SEMESTR

1
SEMESTRÁLNÍ PRÁCE Z PREDMETU HARDWARE POCÍTACU
Von Neumannova koncepce pocítace

• Jan Vymetal

2

• Na myšlenku, že pocítace by mohly být rízeny
  programem, prišel více než sto let pred Johnem
  von Neumannem anglican Charles Babbage. Konkrétní
  zpusob realizace této myšlenky se ovšem vyvíjel
  postupne
• první predstava byla taková, že pocítac má svuj
  program zaznamenán na nejakém vnejším záznamovém
  médiu
• To ale sebou prináší nekteré nepríjemné
  komplikace - napríklad provedení skoku znamená
  premotání derné pásky na požadované místo
  (analogicky pro štítky), což trvá nezanedbatelnou
  dobu.
• Proto John von Neumann navrhl uchovávat program
  takovým zpusobem, aby byl celý trvale k dispozici
  (tj. aby se nemusel postupne nacítat), a aby bylo
  možné v nem libovolne (a hlavne "okamžite")
  skákat - navrhl tedy uchovávání celého programu v
  pameti pocítace, a navíc v takové pameti, která
  nemá sekvencní charakter, ale chová se jako pamet
  s tzv. prímým prístupem.

3

• Velmi zajímavým momentem bylo také zpochybnení
  dosud zastávané predstavy o tom, že program a
  data jsou principiálne odlišné objekty, které v
  zásade není možné jakkoli míchat (a tudíž ani
  uchovávat spolecne).
• Snad nejvýznamnejší myšlenkou celé von Neumannovy
  architektury je práve zásada, že program i data
  jsou ve své podstate jedno a totéž (a to
  posloupnost bitu), a o jejich povaze rozhoduje
  pouze zpusob, jakým je interpretuje ten, kdo s
  nimi pracuje. Tato zásada pak von Neumannovi
  umožnila navrhnout, aby pocítac mel jedinou pamet
  (tzv. operacní pamet), ve které by se spolecne
  uchovávaly jak data, tak i celé programy.
• Pokud bychom trvali na tom, že data a program
  jsou neco v principu jiného, musel by prekladac a
  sestavující program vygenerovat preložený program
  do pameti pro data, a odsud by pak musel být
  tento program explicitne prenesen do pameti pro
  programy, odkud by teprve mohl být spušten

4

• Dovedete si predstavit, jak by na takovémto
  pocítaci fungovaly všechny ty dnešní integrované
  prekladace typu compilego (tj. "prelož a ihned
  spust")!
• A co teprve nejruznejší ladící programy
  (debuggery), které se chvíli dívají na jednu a
  tutéž posloupnost bitu jako na program, a chvíli
  se k nim zase chovají jako k datum?

5

• Další zásadní myšlenkou celé von Neumannovy
  koncepce je ciste sekvencní zpusob fungování
  pocítace.
• Tato predstava pocítá s tím, že jednotlivé
  strojové instrukce, tvorící program, se budou
  provádet postupne tak, jak jsou umísteny za sebou
  (až na prípadné skoky, volání a návraty z
  podprogramu). Ve své podstate tento prístup
  znamená, že úkol, který má být splnen, je
  rozdelen na posloupnost kroku, a tyto se provádí
  postupne - nikoli soubežne!
• Pro cloveka, který takovýto program píše, je jeho
  dekompozice do posloupnosti sekvencne provádených
  kroku mnohem prirozenejší a jednodušší, než
  rozklad do takových cinností, které se mohou
  provádet soubežne, mohou se prolínat v case, a je
  nutné dbát na jejich správnou návaznost

6

• Ciste sekvencní charakter je dnes tím, co je von
  Neumannove architekture snad nejvíce vycítáno.
  Duvodem je skutecnost, že sekvencní charakter
  výpoctu nedává témer žádný prostor pro jejich
  zásadní zrychlení, které by naopak bylo možné,
  kdyby nekteré cinnosti bylo možné provádet
  soubežne (paralelne).

7

• Objevily se samozrejme i ruzné alternativní
  architektury (tzv. ne-von Neumannovské), které s
  možností paralelismu predem pocítají. Ovšem
  skutecnost, že se prosadily jen v dosti
  speciálních aplikacích, naznacuje zajímavou
  souvislost že není ani tak težké zkonstruovat
  paralelní pocítac, jako jeho paralelismus využít!
• Problém je tedy spíše v samotném cloveku, který
  musí stále ješte zajištovat algoritmizaci
  rešených úkolu, neboli jejich vhodné
  naprogramování. Lidskému myšlení je skutecne
  blíže sekvencní postup, než velká míra
  paralelismu.

