jobbra|bélyeg|350px|A Neumann-architektúra azaz egy Neumann elvű számítógép felépítése, amely három fő komponensből áll: memória, központi egység (CU,ALU), és a bemeneti/kimeneti perifériák

Az első elektronikusan működő számítógép, az ENIAC (angolul Electronic Numerical Integrator And Computer) építési tapasztalatai alapján a számítógép építéséhez nélkülözhetetlen alapelveket Neumann János matematikus dolgozta ki, aki az ENIAC-nál gyorsabb, megbízhatóbb, egyszerűbb és könnyebben kezelhető gépet szeretett volna megépíteni. Az általunk ma Neumann-elveknek nevezett kritériumrendszert elsőként az 1945. június 30-án kiadott „First Draft of a Report on the Edvac” című művében publikálta. Neumann János 1945-ben a Princentoni Egyetemen az elektronikus számítógép program igazgatója volt, amikor Herman Goldstine-nal megépítették az akkori legkorszerűbb, tárolt programmal vezérelt számítógépet, amit kutatási célokra terveztek. Az 1949-ben megépített EDVAC (angolul Electronic Discrete Variable Automatic Computer), már Neumann elgondolásai alapján épült és a világon az első, belső programvezérlésű, elektronikus, digitális, univerzális számítógép volt. Neumann Jánosnak az "EDVAC-jelentés első vázlata" című meghatározó munkája a teljes elemzését adta az EDVAC tervezett architektúrájának. A jelentés tartalmazta a megépítendő számítógép javasolt felépítését, a részegységek megépítéséhez szükséges logikai áramköröket és a gép kódját. thumb|Neumann János számítógép építést forradalmasító First Draft of a Report on the EDVAC című és 1945. június 30. keltezésű alkotásának első oldala

Néhány gondolat Neumann „First Draft of a Report on the EDVAC” (Első vázlat az EDVAC-ról készült jelentéshez) című művéből: „Nagyon nagy sebességű, automatikus, digitális számítási rendszerekkel (computing system) és ezek logikai vezérlésével foglalkozunk.” „Egy automatikus számítási rendszer olyan berendezés, amely utasítások végrehajtására képes abból a célból, hogy számításokat végezzen jelentős bonyolultságú problémák, például nemlineáris parciális differenciálegyenletek numerikus megoldása céljából.” „Az utasításokat részletesen meg kell adni. Az utasításoknak tartalmazniuk kell minden numerikus információt, amely a probléma megoldásához szükséges, mégpedig a kezdő és peremfeltételeket, a fix paraméterek értékeit, sőt azokat a függvénytáblákat is, amelyek a probléma leírásában szerepelnek.” „Differenciálegyenletek megoldásánál a kezdeti, illetve a peremfeltételek nagy numerikus anyagot jelenthetnek, ezeket is meg kell jegyezni, tárolni kell, tehát ehhez is szükséges a memóriaegység.”

A Neumann-elvek szerint a gépnek öt alapvető funkcionális egységből kell állnia: aritmetikai egység, központi vezérlőegység, különböző memóriák, bemeneti egység, kimeneti egység, s ami lényegesebb: a gép működését a tárolt program elvére kell alapozni. Az elvek között szerepel a program soros végrehajtása is.

A Neumann-elvek publikációit teljesen szabadon közreadták, így az EDVAC első üzembe helyezésekor már néhány egyéb Neumann-elvű számítógép is létezett a világban. EDSAC (angolul Electronic Delay Storage Automatic Calculator), UNIVAC (angolul Universal Automatic Computer). Az elvek alapján készült más korai számítógépek: Korai Neumann-architektúrájú számítógépek

