المسودة الأولى لتقرير حول EDVAC

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

المسودة الأولى لتقرير عن جهاز EDVAC (يُختصر عادةً إلى المسودة الأولى ) هي وثيقة غير مكتملة من 101 صفحة كتبها جون فون نيومان ووزعها هيرمان غولدستاين ، مسؤول الأمن في مشروع ENIAC السري ، في 30 يونيو 1945. تحتوي هذه الوثيقة على أول وصف منشور للتصميم المنطقي لجهاز حاسوب يستخدم مفهوم البرنامج المخزن ، والذي عُرف لاحقًا باسم بنية فون نيومان ؛ وقد أثار هذا الاسم جدلًا واسعًا نظرًا لعدم ذكر فون نيومان أسماء المساهمين الآخرين، وهما جون موشلي وج. بريسبر إيكرت، المهندسان الرئيسيان في مشروع ENIAC.

تاريخ

صفحة العنوان للمسودة الأولى ، نسخة تخص صموئيل ن. ألكسندر ، الذي قام بتطوير جهاز الكمبيوتر SEAC بناءً على التقرير.

كتب فون نيومان التقرير بخط يده أثناء تنقله بالقطار إلى لوس ألاموس، نيو مكسيكو ، وأرسل الملاحظات المكتوبة بخط اليد إلى فيلادلفيا . قام غولدستاين بطباعة التقرير ونسخه. على الرغم من أن تاريخ النسخة المطبوعة هو 30 يونيو، إلا أن 24 نسخة من المسودة الأولى وُزعت على أشخاص ذوي صلة وثيقة بمشروع EDVAC قبل ذلك بخمسة أيام، أي في 25 يونيو. أدى الاهتمام بالتقرير إلى إرساله إلى جميع أنحاء العالم؛ وقد أشار موريس ويلكس من جامعة كامبريدج إلى حماسه لمحتوى التقرير كدافع وراء قراره بالسفر إلى الولايات المتحدة لحضور محاضرات مدرسة مور في صيف عام 1946.

ملخص

يصف فون نيومان تصميمًا مفصلاً لـ "نظام حوسبة رقمي آلي عالي السرعة للغاية". ويقسمه إلى ستة أقسام رئيسية: جزء حسابي مركزي، CA؛ جزء تحكم مركزي، CC؛ ذاكرة، M؛ مدخلات، I؛ مخرجات، O؛ وذاكرة خارجية (بطيئة)، R، مثل البطاقات المثقبة ، أو شريط التلكس ، أو السلك المغناطيسي أو الشريط الفولاذي .

سيقوم الحاسوب بإجراء عمليات الجمع والطرح والضرب والقسمة والجذر التربيعي. أما العمليات الحسابية الأخرى، مثل اللوغاريتمات والدوال المثلثية، فسيتم إجراؤها باستخدام جداول اللوغاريتمات والاستيفاء ، وربما الاستيفاء من الدرجة الثانية . ويشير إلى أنه يمكن إجراء عمليات الضرب والقسمة باستخدام جداول اللوغاريتمات، ولكن للحفاظ على صغر حجم الجداول، سيلزم الاستيفاء، وهذا بدوره يتطلب إجراء عمليات ضرب، وإن كان ذلك بدقة أقل.

يُفترض تمثيل الأعداد بالترميز الثنائي . ويُقدّر أن 27 خانة ثنائية (لم يستخدم مصطلح " بت "، الذي صاغه كلود شانون عام 1948) ستكون كافية (لإعطاء دقة تصل إلى 8 منازل عشرية)، ولكنه يُقرّب الأعداد إلى 30 بت مع بت إشارة وبت آخر لتمييز الأعداد عن رتبها، مما ينتج عنه كلمة من 32 بت يُطلق عليها اسم " الدورة الصغرى". ويُفترض استخدام حساب المتمم الثنائي ، مما يُبسّط عملية الطرح. أما بالنسبة للضرب والقسمة، فيقترح وضع الفاصلة الثنائية بعد بت الإشارة، مما يعني أن جميع الأعداد تُعامل على أنها بين -1 و+1، وبالتالي يجب تعديل مسائل الحساب وفقًا لذلك.

تصميم الدوائر

سيتم استخدام الصمامات المفرغة بدلاً من المرحلات نظرًا لقدرة الصمامات على العمل في ميكروثانية واحدة مقابل 10 مللي ثانية للمرحلات.

يقترح فون نيومان (القسم 5.6) تبسيط تصميم الحاسوب قدر الإمكان، وتجنب أي محاولة لتحسين الأداء عبر تداخل العمليات. تُجرى العمليات الحسابية رقمًا ثنائيًا واحدًا في كل مرة. ويُقدّر أن جمع رقمين ثنائيين يستغرق ميكروثانية واحدة، وبالتالي فإن عملية ضرب عددين مكونين من 30 بت تستغرق حوالي 30 ميكروثانية أو حوالي ميلي ثانية واحدة، أي أسرع بكثير من أي جهاز حاسوبي متاح في ذلك الوقت.

