von Neumann architecture

สถาปั�ตยกรรมฟอนนอยม�นน�

นางสาว ว�ภาว� ขว�ญเม�อง ม.4/1 เลขที่��10

จอห์�น ฟอน นอยมันน� เปั�นน�กคณิ�ตศาสตร�ชาวอเมร�ก�นเช�"อสายฮั�งการ� ม�ผลงานส%าค�ญใน

หลายสาขา ที่�"ง ควอนต�มฟ(ส�กส� ที่ฤษฎี�เซต ว�ที่ยาการคอมพิ�วเตอร� เศรษฐศาสตร� และ จะว2าไปัแล4วก5ที่6กๆ สาขาในว�ชาคณิ�ตศาสตร� เลย

ก5ว2าได้4เขาเปั�นบุ6ตรชายคนโต ในพิ��น4อง 3 คน ช��อเด้�มของนอยม�นน� ค�อ János Lajos Margittai Neumann เก�ด้ที่��เม�องบุ;ด้าเปัส บุ�ด้าค�อ Neumann Miksa (Max Neumann ) เปั�นน�กการธนาคาร และ มารด้าค�อ Kann Margit (Margaret Kann ) นอยม�นน�ม�ช��อเล2น ว2า "Jancsi " เขาเต�บุโตมาในครอบุคร�วชาวย�วที่��ไม2เคร2งคร�ด้ และได้4แสด้งถ=งความจ%าที่��เปั�นเล�ศ มาต�"งแต2ย�งเปั�นเด้5ก โด้ยสามารถที่%าการหารเลข 8 หล�กในใจได้4ตอนอาย6 6 ปั> . ในปั> ค.ศ . 1911 ก5เข4าเร�ยนที่�� Lutheran Gymnasium (ในปัระเที่ศเยอรมน�, gymnasium หมายถ=ง โรงเร�ยนม�ธยมปัลาย ) พิอปั> ค.ศ . 1913 เน��องจากค6ณิพิ2อของเขาได้4ร�บุต%าแหน2ง (ยศ )เขาจ=งได้4ร�บุช��อในภาษาเยอรม�น von จ=งใช4ช��อเต5มเปั�น János von Neumann

เขาเร�ยนจบุปัร�ญญาเอกสาขาคณิ�ตศาสตร� จาก มหาว�ที่ยาล�ยบุ;ด้าเปัส ปัระเที่ศฮั�งการ� ตอนอาย6 23 ปั>ระหว2างปั> ค.ศ . 1926 ถ=ง 1930 เขาที่%างานเปั�น "อาจารย�อ�สระ " ("Privatdozent " เปั�นต%าแหน2งในระบุบุมหาว�ที่ยาล�ยย6โรปั ส%าหร�บุผ;4ที่��ต4องการจะเปั�นศาสตราจารย�มหาว�ที่ยาล�ย ต%าแหน2งน�"ไม2ม�เง�นเด้�อนปัระจ%า ) โด้ยในขณิะน�"นเขาเปั�นอาจารย�อ�สระที่��อาย6น4อยที่��ส6ด้มหาว�ที่ยาล�ยเบุอร�ล�น ปัระเที่ศเยอรมน�ในปั> ค.ศ . 1930 นอยม�นน�ได้4ร�บุเช�ญให4ไปัย�งเม�องพิร�นซ�ต�น, มลร�ฐน�วเจอร�ซ� และได้4เปั�นหน=�งในหกบุ6คคล (J . W .Alexander, อ�ลเบุ�ร�ต ไอน�สไตน�, Marston Morse, Oswald Veblen, จอห�น ฟอน นอยม�นน� และ Hermann Weyl ) ที่��ถ;กค�ด้เล�อกเพิ��อเปั�นอาจารย�ปัระจ%าช6ด้แรกของ Institute for Advanced Study เขาเปั�นศาสตราจารย�คณิ�ตศาสตร�ที่��น� �น ต�"งแต2เร��มก2อต�"งสาขาว�ชาในปั> ค.ศ . 1933 จนกระที่��งวาระส6ด้ที่4ายของช�ว�ตเขา.ในช2วงสงครามโลกคร�"งที่��สอง นอยม�นน�ได้4ม�ส2วนร2วมใน โครงการแมนฮั�ตต�น (Manhattan Project ) ซ=�งเปั�นโครงการสร4างระเบุ�ด้ปัรมาณิ;ช2วง ค.ศ . 1936 จนถ=ง 1938 แอล�น ที่�วร�ง ได้4เปั�นน�กเร�ยนแลกเปัล��ยนไปัที่��สถาบุ�น และเร�ยนจบุปัร�ญญาเอก โด้ยม�นอยม�นน�เปั�นอาจารย�ที่��ปัร=กษา การไปัเปั�นน�กเร�ยนแลกเปัล��ยนคร�"งน�"ของที่�วร�ง เก�ด้ข="นหล�กจากที่��เขาได้4ด้�พิ�มพิ�บุที่ความว�ชาการ