Neumann-elvek jobbra|bélyegkép|Neumann János a mai modern Neumann-elvű számítógépek építéséhez 1946-ban dolgozta ki az alapelveket Teljesen elektronikus működés (ez Neumann idejében elektroncsöves felépítést jelentett, amit később a tranzisztoros, majd az integrált áramkörös felépítés követett) Kettes számrendszer használata (az összes művelet, pl. összeadás, szorzás, kettes számrendszerbeli logikai műveletekre redukálható) Belső memória használata (operatív memória) Tárolt program elve. A számításokhoz szükséges adatokat és programutasításokat a gép azonos módon, egyaránt a belső memóriában (operatív tár) tárolja.A program-, és adatmemória fizikailag közös, ebből származik az architektúra legnagyobb hátránya: a sebezhetőség. (A memóriában tárolt bájtokról nem tudjuk eldönteni, hogy adatot vagy programkódot tartalmaznak, ezt csak a felhasználás módja dönti el!) Ezt használják ki a vírusok, amikor a felhasználó számára adatnak tűnő állományt (például kép) tölt le, miközben a gép a benne található káros kódot futtatja. Soros utasítás-végrehajtás (az utasítások végrehajtása időben egymás után történjen; ennek egy alternatívája a párhuzamos utasítás-végrehajtás, amikor több utasítás egyidejűleg is végrehajtható: ezt a lehetőséget Neumann elvetette) Univerzális felhasználhatóság, Turing-gép (programozhatóság; a különböző feladatok programokkal legyenek megoldva, nem pedig erre a célra épített hardverrel) Szerkezet: öt funkcionális egység (aritmetikai egység, központi vezérlőegység, memóriák, bemeneti és kimeneti egységek)

A Neumann-elvű számítógépek elméleti felépítése (a Neumann-architektúra) jobbra|bélyegkép|300px|A Neumann-elvű számítógépek elméleti felépítése

Egy Neumann-architektúrájú számítógép a következő egységekből épül fel: központi egység központi feldolgozó egység központi vezérlő egység aritmetikai-logikai egység regiszterblokk gyorsítómemória matematikai társprocesszor operatív tár (memória) háttértárak perifériák input perifériák output perifériák

A központi vezérlőegységeket (CPU: Central processing unit), azaz a processzorokat működésük szempontjából két külön kategóriába sorolhatjuk. Az egyik a Neumann-architektúra a másik Harvard-architektúra szerint működik. A két architektúra abban különbözik, hogy a Neumann-elvű esetében megegyezik az adat- és a programmemória, míg a Harvard-architektúrájú számítógép esetén a program- és adatmemória különbözik.

Perifériák Neumann elvei alapján központi egység (CPU, Central Processing Unit, Központi Feldolgozó Egység, processzor) memória ROM (Read-Only Memory) csak olvasható RAM (Random Access Memory) olvasható, írható és bővíthető háttértárak merevlemez SSD flashmemória pendrive külső háttértár CD / DVD hajlékonylemez stb. bemenet billentyűzet egér érintőképernyő mikrofon digitális kamera játék vezérlő / botkormány stb. kimenet monitor nyomtató hangszóró világitás stb.

Jegyzetek

Források – Neumann 1945-ös cikke: "Az első vázlat az EDVAC-ról készülő jelentéshez"

Kovács Győző, Szelezsán János: Gondolatok Neumann János First Draft of a Report on the EDVAC című, 1945 júniusában megjelent tanulmányáról (pdf) – Neumann 1972-ben megjelent műve magyarul

További információk Neumann János, First Draft of a Report on the EDVAC – az NJSZT oldala Neumann János alapvető tanulmányáról, hivatkozások az angol nyelvű eredeti digitalizált változatára és a megjelent cikk tisztázott, korrektúrázott dokumentumára, a szerkesztő, Michael D. Godfrey előszavával.

Kapcsolódó szócikkek Neumann-architektúra – benne a korai Neumann-architektúrájú számítógépek felsorolása Turing-gép Aritmetikai-logikai egység absztrakt automata sejtautomata formális nyelv kiszámíthatóság-elmélet nem-determinisztikus Turing-gép Turing-kiszámíthatóság Harvard-architektúra Módosított Harvard architektúra

Kategória:Informatika