Arquitectura de Von Neumann para niños

Diagrama de la arquitectura von Neumann.

Diagrama de la arquitectura von Neumann.

Diagrama de la arquitectura von Neumann.

La arquitectura von Neumann, también conocida como modelo de von Neumann o arquitectura Princeton, es una arquitectura de computadoras basada en la descrita en 1945 por el matemático y físico John von Neumann y otros, en el primer borrador de un informe sobre el EDVAC. Este describe una arquitectura de diseño para un computador digital electrónico con partes que constan de una unidad de procesamiento que contiene una unidad aritmético lógica y registros del procesador, una unidad de control que contiene un registro de instrucciones y un contador de programa, una memoria para almacenar tanto datos como instrucciones, almacenamiento masivo externo, y mecanismos de entrada y salida. El concepto ha evolucionado para convertirse en un computador de programa almacenado en el cual no pueden darse simultáneamente una búsqueda de instrucciones y una operación de datos, ya que comparten un bus en común. Esto se conoce como el cuello de botella Von Neumann, y muchas veces limita el rendimiento del sistema.

El diseño de una arquitectura von Neumann es más simple que la arquitectura Harvard más moderna, que también es un sistema de programa almacenado, pero tiene un conjunto dedicado de direcciones y buses de datos para leer datos desde memoria y escribir datos en la misma, y otro conjunto de direcciones y buses de datos para ir a buscar instrucciones.

Un ordenador digital de programa almacenado es aquel que mantiene sus instrucciones de programa, así como sus datos, en una memoria de acceso aleatorio (RAM) de lectura-escritura. Las computadoras de programa almacenado representaron un avance sobre los ordenadores controlados por programas de la década de 1940, como la Colossus y la ENIAC, que se programaron mediante el establecimiento de conmutadores y la inserción de cables de interconexión para enrutar datos y para controlar señales entre varias unidades funcionales. En la gran mayoría de las computadoras modernas, se utiliza la misma memoria tanto para datos como para instrucciones de programa, y la distinción entre von Neumann vs. Harvard se aplica a la arquitectura de memoria caché, pero no a la memoria principal.

Historia

Las primeras máquinas de computación tenían programas fijos. Algunos equipos muy simples siguen utilizando este diseño, ya sea por motivos de simplificación o de formación. Por ejemplo, una calculadora de escritorio es (en principio) una computadora de programa fijo. En ella, se pueden hacer matemáticas básicas, pero no puede ser utilizada como procesador de texto o consola de juegos. Cambiar el programa de una máquina de programa fijo requiere re cablear, reestructurar, o re diseñar la máquina. Las primeras computadoras no eran tanto "programadas" ya que fueron "diseñadas"."Reprogramar" cuando era posible, era un proceso laborioso que comenzaba con diagramas de flujo y notas de papel, seguido de diseños detallados de ingeniería y luego el muchas veces arduo proceso de recablear físicamente y reconstruir la máquina. Podía tomar hasta tres semanas preparar un programa de ENIAC y conseguir que funcionara.

Esa situación cambió con la propuesta de la computadora con programa almacenado. Una computadora de programa almacenado incluye, por diseño, un conjunto de instrucciones y puede almacenar en la memoria un conjunto de instrucciones (un programa) que detalla la computación.

Un diseño de programa almacenado también permite un código mutante. Una primera motivación para una instalación de este tipo fue la necesidad de que un programa incremente o modifique de otro modo la porción de dirección de instrucciones, lo cual, en los primeros diseños, tenía que hacerse manualmente. Esto llegó a ser menos importante cuando los registros índice y modos de direccionamiento se convirtieron en características habituales de la arquitectura de la máquina. Otro uso fue para incrustar datos frecuentemente usados en el flujo de instrucciones utilizando direccionamiento inmediato. El código mutante ha caído en gran parte en desuso, ya que suele ser difícil de entender y de depurar, además de ser ineficiente, en favor de los regímenes de los modernos procesadores pipelines y del almacenamiento en caché.

