 ، موفق به اخذ دو مدرک، یکی دکترای ریاضیات از دانشگاه بوداپست، و دیگری کارشناسی مهندسی شیمی از دانشگاه برلین شود. و تا پایان سال 1929 ، 32 مقاله علمی در زمینه ریاضیات از نیومن، در آلمان منتشر شد. در 1929 به عنوان مدرس به دانشگاه پرینستون در آمریکا دعوت شد و در همان سال با ماریت کاوسی ازدواج نمود ؛ ثمره این ازدواج ،یک دختر به نام مارینا بود، اما در 1936 ،نیومن از همسرش جدا شد و در 1938 با کلارا دان ازدواج کرد. او تا پایان عمر خود ، به عنوان عضوی از موسسه تحقیقاتی دانشگاه پرینستون مشغول به کار بود و در نهایت، در 8 فوریه 1957 دار فانی را وداع گفت.

وان نیومن تئوری ماشینهای خودکار مصنوعی را توسعه داد. او معتقد بود که زندگی در نهایت بر مبنای منطق استوار است و هر ساخته ای که توسط منطق حمایت می شود می بایست بتواند زندگی را حمایت کند. ماشینهای خودکار مصنوعی ، مثل قسمت های شمارشگر طبیعی ، اطلاعات را پردازش می کنند و عملیاتی را پیش می برد که بر پایه داده ای است که از محیط آنها بعد از قرار گرفتن دستورالعمل ها و قوانین که باطناً نگهداری می شود ، دریافت می گردد. ماشینهای خودکار سلولی ، نوعی از ماشینهای خودکار هستند که در سطح تراز نامحدودی وجود دارند که با سلول های مربعی شکل پوشش داده می شود که خیلی شبیه به یک برگه گراف است. هر کدام ار این سلول ها مراحل زمانی را طی می کنند ، زمانیکه مرحله جدیدی از هر سلول توسط حالت خودش تعیین می شود و حالت این سلول ها با آن مجاور می شود. در این اعمال ساده ، پیچیدگی بزرگی وجود دارد و پایه ای برای زندگی همانند اعمال است. دیاگرام شماتیک اتوماسیون سلولی مولد وان نیومن در پایین نشان داده شده است.

خودکار سازی در این مورد ، استفاده کردن از فرایند ساده ای که در بالا توصیف شد که نسخه ای عین خودش را تولید می کند که بعد می تواند عین آن نسخه را دوباره تولید کند سلول ها در این نوار حالتها را به این طریق تغییر می دهند تا آن را به واحد کنترل نوار در خودکار سازی انتقال دهند واحدی که با تغییر دادن در حالت سلولهای ثابت ، عکس العمل نشان می دهد این عمل بازویی را می سازد که خودکار سازی جدیدی را توسعه و شکل می دهد که دقیقا مثل نسخه اصلی آن است .

علاقه نیومن به کامپیوتر با علایق دیگرش متفاوت بود او با درک سریعی که از کاربرد کامپیوترها داشت ، ریاضیات را برای حل مشکلات خاص به کاربرد به جای اینکه به کاربرد محض آنها برای توسعه جداول توجه کند.