8

• Velmi duležitou myšlenkou, která se prosadila v
  rámci von Neumannovy architektura, je následující
  zásada pocítac by se nemel prizpusobovat
  potrebám konkrétní aplikace svou vnitrní
  strukturou, ale pouze programem. Jinými slovy
  vnitrní struktura pocítace by se nemela menit, a
  mela by být maximálne univerzální, tak aby
  vycházela vstríc potrebám co možná nejširšího
  okruhu aplikací. "Šité na míru" by naopak mely
  být programy.

9

• Popis zjednodušené funkce pocítace podle von
  Neumanna
• Úloha se zadá vstupní jednotce v podobe dat a
  programu cinnosti pocítace.
• Radic iniciuje vstupní jednotku, aby úlohu
  prijala (provede operátor od rídicího pultu).
• Vstupní jednotka prevede podle vnitrních pravidel
  systému zadání do rady nul a jednicek, data a
  program prevede do bunek operacní pameti (které
  si lze predstavit jako adresovatelné prihrádky).
  Program je rada instrukcí popisujících postup pri
  rešení úlohy.
• Radic prevezme z operacní pameti první instrukci
  s pokynem co má udelat.
• Radic vydá príkaz operacní pameti, která data z
  bunek na urcených adresách má vydat aritmetické
  jednotce.

10

• 6. Pamet predá data z uvedených adres do registru
  aritmetické jednotky.
• 7. Radic prikáže aritmetické jednotce, aby
  provedla s daty, která nabehla do registru,
  operaci podle instrukce c.1 (napr. aby secetla,
  logicky porovnala a pod.).
• 8. Výsledek výpoctu, ci logického porovnání se
  uloží do operacní pameti.
• 9. Radic je informován o uložení predchozí
  operace, což je podmínkou k zahájení následující
  operace, ke které si krokem 4 vyžádá v programu
  následující instrukci, a tím se zacne opakovat
  cyklus kroku 4 až 8 tak dlouho, až se dospeje k
  vyrešení úlohy .
• 10. Radic zapojí výstupní jednotku, která predá
  výsledek úlohy. Pritom se predpokládá, že adresa,
  kde je výsledek úlohy v operacní pameti uložen,
  soucasne prikázal krokem 5.

11
NEUMANNOVO SCHÉMA
12

• Tato zásada má jednu obrovskou výhodu veškerou
  složitost, spojenou s rešením urcitého zadání,
  prevádí pouze na složitost návrhu programu (a
  nikoli na složitost návrhu vnitrní struktury
  pocítace) - reší ji tedy jen v softwaru, a nikoli
  v hardwaru. I v oblasti návrhu hardwaru
  samozrejme existují ruzné metody a nástroje,
  umožnující vyrovnat se s velkou složitostí
  rešeného úkolu, ale na poli softwaru jsou
  analogické metody a nástroje mnohem výkonnejší,
  lacinejší i rychlejší, a v dusledku toho umožnují
  zvládnout i složitejší a nárocnejší úkoly.

13

• Jinou otázkou je ovšem efektivnost tohoto rešení.
  Pocítac von Neumannovy koncepce je zcela zámerne
  navržen tak, aby na nem šlo naprogramovat
  prakticky cokoli. Na druhé strane hardware, který
  je "šit na míru" potrebám nejakého úzce
  vymezeného okruhu aplikací, bude zcela zákonite
  efektivnejší. Príkladem muže být skutecnost, že
  úspešné šachové pocítace nejsou univerzálními
  pocítaci, ale pocítaci úzce specializovanými.
• Na vývoji von Neumannovy architektury je zajímavé
  i to, že k nejvetšímu poctu jejích vylepšení
  došlo pomerne brzy po jejím vzniku (zhruba do
  roku 1960). Poté následovalo urcité období
  "klidu", a teprve pozdeji, v souvislosti s
  vývojem v oblasti polovodicových a jiných
  technologií, se zase objevují další zajímavá
  vylepšení puvodní von Neumannovy architektury.

14
KONEC