A gran escala, la capacidad para tratar a las instrucciones de la misma forma que si fueran datos es lo que hacen los ensambladores, compiladores, enlazadores, cargadores, y otras posibles herramientas automáticas de programación. Se puede "escribir programas que escriban programas". En una escala menor, las intensivas operaciones repetitivas de E/S –como los primeros manipuladores de imágenes BitBLT o los sombreadores de píxeles y vértices en los gráficos 3D modernos–, se consideraron ineficaces al funcionar sin necesidad de hardware personalizado. Estas operaciones podrían acelerarse en los procesadores de propósito general con tecnología de "compilación mosca" ("compilación en tiempo de ejecución"), por ejemplo, programas de código generado, una forma de código automodificable que ha mantenido popularidad.

Hay algunas desventajas para el diseño de von Neumann. Aparte del cuello de botella de von Neumann descrito a continuación, las modificaciones del programa pueden ser muy perjudiciales, ya sea por accidente o por diseño. En algunos diseños simples de computadora con programa almacenado, un programa que no funcione correctamente puede dañarse, dañar a otros programas, o inclusive al sistema operativo, lo que puede dar lugar a un desplome o crash de la computadora. Normalmente, la protección de memoria y otras formas de control de acceso pueden proteger tanto de modificaciones accidentales como de programas maliciosos.

Desarrollo del concepto de programa almacenado

El matemático Alan Turing, quien había sido alertado de un problema de lógica matemática por las lecciones de Max Newman en la Universidad de Cambridge, escribió un artículo en 1936 titulado On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem, que fue publicado en los Proceedings of the London Mathematical Society. En él describía una máquina hipotética que llamó "máquina computadora universal", y que ahora es conocida como la "Máquina de Turing universal". La máquina hipotética tenía un almacenamiento infinito (memoria en la terminología actual) que contenía tanto las instrucciones como los datos. John von Neumann conoció a Turing cuando ejercía de profesor sustituto en Cambridge en 1935 y también durante el año PhD que Turing pasó en la Institute for Advanced Study en Princeton, Nueva Jersey durante 1936-37. Cuándo supo del artículo de 1936 de Turing no está claro.

En 1936, Konrad Zuse también anticipó en dos solicitudes de patente qué instrucciones de la máquina podían ser almacenadas en el mismo almacenamiento utilizado para los datos.

Independientemente, J. Presper Eckert y John Mauchly, quienes estaban desarrollando el ENIAC en la Escuela Moore de Ingeniería Eléctrica en la Universidad de Pensilvania, escribieron sobre el concepto de “programa almacenado” en diciembre de 1943. En enero de 1944, mientras diseñaba una nueva máquina, EDVAC, Eckert escribió que se almacenarían datos y programas en un nuevo dispositivo de memoria direccionable, una memoria de línea de retardo. Ésta fue la primera vez que se propuso la construcción de un práctico programa almacenado. Por esas fechas, no tenían conocimiento del trabajo de Turing.

Von Neumann estaba involucrado en el Proyecto Manhattan en el Laboratorio Nacional Los Álamos, el cual requería ingentes cantidades de cálculos. Esto le condujo al proyecto ENIAC, en verano de 1944. Allí se incorporó a los debates sobre el diseño de un ordenador con programas almacenados, el EDVAC. Como parte del grupo, se ofreció voluntario a escribir una descripción de él. El término "von Neumann architecture" surgió del primer artículo de von Neumann: "First Draft of a Report on the EDVAC", fechado el 30 de junio de 1945, el cual incluía ideas de Eckert y Mauchly. Estaba inconcluso cuando su compañero Herman Goldstine lo hizo circular con sólo el nombre de von Neumann escrito en él, para consternación de Eckert y Mauchly. El artículo fue leído por docenas de compañeros de trabajo de von Neumann en América y Europa, e influenció la siguiente hornada de diseños de computadoras.