"On Computable Numbers with an Application to the Entscheidungs-problem " ในปั> ค.ศ . 1934 ได้4ไม2นาน . งานต�พิ�มพิ�น�" เก��ยวข4องก�บุ หล�กการของ logical design และ universal machine . ถ=งแม4จะเปั�นที่��แน2ช�ด้ว2า นอยแมนร; 4ถ=งแนวความค�ด้ของที่�วร�ง แต2ก5ไม2เปั�นที่��แน2ช�ด้ว2า เขาได้4ใช4หล�กการของที่�วร�ง ในการออกแบุบุเคร��อง IAS ที่��ถ;กสร4างในเวลา 10 ปั>ต2อมานอยม�นน�น�"น ได้4ร�บุการขนานนามว2าเปั�น บุ�ด้าของที่ฤษฎี�เกม (game theory ). เขาได้4ต�พิ�มพิ�หน�งส�อ Theory of Games and Economic Behavior โด้ยร2วมเข�ยนก�บุ Oskar Morgenstern ในปั> ค.ศ . 1944 เขาได้4ค�ด้หล�กการ "MAD "(mutually assured destruction ) อาจแปัลไที่ยได้4เปั�น "ร�บุรองได้4ว2าเจ?งไปัด้4วยก�นที่�"งค;2แน2 " ซ=�งเปั�นหล�กการซ=�งใช4เปั�นหล�กส%าค�ญ ในการวางแผนกลย6ที่ธ�ที่างด้4านอาว6ธน�วเคล�ยร�ของอเมร�กา ในช2วงสงครามเย5นนอยม�นน�เปั�นคนค�ด้ สถาปั�ตยกรรมัแบบ ฟอน นอยมันน� ซ=�งใช4ก�นในคอมพิ�วเตอร� (แบุบุที่��ไม2ได้4ปัระมวลผลแบุบุขนาน ) ส2วนใหญ2 พิ;ด้ได้4ว2า คอมพิ�วเตอร�เก�อบุที่�"งหมด้ในโลกน�" เปั�นเคร��องจกรแบบ ฟอน นอยมันน� เขาเปั�นผ;4ร �เร��มสาขา cellular automata และได้4สร4างต�วอย2างช6ด้แรกของ self-replicating automata โด้ยใช4แค2กระด้าษกราฟ ก�บุ ด้�นสอธรรมด้าๆ (ไม2ม�คอมพิ�วเตอร�ช2วยเลย ) ค%าว2า เคร��องจ�กรแบุบุ ฟอน นอยม�นน� ย�งหมายความถ=ง เคร��องจ�กรที่��สร4างตนเองซ%"าได้4 (self-replicating machine)