در طول جنگ، تخصص وان نیومن در علوم هیدرودینامیک،حرکات پرتاپی، هواشناسی ، تئوری بازی و آمار در چندین پروژه به خوبی مورد استفاده قرار گرفت. این کار او را به این سمت هدایت می کرد که کاربرد ابزار های مکانیکی را برای محاسبه در نظر بگیرد. اگرچه داستان ها درباره وان نیومن حاکی از آن است که اولین کامپیوتر او با انیاک مواجه شد ، در حقیقت آن با ماشین حساب [2](ASCC) مواجه گردید. مکاتبات وی در 1944 نشان می دهد که او با کار با Aiken و همچنین کامپیوترهای الکترومکانیکی George Stibitz و Jan Schilt از آزمایشگاه علمی کامپیوتری واتسون در دانشگاه کلمبیا ، علاقه مند بود. بعد از سال های جنگ جهانی دوم ، وان نیومن سمت مشاور مدیریت اجرایی را بر عهده گرفت ، به کمیته های ملی متعددی خدمت کرد و از توانایی جالب توجه خود در حل سریع مشکلات ، استفاده کرد. او به کمک توانایی های مهندسین دانشکده مهندسی الکترونیک Moore که انیاک را می ساختند و بعد ها کار خودش بر روی ساختمان ماشین IAS[3] توانست نیازهای آزمایشگاه ملی Los Alomos را برطرف کند. چندین ابر کامپیوتر همچون نسخه های این ماشین  توسط آزمایشگاههای ملی ساخته شد. بعد از جنگ ، وان نیومن بر توسعه موسسه مطالعات پیشرفته (IA5) کامپیوتر و شعب آن در سراسر جهان متمرکز کرد. کار او با گروه Los Alamos ادامه یافت و او کار دسته جمعی میان قابلیت کامپیوترها و نیاز به راه حل های کامپیوتری برای مشکلات هسته ای مرتبط با بمب هیدروژنی را توسعه بخشید. کامپیوتر الکترونیکی وان نیومن ، انفجار بمب هیدروژنی را در نوامبر 1952 تسریع بخشید. او شالوده روش مطلوبی را که چندین ماشین هایی می بایست داشته باشند آزمایش کرد و روش های جدیدی را در سازماندهی منطقی معرفی کرد ، کدهایی ، که توسط یک سیستم ثابت سیم کشی می توانند شمار گوناگونی از مشکلات را حل کنند.

شکی نیست که دیدگاههای سازماندهی ماشینها از ساختار های بنیادین نشات گرفته که اکنون به عنوان معماری وان نیومن شناخته می شود. او نیاز به پارالل بودن را در کامپیوترها تشخیص داد اما به همان خوبی مشکلات ساخت را تشخیص داد و از این رو برای تکمیل یک سیستم متوالی سازگار بود. بر اساس گزارشی که از طرح اولیه گزارشی درباره EDVAC که در سال 1954 ، وان نیومن به تنهایی نگاشته بود ، عناصر اولیه مفهوم برنامه ذخیره شده به صنعت معرفی شد. EDVAC به عنوان اولین برنامه کامپیوتری ذخیره شده در نظر گرفته شد. در 1950 وان نیومن به عنوان مشاور IBM استخدام شد تا پروژه های تکنولوژی پیشرفته مطرح شده یا در حال انجام را بر عهده بگیرد.

او هرگز کار خود را بر روی تئوری خودکار سازی تمام نکرد ، اگر چه تا زمانی که قادر بود، کارکرد.

او در مراسم تشریفاتی که به افتخار او برگزار می شد ،حتی با استفاده از ویلچر حضور می یافت و تلاش می کرد تا ظاهر خود را در میان دوستان و خانواده حفظ کند. گرچه او در سالهای عمرش پیشرفتهای بسیاری کسب کرد اما نتوانست مرگ را قبول کند و نتوانست جهان را بدون ذهنش که دائما در حال تفکر و حل کردن است ، در نظر بگیرد. اما امروزه ، نظرات او همچنان به حیات خود ادامه می دهد و زندگی ما را بیش از آنچه در اینجا با مثال هایی اندک نشان داده شده تحت تاثیر قرار می دهد.

ماشین نیومن

دکتر وان نیومن ، یک سیستم محاسبه گر خودکار را به عنوان "ابزاری که می تواند دستورالعمل ها یی را انجام دهد که محاسباتی از یک دستور  پیچیده مورد نظر را اجرا کند."تعریف کرد. بعد، او بیان کرد که دستورالعمل هایی را که این عمل را کنترل می کند، باید یا جزییات کامل به این ابزار داده شود و آن اولین باری است که این دستورالعمل ها به این ابزار داده می شوند؛ آن ابزار باید قادر باشد تا دستورالعمل ها را کاملاَ انجام دهد؛ بدون آنکه نیازی به مداخله هوش انسان باشد.