Por lo tanto, von Neumann no se encontraba solo en el desarrollo de la idea de la arquitectura de programa almacenado, y Jack Copeland considera que es "históricamente inapropiado referirse a las computadoras electrónicas digitales de programa almacenado como 'máquinas de von Neumann'". Su colega del colegio Los Álamos, Stan Frankel dijo de las consideraciones de von Neumann con respecto a las ideas de Turing:

Sé que en o alrededor de 1943 o '44 von Neumann era muy consciente de la importancia fundamental del papel de 1936 de Turing... von Neumann me presentó a ese papel y, en su insistencia, lo estudié con cuidado. Muchas personas han aclamado a von Neumann como el "padre de la computadora" (en el sentido moderno del término), pero estoy seguro de que él mismo nunca habría cometido ese error. Él bien podría haberse llamado tal vez la comadrona, pero con firmeza enfatizó para mí, y estoy seguro que para otros, que la concepción fundamental se debe a Turing—en la medida en que Babbage no lo anticipó... Por supuesto, tanto Turing como von Neumann también hicieron importantes contribuciones a la "puesta en práctica" de estos conceptos, pero yo no consideraría esto como comparable en importancia con la introducción y explicación del concepto de una computadora capaz de almacenar en su memoria su programa de actividades, y de modificar ese programa en el curso de estas actividades

En el mismo momento en que el informe "Primer Borrador" fue distribuido, Turing desarrolló un informe técnico detallado, Proposed Electronic Calculator, que describe en detalle la ingeniería y la programación, su idea de una máquina que fue llamada la Automatic Computing Engine (ACE). Presentó este al Laboratorio Nacional de Física Británico el 19 de febrero de 1946. A pesar de que Turing sabía por su experiencia de guerra en el Parque Bletchley que su propuesta era factible, el secretismo mantenido durante muchas décadas acerca de los ordenadores Colossus le impidió manifestarlo. Se produjeron varias implementaciones del diseño ACE de forma exitosa.

Los trabajos tanto de von Neumann como de Turing, describían computadoras de programas almacenados, pero al ser anterior el artículo de von Neumann, consiguió mayor circulación y repercusión, así que la arquitectura de computadoras que esbozó adquirió el nombre de "arquitectura von Neumann". En la publicación de 1953 Faster than Thought: A Symposium on Digital Computing Machines (Más rápido que el pensamiento: Un Simposio sobre Máquinas informáticas digitales -editado por BV Bowden-), una sección en el capítulo sobre Computers in America (Computadoras en América) dice lo siguiente:

La Máquina del Instituto de Estudios Avanzados, Princeton

En 1945, el profesor J. von Neumann, que en ese entonces trabajaba en la Escuela Moore de Ingeniería en Filadelfia, donde se había construido el ENIAC, emitido en nombre de un grupo de sus compañeros de trabajo un informe sobre el diseño lógico de las computadoras digitales. El informe contenía una propuesta bastante detallada para el diseño de la máquina que, desde entonces, se conoce como la EDVAC (computadora de retardo variable discreta). Esta máquina ha sido recientemente completada en América, pero el informe von Neumann inspiró la construcción de la EDSAC (calculadora automática de almacenamiento electrónico de retardo) en Cambridge (véase página 130).

En 1947, Burks, Goldstine y von Neumann publicaron un informe en el que describen el diseño de otro tipo de máquina (una máquina paralela en este momento) que debería ser muy rápida, capaz de hacer 20 000 operaciones por segundo. Señalaron que el problema persistente en la construcción de tal máquina estaba en el desarrollo de una memoria adecuada, todos los contenidos de los cuales fueron instantáneamente accesibles, y al principio se sugirió el uso de un tubo especial –llamado Selectron– que había sido inventado por los laboratorios de Princeton de la RCA. Estos tubos son caros y difíciles para fabricar, así Von Neumman decidió construir una máquina basada en la memoria de Williams. Esa máquina que se completó en junio de 1952 en Princeton se ha conocido como MANIAC I. El diseño de esta máquina que ha sido inspirado de una docena o más de máquinas que están actualmente en construcción en América.