يعتمد تصميم فون نيومان على ما يسميه "عناصر E"، وهي مستوحاة من الخلية العصبية البيولوجية كنموذج، [ 1 ] [ 2 ] ولكنها أجهزة رقمية، كما يقول، يمكن بناؤها باستخدام أنبوب مفرغ واحد أو اثنين. أبسط عنصر E لديه، بلغة حديثة، هو بوابة AND ثنائية المدخلات، مع عكس أحد المدخلات (مدخل التثبيط). تحتوي عناصر E ذات المدخلات المتعددة على عتبة محددة، وتُنتج مخرجًا عندما يساوي عدد إشارات الإدخال الموجبة العتبة أو يتجاوزها، طالما أن خط التثبيط (الوحيد) غير مُفعّل. يذكر فون نيومان أنه يمكن بناء عناصر E ذات المدخلات المتعددة من أبسط نسخة، ولكنه يقترح بناءها مباشرةً كدوائر أنابيب مفرغة، نظرًا لقلة عدد الأنابيب المطلوبة.

يمكن بناء وحدات وظيفية أكثر تعقيدًا باستخدام هذه العناصر الإلكترونية. يشرح كيفية استخدام هذه العناصر لبناء دوائر الجمع والطرح والضرب والقسمة والجذر التربيعي، بالإضافة إلى وحدتي ذاكرة الحالة ودوائر التحكم. وهو لا يستخدم مصطلحات المنطق البولياني .

يجب أن تكون الدوائر متزامنة مع ساعة نظام رئيسية مشتقة من مذبذب أنبوبي مفرغ ، وربما يتم التحكم فيه بواسطة بلورة . تتضمن مخططاته المنطقية رمز رأس السهم للدلالة على وحدة تأخير زمني، حيث يجب مراعاة التأخيرات الزمنية في التصميم المتزامن. ويشير إلى أنه في ميكروثانية واحدة، تنتقل نبضة كهربائية مسافة 300 متر، لذا حتى سرعات ساعة أعلى بكثير، مثل 10⁸ دورة في الثانية (100  ميجاهرتز)، لن يمثل طول السلك مشكلة.

تم ذكر الحاجة إلى اكتشاف الأخطاء وتصحيحها ولكن لم يتم التطرق إليها بالتفصيل.

تصميم الذاكرة

أحد المفاهيم التصميمية الرئيسية التي تم توضيحها، والتي أطلق عليها لاحقًا اسم بنية فون نيومان ، هي ذاكرة موحدة تحتوي على كل من الأرقام (البيانات) والأوامر (التعليمات).

"يتطلب الجهاز ذاكرة كبيرة. وبينما يبدو أن أجزاءً مختلفة من هذه الذاكرة يجب أن تؤدي وظائف تختلف إلى حد ما في طبيعتها وتختلف اختلافاً كبيراً في غرضها، إلا أنه من المغري مع ذلك التعامل مع الذاكرة بأكملها كعضو واحد، وجعل أجزائها قابلة للتبديل قدر الإمكان للوظائف المختلفة المذكورة أعلاه." (القسم 2.5)

"إن الطلبات التي تتلقاها CC تأتي من M، أي من نفس المكان الذي يتم فيه تخزين المواد الرقمية." (القسم 14.0)

قدّر فون نيومان حجم الذاكرة المطلوبة بناءً على عدة فئات من المسائل الرياضية، بما في ذلك المعادلات التفاضلية العادية والجزئية ، وتجارب الفرز والاحتمالات . ومن بين هذه المسائل، تتطلب المعادلات التفاضلية الجزئية في بُعدين بالإضافة إلى الزمن أكبر قدر من الذاكرة، بينما يتجاوز التعامل مع ثلاثة أبعاد بالإضافة إلى الزمن إمكانيات التكنولوجيا المتاحة آنذاك. وخلص إلى أن الذاكرة ستكون أكبر وحدة في النظام، واقترح 8192 دورة فرعية (كلمة) من 32 بت كهدف تصميمي، مع بقاء 2048 دورة فرعية قابلة للاستخدام. وقدّر أن بضع مئات من الدورات الفرعية ستكون كافية لتخزين البرنامج.

يقترح نوعين من الذاكرة السريعة: خط التأخير وأنبوب الأيقونوسكوب . تُعنون كل دورة فرعية كوحدة مستقلة (عنونة الكلمات، القسم 12.8). تُنفذ التعليمات بالتسلسل، مع وجود تعليمة خاصة للانتقال إلى نقطة مختلفة في الذاكرة (أي تعليمة القفز).