در تحلیل ابزار ساخته شده وان نیومن،5 امتیاز وجود دارد:

1)  هنگامی که ابزار یک کامپیوتر اولیه باشد، آن باید عملیات مقدماتی از حساب را که معمول است، انجام دهد. بنابراین، آن باید ارگانهای تخصص یافته ای برای این عملیات باشد. مثل:جمع، تفریق، ضرب و تقسیم

2)  کنترل منطقی این ابزار( مثل :ترتیب دهی مناسب عملیاتش) می تواند به خوبی توسط یک ارگان کنترل مرکزی اجرا شود.

3)     ابزاری که باید توالی های پیچیده و طولانی این عملیات را اجرا کند،باید ظرفیت حافظه قابل توجهی داشته باشد.

4)  ابزار باید ارگان هایی را برای انتقال اطلاعات از واسط ضبط شده خارجی این ابزار به بخش حساب مرکزی ، بخش کنترل مرکزی و حافظه داشته باشد. این ارگانها، برون ده را شکل می دهند.

5)  ابزار باید ارگان هایی را برای اطلاعات از بخش حساب مرکزی ، بخش کنترل مرکزی و حافظه به واسط ضبط شده خارجی داشته باشد. این ارگانها، برون ده را شکل می دهند.

دانشکده مهندسی الکترونیک Moore سه طرح ممکن را ارائه کرد که به اختصار در پایین توصیف شده است:

EDVAC I: یک کامپیوتر دودویی بسیار ساده ،با جمع ،تفریق،ضرب،تقسیم برنامه ریزی شده و بدون بررسی داخلی خودکار، دارای حافظه ای با ظرفیت 1000 کلمه است.

EDVAC II: یک کامپیوتر ساده دودویی با کد دهدهی ، با درجه دهدهی ثابت است که کلیه چهار مرحله پایه حسابی و بررسی به صورت خودکار است و دارای حافظه ای با ظرفیت 1000 کلمه است.

EDVAC III: یک ماشین کامل تر، با درجه دهدهی شناور خودکار ، که کلیه خصائص خودکار که درباره EDVAC II گفته شد را دارد و دارای حافظه ای با ظرفیت4000 کلمه است.

EDVAC ، اولین برنامه ذخیره شده داخلی است که برای کامپیوتر ساخته شد، پیشرفت بزرگی که به ENIAC تعلق داشت. یکی از معایب بزرگ ENIAC این بود که آن به تلاش انسانی قابل توجهی نیاز دارد تا به برنامه های متفاوتی تبدیل شود.

EDVAC اساساَ به صورت زیر سازمان یافته است:

1)  خواننده-ضبط کننده: این بخش،شامل سه درایو سیمی است که به مکانیزم های فرمان یار وابسته است و خواندن مغناطیسی را تقویت می کند، هد ها را ضبط و پاک می کند و ابزار مورد نیاز برای انتقال اطلاعات از هد ها به فرایند تاخیر است.

2)  کنترل: این بخش،شامل تمام دکمه های عملیات، لامپ های اشاره گر،سوئیچ های کنترل و اسیلوسکوپ برای کمک به نگهداری است. واحد کنترل، دستورهای خاصی را ارسال می کند، سوئیچ ها را تنظیم می کند و کلمات را به حافظه سریع می فرستد.

3)  اعزام کننده: این بخش،دستوراتی را که از واحد کنترل و حافظه دریافت کرده رمزگشایی می کند. همچنین، سیگنال هایی را به سایز واحدها  می فرستد که آنها برا اجرای وظایف خود به ان احتیاج دارند. این تاخیر الکتریکی حافظه دستور را بر می گرداند زمانیکه آن در حال اجراست.