En el mismo libro, los dos primeros párrafos de un capítulo sobre ACE dicen lo siguiente:

Cálculo automático en el laboratorio nacional de física

Uno de los equipos digitales más modernos que incorpora novedades y mejoras en la técnica de la computación electrónica ha sido demostrado en el Laboratorio Nacional de Física, Teddington, donde ha sido diseñado y construido por un pequeño equipo de matemáticos e ingenieros electrónicos investigadores sobre el personal del laboratorio, asistido por ingenieros de producción de la compañía eléctrica inglesa. El equipo construido hasta ahora en el laboratorio es solo el modelo piloto de muchas instalaciones muy grandes que se va a conocer como el motor de cálculo automático, pero aunque es relativamente pequeño en volumen y contiene solo 800 válvulas termoiónicas, es una máquina de cálculo muy rápido y versátil.

Los conceptos básicos y principios abstractos de la computación por una máquina fueron formuladas por el Dr A. M. Turing, en un papel¹ leído ante la Sociedad Matemática de Londres en 1936, pero el trabajo en dichas máquinas en el Reino Unido se retrasó por la guerra. En 1945, se hizo una revisión al problema en el laboratorio nacional de Física por el profesor J. R. Womersley. Se le adjuntó al Dr. Turing un pequeño equipo de especialistas, y en 1947 la planificación preliminar fue lo suficientemente avanzada como para justificar el establecimiento del grupo especial ya mencionado. En abril de 1948, estos últimos pasaron a estar en la sección de electrónica del laboratorio, bajo el cargo del Sr. F. M. Colebrook.

Definición formal

Las computadoras son máquinas de arquitectura von Neumann cuando:

1. Tanto los programas como los datos se almacenan en una memoria en común. Esto hace posible la ejecución de comandos de la misma forma que los datos.
2. Cada celda de memoria de la máquina se identifica con un número único, llamado dirección.
3. Las diferentes partes de la información (los comandos y los datos) tienen diferentes modos de uso, pero la estructura no se representa en memoria de manera codificada.
4. Cada programa se ejecuta de forma secuencial que, en el caso de que no haya instrucciones especiales, comienza con la primera instrucción. Para cambiar esta secuencia se utiliza el comando de control de transferencia.

Estructura clásica de las máquinas von Neumann

Una máquina von Neumann, al igual que prácticamente todos los computadores modernos de uso general, consta de cuatro componentes principales:

1. Dispositivo de operación (DO), que ejecuta instrucciones de un conjunto especificado, llamado sistema (conjunto) de instrucciones, sobre porciones de información almacenada, separada de la memoria del dispositivo operativo (aunque en la arquitectura moderna el dispositivo operativo consume más memoria -generalmente del banco de registros-), en la que los operandos son almacenados directamente en el proceso de cálculo, en un tiempo relativamente corto
2. Unidad de control (UC), que organiza la implementación consistente de algoritmos de decodificación de instrucciones que provienen de la memoria del dispositivo, responde a situaciones de emergencia y realiza funciones de dirección general de todos los nodos de computación. Por lo general, el DO y la UC conforman una estructura llamada CPU. Cabe señalar que el requisito es consistente, el orden de la memoria (el orden del cambio de dirección en el contador de programa) es fundamental a la hora de la ejecución de la instrucción. Por lo general, la arquitectura que no se adhiere a este principio no se considera von Neumann
3. Memoria del dispositivo — un conjunto de celdas con identificadores únicos (direcciones), que contienen instrucciones y datos.
4. Dispositivo de E/S (DES), que permite la comunicación con el mundo exterior de los computadores, son otros dispositivos que reciben los resultados y que le transmiten la información al computador para su procesamiento.

Primeras computadoras basadas en arquitectura von Neumann

La primera saga se basaba en un diseño que fue utilizado por muchas universidades y empresas para construir sus computadoras. Entre estas, solo ILLIAC y ORDVAC tenían un conjunto de instrucciones compatible.