تمر الأرقام الثنائية في ذاكرة خط التأخير عبر الخط وتُعاد إلى نقطة البداية. ويؤدي الوصول إلى البيانات في خط التأخير إلى تأخير زمني أثناء انتظار عودة البيانات المطلوبة. بعد تحليل هذه المشكلات الزمنية، يقترح تنظيم ذاكرة خط التأخير في 256 "وحدة" (DLA) تخزن كل منها 1024 بت، أو 32 دورة فرعية، تُسمى دورة رئيسية. عند الوصول إلى الذاكرة، يتم أولاً تحديد وحدة خط التأخير (8 بتات)، ثم الدورة الفرعية داخلها (5 بتات)، ليصبح المجموع 13 بتًا للعنوان.

بالنسبة لذاكرة جهاز الأيقونات، فهو يدرك أن كل نقطة مسح على سطح الأنبوب تمثل مكثفًا، وأن المكثف يمكنه تخزين بت واحد. ستكون هناك حاجة إلى مسح عالي الدقة، ولن تدوم الذاكرة إلا لفترة قصيرة، ربما ثانية واحدة فقط، وبالتالي ستحتاج إلى إعادة نسخها ( تحديثها ) بشكل دوري.

الأوامر (التعليمات)

في القسم 14.1، يقترح فون نيومان صيغةً للأوامر، يُطلق عليها اسم "الرمز". تشمل أنواع الأوامر العمليات الحسابية الأساسية، ونقل الدورات الصغرى بين CA وM (تحميل الكلمات وتخزينها بالمصطلحات الحديثة)، وأمرًا ( s ) يختار أحد رقمين بناءً على إشارة العملية السابقة، والإدخال والإخراج، ونقل CC إلى موقع ذاكرة آخر (قفزة). يحدد فون نيومان عدد البتات اللازمة لأنواع الأوامر المختلفة، ويقترح أوامر فورية حيث تكون الكلمة التالية هي المعامل، ويناقش جدوى ترك بتات إضافية في صيغة الأمر للسماح بذاكرة قابلة للعنونة بشكل أكبر في المستقبل، بالإضافة إلى أغراض أخرى غير محددة. كما يناقش إمكانية تخزين أكثر من أمر واحد في دورة صغرى واحدة، مع عدم حماس كبير لهذا النهج. يُقدم جدول للأوامر، ولكن لم تُدرج أي مناقشة لتعليمات الإدخال والإخراج في المسودة الأولى.

الجدل

كان إصدار التقرير وتوزيعه مصدرًا لخلافات حادة بين فصائل فريق تصميم EDVAC لسببين. [ 3 ] أولًا، اعتُبر التقرير لاحقًا إفصاحًا عامًا حدث قبل أكثر من عام من تقديم طلب براءة اختراع EDVAC، مما جعل براءة الاختراع النهائية غير قابلة للتنفيذ؛ ثانيًا، زعم بعض أعضاء فريق تصميم EDVAC أن مفهوم البرنامج المخزن قد تطور من اجتماعات في كلية مور للهندسة الكهربائية بجامعة بنسلفانيا قبل أن يبدأ فون نيومان عمله كمستشار هناك، وأن جزءًا كبيرًا من العمل المُمثَّل في المسودة الأولى لم يكن سوى ترجمة للمفاهيم التي نوقشت إلى لغة المنطق الصوري التي كان فون نيومان مُلِمًّا بها. وبالتالي، فإن عدم إدراج فون نيومان وغولدستاين أسماء مؤلفين آخرين في المسودة الأولى أدى إلى إسناد الفضل إلى فون نيومان وحده. (انظر تأثير ماثيو وقانون ستيجلر ).

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. ↑ أعلى قيمة هي في الواقع 1 - 2 −30 ، 0.99999999906 في التدوين العشري.

مراجع

  1. ↑ ينسب فون نيومان هذا النموذج إلى وارن ماكولوتش ووالتر بيتس ، "حساب منطقي للأفكار الكامنة في النشاط العصبي" ، نشرة الرياضيات والفيزياء الحيوية، المجلد 5 (1943)، الصفحات 115-133
  2. ↑ عمل فون نيومان عن كثب مع ماكولوتش وبيتس. انظر: الرجل الذي حاول إنقاذ العالم بالمنطق ، بقلم أماندا جيفتير، مجلة نوتيلوس، العدد 21، 4 فبراير 2015
  3. ↑ موي، ويليام ت. (يناير 1996)، إينياك: الثورة التي رعاها الجيش ، مختبر أبحاث الجيش الأمريكي ، مؤرشف من الأصل في 5 مارس 2013 ، تم استرجاعه في 26 نوفمبر 2012

فهرس