4)  حافظه سریع: این بخش،شامل دو واحد یکسان است که هر کدام شامل 64 وقفه صوتی و مدارهای  از نو تولید شده است. هرخط یا مخزن، یک ظرفیت 8 کلمه ای دارد.  هر قفسه حافظه، در 3 مخزن کوتاه در یک کلمه جا می گیرد که توسط واحد های جبری مورد استفاده قرار می گیرد. این مخازن، برای ذخیره موقت فرامین ،حین عملیات حسابی به کار می روند.

5)  کامپیوتر: این واحد، عملیات منطقی(جمع ،تفریق،ضرب وتقسیم) را بر روی زوج های اعداد، همراه با نشانه هایی که از حافظه سریع دریافت می کند ، اجرا می کند و نتایج را به حافظه در زمان مناسب می فرستد. واحد حساب، دو نسخه است و پاسخ ها را رقم به رقم مقایسه می کند. هر ناسازگاری، ماشین را متوقف می کند و یک نشانه "مکث غیر عادی" می دهد.

6)   تایمر: این واحد، پالس های ساعت را در فاصله 1 میکرو ثانیه منتشر می کند و پالس ها را در فاصله 48 میکرو ثانیه نتظیم می کند.

EDVAC ، نیاز داشت که بسیار کوچک تر از ENIAC باشد؛ تا اجرای ریاضی بهتر و انعطاف پذیری بیشتری داشته باشد.اعتبار، یک نیاز واضح برای طراحی با ضریب اطمینان بالا بود. همچنین،  نیاز به بررسی کافی سیستم وجود داشت. برای حل مشکلات ریاضی و بالا بردن سرعت، از حافظه مرکوری برای EDVAC استفاده شد. مرکوری، معایبی هم داشت.این حافظه،متراکم و گران بود و با بسیاری از فلزات آلوده می شد. آلوده شدن EDVAC ،با استفاده از تیوب های شیشه ای تنگستن ، کاملاَ رفع شد. وزن و قیمت هم با به کارگیری این تیوب های نازک با اجرای خوب، پایین آمد. EDVAC،در قفسه های پولادی با ارتفاع 86 اینچ جا گرفت. در همه واحدها به غیر از حافظه، اسکلت به صورت عمودی نصب می شود. درها در جلو و عقب برای دسترسی به هر دو طرف اسکلت وجود دارد. این ترتیب، نگهداری را آسان می کندو برای نصب سیستم تهویه مناسب است.

EDVAC در دانشکده مهندسی الکترونیک Moore ساخته شد و به آزمایشگاه کامپیوتر اسکاتلند تحویل داده شد. بعد از اینکه نصب کامل شد، دو کار مهندسی دیگر قبل از اینکه EDVAC قابل استفاده باشد باید صورت می گرفت:

1)     تقویت کننده های متقابل حافظه باید دوباره طراحی می شدند تا استفاده حلقه اضافی را تامین کنند.

2)     ابزار درون ده-برون ده باید طراحی ، ساخته و نصب می شد، تا راهی برای وارد شده و خارج شدن از ماشین باشد.

بعد از راه اندازی EDVAC ، سه مشکل عمده مهندسی حل شد:

1)     طراحی دوباره تقویت کننده حافظه مرکوری ،تا بتوان بهتر از محصول پهنای باند استفاده کرد و به ثبات بیشتری رسید.

2)     راه یابی به هر مدار ماشین ، برای رفع مدارهای مرزی بود.

3)     طراحی یک سیستم درون ده-برون ده برای EDVAC بود.

بعد از گذشت 10 سال، چندین قطعه از ابزار جدید به ادواک اضافه شد تا انعطاف پذیری و قابلیت آن برای حل مشکلات افزایش یابد.