• Máquina Experimental de Pequeña Escala de Mánchester (SSEM), apodada "Baby" (Universidad de Mánchester, Inglaterra) hizo su primera ejecución exitosa de un programa almacenado el 21 de junio de 1948.
• EDSAC (Universidad de Cambridge, Inglaterra) fue el primer computador electrónico práctico de programa almacenado (mayo de 1956)
• Manchester Mark I (Universidad de Mánchester, Inglaterra) Desarrollado a partir de la SSEM (junio de 1947)
• CSIRAC (Consejo de Investigación Científica e Industrial) Australia (noviembre de 1949)
• EDVAC (Laboratorio de Investigación Balística, Laboratorio de Informática de Aberdeen Proving Ground, 1951)
• ORDVAC (U-Illinois) en Aberdeen Proving Ground, Maryland (completado en noviembre de 1951)
• IAS machine en Princeton University (enero 1952)
• MANIAC I en Laboratorio Científico Los Álamos (marzo de 1952)
• ILLIAC en la Universidad de Illinois, (septiembre de 1952)
• AVIDAC en Laboratorios Argonne National (1953)
• ORACLE en Laboratorio Nacional de Oak Ridge (junio de 1953)
• JOHNNIAC en RAND Corporation (enero de 1954)
• BESK en Estocolmo (1953)
• BESM-1 en Moscú (1952)
• DASK en Dinamarca (1955)
• PERM en Múnich (1956?)
• SILLIAC en Sídnei (1956)
• WEIZAC en Rehovoth (1955)

Primeras computadoras de programa almacenado

La información de la fecha en la siguiente cronología es difícil de establecer en el orden correcto. Algunas fechas son de la primera ejecución de un programa de pruebas, algunas fechas son de la primera vez que el equipo se demostró o completó, y algunas fechas son de la primera entrega o instalación.

• La IBM SSEC tenía la capacidad para tratar instrucciones como datos, y se demostró públicamente el 27 de enero de 1948. Esta capacidad fue reivindicada en una patente estadounidense. Sin embargo, fue parcialmente electromecánica, no totalmente electrónica. En la práctica, las instrucciones eran leídas desde una cinta de papel debido a su memoria limitada.
• La Mánchester SSEM (la bebé) fue la primera computadora completamente electrónica que ejecutaba un programa almacenado. Se corrió un programa de factoraje durante 52 minutos el 21 de junio de 1948, después de ejecutar un simple programa de división y un programa para demostrar que dos números eran primos entre sí.
• La ENIAC fue modificada para funcionar como un computador primitivo con programa almacenado de solo lectura (usando la tabla de funciones de programa ROM) y se demostró como tal el 16 de septiembre de 1948, ejecutando un programa de Adele Goldstine para von Neumann.
• La BINAC corrió algunos programas de prueba en febrero, marzo y abril de 1949, aunque no se terminó hasta septiembre de 1949.
• La Manchester Mark I desarrollada basada en el proyecto SSEM. En abril de 1949, con el fin de para ejecutar programas, se hizo disponible una versión intermedia de la Mark 1, pero no se terminó hasta octubre de 1949.
• La EDSAC corrió su primer programa el 6 de mayo de 1949.
• La EDVAC fue presentada en agosto de 1949, pero tuvo problemas que la mantuvieron fuera de su puesta en funcionamiento regular hasta 1951.
• La CSIR Mark I corrió su primer programa en noviembre de 1949.
• La SEAC fue demostrada en abril de 1950.
• La Pilot ACE corrió su primer programa el 10 de mayo de 1950 y fue demostrada en diciembre de 1950.
• La SWAC se completó en julio de 1950.
• La Computadora Whirlwind se completó en diciembre de 1950 y estuvo en uso real en abril de 1951.
• La ERA 1101 (más tarde la ERA 1101/UNIVAC 1101 comercial) se instaló en diciembre de 1950.

Evolución

Evolución de la arquitectura del bus simple del sistema

A lo largo de las décadas de los años 1960 y 1970, las computadoras se hicieron, en general, tanto más pequeñas como rápidas, lo que llevó a algunas evoluciones en su arquitectura. Por ejemplo, el mapeado en memoria de E/S permitió que los dispositivos de entrada y salida fueran tratados de la misma como la memoria. Un único bus de sistema podría ser utilizado para proporcionar un sistema modular con un menor coste. A veces esto se denomina "racionalización" de la arquitectura. En las décadas siguientes, los microcontroladores sencillos permitirían algunas veces omitir características del modelo a menor costo y tamaño. Las computadoras más grandes añadían características para un mayor rendimiento.