นอยม�นน�ได้4พิ�ส;จน�ว2า การใช4เคร��องจ�กรที่��สร4างตนเองซ%"าได้4 เปั�นว�ธ�ที่��ม�ปัระส�ที่ธ�ภาพิที่��ส6ด้ ในการที่%าเหม�องขนาด้ใหญ2มากๆ อย2างการที่%าเหม�องบุนด้วงจ�นที่ร� หร�อ แถบุด้าวเคราะห�น4อย เน��องจากกลไกแบุบุน�"จะม�การเต�บุโตเปั�นแบุบุเลขช�"ก%าล�งนอยม�นน�น�บุเปั�นบุ6คคลที่��ฉลาด้ล%"าล=ก และความจ%าที่��เปั�นเล�ศเก�อบุจะเร�ยกได้4ว2า จ%าได้4ที่6กอย2าง ในระด้�บุรายละเอ�ยด้เลยก5ว2าได้4 เขาเปั�นคนชอบุออกส�งคมไม2เก5บุต�ว ชอบุด้��มเหล4า เต4นร%า และ การเร�งรมย� เปั�นคนสน6กสนาน และขบุข�น เส�ยช�ว�ตที่��กร6งวอช�งต�น ด้�.ซ�.จาก การโปัรแกรมเช�งเส4น ที่��เข�ยนโด้ย George B . Dantzig ซ=�งเปั�นผ;4ที่��ค�ด้ค4น simplex method ที่��ใช4แก4ปั�ญหาการโปัรแกรมเช�งเส4น เขาได้4เข�ยนถ=งนอยม�นน� จากปัระสบุการณิ�ที่��ได้4ไปัพิบุและขอค%าแนะน%าจากนอยม�นน� และย�งได้4สะที่4อนถ=งบุ6คคล�กของนอยม�นน� และได้4เล2าถ=งตอนที่��นอยม�นน�ได้4ช2วยเหล�อ โด้ยการตอบุค%าถามของ Hotelling (ผ;4ค�ด้ค4น Principal components analysis ) ระหว2างการน%าเสนอผลงานการโปัรแกรมเช�งเส4นของเขา

สถาปั�ตยกรรมแรกเร��มที่��เร�ยกว2า ฟอนนอยม�นน� (von Neumann Architecture) ค�ด้ค4นโด้ยจอหน� ฟอน นอยม�นน� (John von Neumann) ที่��คร�"งแรกออกแบุบุตามแนวความค�ด้ให4เปั�นเคร��องจ�ด้เก5บุโปัรแกรม (Stored-program Concept) มาต�"งแต2ปั> พิ.ศ . 2488 เร�ยกช��อเคร��องน�"ว2า IAS ถ=งแม4ว2าต2อมาอ�กหลายปั>จ=งสร4างจร�งได้4ส%าเร5จ แต2ก5น�บุได้4ว2าเปั�นเคร��องคอมพิ�วเตอร�ที่��ม�สถาปั�ตยกรรมต4นแบุบุที่��ควรเร��มต4นศ=กษา

โครงสร4างหล�กที่��วไปัของเคร��องคอมพิ�วเตอร� IAS

โครงสร4างหล�กที่��วไปัของเคร��อง IAS ปัระกอบุด้4วย- หน2วยความจ%าหล�ก (Main Memory) ที่%าหน4าที่��จ�ด้เก5บุข4อม;ลและโปัรแกรม- หน2วยค%านวณิและตรรกะ (ALU : Arithmetic and Logic Unit) ที่%าหน4าที่��ด้%าเน�นการก�บุข4อม;ลเลขฐานสอง- หน2วยควบุค6ม (Control Unit) ที่%าหน4าที่��แปัลค%าส��งภาษาเคร��อง (Instructions) ที่��จ�ด้เก5บุใน-- หน2วยความจ%าหล�กเพิ��อให4ส� �งกระที่%าการ (Execute) ต2อไปั- หน2วยข4อม;ลร�บุเข4า-ส2งออก (Input/Output Unit) ที่%าหน4าที่��แปัลงส�ญญาณิและการแที่นค2าข4อม;ลที่��ร �บุเข4า-ส2งออกตามที่��หน2วยควบุค6มส��งการ

[ พิ.ศ.2492 ] ด้ร.จอห�น ฟอน น�วแมนน� ( Dr.John Von Neumann ) ได้4สร4างเคร��องคอมพิ�วเตอร�ที่��สามารถเก5บุค%าส��งการปัฏิ�บุ�ต�งานที่�"งหมด้ไว4ภายในเคร��อง ช��อว2า EDVAC น�บุเปั�นคอมพิ�วเตอร�เคร��องแรกที่��สามารถเก5บุโปัรแกรม ไว4ในเคร��องได้4

หน2วยความจ%าหล�กม�ขนาด้ 1 ,000 ค%า (Words) แต2ละค%าม�ความยาว 40 บุ�ตใช4เก5บุได้4ที่�"งข4อม;ลหร�อค%าส��ง