ادواک یک ماشین چهار آدرسی است و سیستم حافظه آن شامل 128 مخزن بلند،6 مخزن کوتاه است که ابزار کنترل و تقویت کننده ها را به ربط می دهد. مدارها بسیار ترتیب یافته هستند که یک کلمه به صورت زیر اداره می شود:

در جایگاه حافظه داده شده خوانده می شود.

اجازه انتشار می یابد.

از حافظه برگردانده شده و از طریق مسیر خارجی ذخیره می شود.

برگردانده شده و ذخیره نمی شود.

متوسط زمان عملیات در ادواک به قرار زیر است:

 جمع864 میکروثانیه

تفریق864 میکروثانیه

مقایسه696  میکروثانیه

استخراج 696  میکروثانیه

ضرب و گرد کردن 2880  میکروثانیه

 تقسیم و گرد کردن 2928  میکروثانیه

ضرب دقیق 2928  میکروثانیه

تقسیم  دقیق 2928  میکروثانیه

درجه شناوری جمع 960  میکروثانیه

درجه شناوری تقسیم 960  میکروثانیه

درجه شناوری ضرب1248میکروثانیه

درجه شناوری تقسیم2352میکروثانیه

بعد از 10 سال عملکرد ادواک، هنوز هم به دلیل اطمینان ، سودمندی ، قیمت پایین آن ، کارایی اجرایی بالا و سرعت و انعطاف پذیری آن در حل انواع مشکلات ، مورد استفاده قرار می گیرد. 

فهرست منابع

Aspray, William. 1990.  John Von Neuman and the Origins of Modern Computing.  Cambride , Mass. : MIT Press.

Aspray, William, and Arthur W. Burkes, eds. 1987.  Papers of John Von Neumann on Computing and Computer Theory.  Cambride , Mass. : MIT Press.

Aspray, William F. 1980. From Mathematical Constructivity to Computer Science: Alan Turing, John von Neumann, and the Origins of Computer Science in Mathematical Logic, Unpublished Ph. D. Dissertation, Univ. of Wisconsin , Madison WI.

Aspray, William. 1987. "The Mathematical Reception of the Modern Computer: John von Neumann and the Institute for Advanced Study Computer", in Phillips, Esther R. (ed), Studies in the History of Mathematics, Vol. 26, MAA, Washington DC, pp. 166-194.

Bigelow, Julian. 1980. "Computer Development at the Institute for Advanced Study", in Metropolis, N., J. Howlett, and Gian-Carlo Rota. 1980. A History of Computing in the Twentieth Century, Academic Press, Inc., New York . pp. 291-310.

Birkhoff, G. et al. 1958. "Memorial Papers on John von Neumann", Bull. AMS, Vol. 64, No. 3, Pt. 2.

Bochner, Salomon. 1958. "John von Neumann", Biographical Memoirs, Vol. 32, National Academy of Sciences, pp. 456-451.

Dieudonné, J. 1981 "Von Neumann, Johann (or John)", in Gillespie, Charles C. Dictionary of Scientific Biography, Charles Scribner's Sons, New York , pp. 88-92.

Goldstine, Herman H. 1972. The Computer from Pascal to von Neumann, Princeton Univ. Press, Princeton NJ , 378 pp.

Heims, Steve J. 1980.  John Von Neumann and Norbert Wiener:  From Mathematics to the Technologies of Life and Death.  Cambride , Mass. : MIT Press.

Hurd, Cuthbert. 1981. "Early IBM Computers: Edited Testimony", Ann. Hist. Comp., Vol. 3. No. 1., pp. 163-182.

Levy, Steven. 1992.  Artificial Life: A Report from the Frontier Where Computers Meet Biology.  New York , NY : Vintage Books.

Macrae, Norman. 1992.  John Von Neumann.  New York , NY : Pantheon.

Poundstone, William. 1992.  Prisoner’s Dilemma.  New York , NY : Doubleday.

Ritchie, David. 1986. The Computer Pioneers, Simon & Shuster, Inc., New York , Chapter 9.

سايت دانشجویان کامپيوتر