Cuello de botella de von Neumann (von Neumann bottleneck)

El canal de transmisión de los datos compartido entre CPU y memoria genera un cuello de botella de von Neumann, un rendimiento limitado (tasa de transferencia de datos) entre la CPU y la memoria en comparación con la cantidad de memoria. En la mayoría de computadoras modernas, la velocidad de comunicación entre la memoria y la CPU es más baja que la velocidad a la que puede trabajar esta última, reduciendo el rendimiento del procesador y limitando seriamente la velocidad de proceso eficaz, sobre todo cuando se necesitan procesar grandes cantidades de datos. La CPU se ve forzada a esperar continuamente a que lleguen los datos necesarios desde o hacia la memoria. Puesto a que la velocidad de procesamiento y la cantidad de memoria han aumentado mucho más rápidamente que el rendimiento de transferencia entre ellos, el cuello de botella se ha vuelto más que un problema, un problema cuya gravedad aumenta con cada nueva generación de CPU.

El término “cuello de botella de von Neumann” fue acuñado por John Backus en su conferencia de la concesión del Premio Turing ACM de 1977. Según Backus:

«Seguramente debe haber una manera menos primitiva de realizar grandes cambios en la memoria, que empujando tantas palabras hacia un lado y otro del cuello de botella de von Neumann. No solo es un cuello de botella para el tráfico de datos, sino que, más importante, es un cuello de botella intelectual que nos ha mantenido atados al pensamiento de "una palabra a la vez" en vez de fomentarnos el pensar en unidades conceptuales mayores. Entonces la programación es básicamente la planificación del enorme tráfico de palabras que cruzan el cuello de botella de von Neumann, y gran parte de ese tráfico no concierne a los propios datos, sino a dónde encontrar estos.»

El problema de rendimiento puede ser aliviado (hasta cierto punto) utilizando diversos mecanismos. Ofreciendo una memoria caché entre la CPU y la memoria principal, proporcionando cachés separadas o vías de acceso independientes para datos e instrucciones (la llamada arquitectura Harvard modificada), utilizando algoritmos y lógica de predictor de saltos y proporcionando una limitada pila de CPU u otro en el chip de memoria reutilizable para reducir el acceso a memoria, son cuatro de las maneras que se dispone para aumentar el rendimiento. El problema también se puede eludir, en cierta medida, usando computación paralela, utilizando por ejemplo la arquitectura de acceso a memoria no uniforme (NUMA), —este enfoque es comúnmente empleado por las supercomputadoras. Está menos claro si el cuello de botella intelectual que criticaba Backus ha cambiado mucho desde 1977. La solución que propuso Backus no ha tenido influencia importante. La moderna programación funcional y la programación orientada a objetos se preocupan mucho menos de "empujar un gran número de palabras hacia un lado a otro" que los lenguajes anteriores como era Fortran, pero internamente, esto sigue siendo lo que las computadoras pasan gran parte del tiempo haciendo, incluso las supercomputadoras altamente paralelas.

A partir de 1996, un estudio de referencia de base de datos se encontró que tres de cada cuatro ciclos de CPU se dedican a la espera de memoria. Los investigadores esperan que el aumento del número de instrucciones simultáneas arroye con el multihilo o el multiprocesamiento de un solo chip hará que este cuello de botella aún peor.

Procesadores no von Neumann

El National Semiconductor (Semiconductor nacional) COP8 se introdujo en 1986; tiene una arquitectura Harvard modificada.

Tal vez el tipo más común de estructura no von Neumann se utiliza en las computadoras modernas es la memoria de contenido direccionable (CAM).

Véase también

En inglés: Von Neumann architecture Facts for Kids

• Arquitectura Harvard
• Little man computer
• Máquina de Turing