หากจ�ด้เก5บุข4อม;ลต�วเลขจะใช4เลขฐานสองระบุบุการแที่นค2าแบุบุม�บุ�ตเคร��องหมาย หากแที่นค%าส��งภาษาเคร��องจะยาวสองค%าส��ง แต2ละค%าส��งยาว 20 บุ�ต โด้ยที่��ส2วนแรก 8 บุ�ตเปั�นรห�สด้%าเน�นการ (Operation Code or Op Code) อ�ก 12 บุ�ตเปั�นค2าเลขที่��อย;2ของต�วถ;กด้%าเน�นการ (Operand) หน2วยควบุค6มจะส��งการให4ม�การอ2านค%าส��งภาษาเคร��องมาจากหน2วยความจ%าหล�ก เพิ��อแปัลและส��งที่%างาน เช2นเด้�ยวก�นก�บุหน2วยค%านวณิและตรรกะ ที่�"งสองหน2วยน�"จะต4องอาศ�ยเรจ�สเตอร�จ%านวนหน=�งในการปัฏิ�บุ�ต�งาน

องค�ปัระกอบุหล�กภายในเคร��อง คอมพิ�วเตอร�

-เรจ�สเตอร�พิ�กความจ%า (MBR : Memory Buffer Register) ยาวขนาด้หน=�งค%า ที่%าหน4าที่��จ�ด้เก5บุ พิ�กข4อม;ลที่��จะน%าเข4า-ออกจากหน2วยความจ%าหล�ก-เรจ�สเตอร�เลขที่��อย;2ความจ%า (MAR : Memory Address Register) ที่%าหน4าที่��จ�ด้เก5บุค2าเลขที่��อย;2ของหน2วยความจ%าหล�กที่��จะที่%าการอ2าน-เข�ยนที่6กคร�"ง-เรจ�สเตอร�ค%าส��ง (IR : Instruction Register) ขนาด้ยาว 8 บุ�ต ที่%าหน4าที่��จ�ด้เก5บุรห�สด้%าเน�นการที่��ก%าล�งส��งการในขณิะน�"น-เรจ�สเตอร�พิ�กค%าส��ง (IBR : Instruction Buffer Register) เปั�นที่��พิ�กค%าส��งที่างขวาช��วคราวระหว2างที่��รอการส��งที่%างานต2อไปั-ต�วน�บุโปัรแกรม (PC : Program Counter) เปั�นเรจ�สเตอร�ที่%าหน4าที่��จ�ด้เก5บุค2าเลขที่��อย;2ของค%าส��งค;2ล%าด้�บุต2อไปัที่��จะอ2านมาจากหน2วยความจ%าหล�ก-ต�วสะสมและต�วค;ณิก�บุผลหาร (AC : Accumulator and MQ : Multiplier Quotient) ต�วสะสมเปั�นเรจ�สเตอร�ที่%าหน4าที่��เปั�นที่��พิ�กข4อม;ลต�วเลขที่6กคร�"งที่��จะม�การค%านวณิในหน2วยค%านวณิและตรรกะ ส2วนต�วค;ณิก�บุผลหารเปั�นเรจ�สเตอร�ที่%าหน4าที่��ร 2วมก�บุต�วสะสม เพิ��อจ�ด้เก5บุผลล�พิธ�ในการค;ณิหร�อหาร เน��องจากต�วสะสมเพิ�ยงต�วเด้�ยว ม�ความยาวไม2เพิ�ยงพิอที่��จะจ�ด้เก5บุผลล�พิธ�จากการค;ณิหร�อหารได้4ที่�"งหมด้ และเม��อการค%านวณิเสร5จส�"นแล4ว ก2อนที่��จะม�การน%าข4อม;ลผลล�พิธ�น�"นไปัจ�ด้เก5บุในหน2วยความจ%าหล�กที่��หน2วยอ��นต2อไปัได้4น�"น ก5ต4องพิ�กข4อม;ลด้�งกล2าวไว4ช� �วคราวที่��น��เช2นก�น

เคร��อง IAS ที่%างานตามว�ฏิจ�กรค%าส��ง (Instruction Cycle) ที่��แบุ2งเปั�นสองช2วง ช2วงแรกเร�ยกว2า รอบุไปัน%าค%าส��งมา (Fetch Cycle) เร��มจากการน%ารห�สด้%าเน�นการของค%าส��งจะถ;กน%าไปัไว4ที่��เรจ�สเตอร�ค%าส��ง โด้ยส2วนของต�วถ;กด้%าเน�นการจะส2งไปัที่��เรจ�สเตอร�เลขที่��อย;2ความจ%า เม��อหน2วยความจ%าหล�กได้4ร�บุส�ญญาณิควบุค6ม (Control Signal) จากหน2วยควบุค6มส��งให4อ2าน ค%าที่��อ2านมาได้4น�"นจะส2งไปัพิ�กก2อนที่��เรจ�สเตอร�พิ�กความจ%า แล4วจ=งส2งต2อไปัที่��เรจ�สเตอร�พิ�กค%าส��งเปั�นอ�นส�"นส6ด้ช2วงแรก เน��องจากสถาปั�ตยกรรมน�"ม�เรจ�สเตอร�เพิ�ยงต�วเด้�ยวที่%าหน4าที่��ในการก%าหนด้เลขที่��อย;2ในการอ2าน-เข�ยนหน2วยความจ%าหล�ก และต�วเด้�ยวที่��จะเก5บุพิ�กข4อม;ลน�"น ที่%าให4เก�ด้การรอคอยและล2าช4าได้4

ช2วงที่��สองเร�ยกว2า รอบุการกระที่%าการ (Execution Cycle) วงจรในส2วนของหน2วยควบุค6มเม��อแปัลรห�สด้%าเน�นการได้4แล4ว จะปัล2อยส�ญญาณิควบุค6มไปัส��งการย�งหน2วยต2างๆ อาจเปั�นการส��งให4หน2วยค%านวณิและตรรกะที่%างาน หร�อหน2วยความจ%าหล�กที่%างานตามความหมายของรห�สด้%าเน�นการที่��แปัลได้4น�"นต2อไปั โด้ยเม��อจบุส�"นส6กค%าส��งหน=�งๆ แล4ว ค2าเลขที่��อย;2ของค%าส��งถ�ด้ไปัจะถ;กก%าหนด้ไว4ที่��ต�วน�บุโปัรแกรมเสมอ

ค%าส��งภาษาเคร��องของ IAS ใช4ความยาวขนาด้ 8 บุ�ตในการแที่นค2า จ�ด้แบุ2งค%าส��งออกเปั�นหลายกล62ม

แสด้งข�"นตอนของการกระที่%าการค%าส��งเคร��อง IAS

ได้4แก2-กล62มค%าส��งถ2ายโอนข4อม;ล (Data Transfer) เปั�นค%าส��งที่��ให4ม�การถ2ายโอนข4อม;ลระหว2างหน2วยความจ%าหล�กก�บุหน2วยค%านวณิและตรรกะ หร�อระหว2างเรจ�สเตอร�ของหน2วยค%านวณิและตรรกะเอง-กล62มค%าส��งแยกที่างอย2างไม2ม�เง��อนไข (Unconditional Branch) เปั�นค%าส��งเปัล��ยนแปัลงค2าในต�วน�บุโปัรแกรมไม2ให4ที่%างานตามล%าด้�บุ แต2ให4กระโด้ด้ไปัย�งเลขที่��อย;2อ��นตามที่��ค%าส��งน�"นส��งการในที่�นที่�-กล62มค%าส��งแยกที่างตามเง��อนไข (Conditional Branch) เปั�นค%าส��งให4ที่%าการตรวจสอบุเง��อนไขที่��ก%าหนด้ไว4เส�ยก2อน ว2าม�ค2าเปั�นจร�งหร�อเที่5จ แล4วจ=งด้%าเน�นการต2อไปัได้4-กล62มค%าส��งค%านวณิที่างเลขคณิ�ต (Arithmetic) เปั�นค%าส��งให4ด้%าเน�นการที่างเลขคณิ�ตโด้ยหน2วยค%านวณิและตรรกะ-กล62มค%าส��งปัร�บุปัร6งเลขที่��อย;2 (Address Modify) เปั�นค%าส��งอน6ญาตให4หน2วยค%านวณิและตรรกะ สามารถน%าค2าเลขที่��อย;2ของค%าส��งไปัเปัล��ยนแปัลงค2าใหม2 ก2อนน%าไปัรวมก�บุต�วค%าส��งแล4วเก5บุในหน2วยความจ%าได้4 เพิ��อให4เก�ด้ความย�ด้หย62นในการก%าหนด้เลขที่��อย;2ของโปัรแกรม

The end :)The end :)