Первый проект отчета о EDVAC (обычно сокращается до First Draft ) — неполный 101-страничный документ, написанный Джоном фон Нейманом и распространенный 30 июня 1945 года Германом Гольдстайном , офицером службы безопасности секретного проекта ENIAC . Он содержит первое опубликованное описание логического проектирования компьютера с использованием концепции хранимой программы , которая стала известна как архитектура фон Неймана ; название стало спорным из-за того, что фон Нейман не назвал имена других участников.
Фон Нейман написал отчет от руки, когда ехал на поезде в Лос-Аламос, штат Нью-Мексико , и отправил рукописные заметки обратно в Филадельфию . Голдстайн приказал напечатать и продублировать отчет. Хотя дата напечатанного отчета — 30 июня, 24 экземпляра первого черновика были розданы лицам, тесно связанным с проектом EDVAC, пятью днями ранее, 25 июня. Интерес к отчету привел к тому, что его разослали по всему миру; Морис Уилкс из Кембриджского университета назвал свое волнение по поводу содержания отчета толчком к своему решению поехать в Соединенные Штаты на лекции в школе Мура летом 1946 года.
Фон Нейман описывает детальный проект «очень высокоскоростной автоматической цифровой вычислительной системы». Он делит его на шесть основных подразделений: центральную арифметическую часть, CA; центральная часть управления, ЦУ; память, М; вход, я; выход, О; и (медленная) внешняя память R, такая как перфокарты , телетайпная лента , магнитная проволока или стальная лента .
CA будет выполнять сложение, вычитание, умножение, деление и извлечение квадратного корня. Другие математические операции, такие как логарифмы и тригонометрические функции, должны выполняться с помощью поиска по таблице и интерполяции , возможно, биквадратной . Он отмечает, что умножение и деление можно выполнять с помощью таблиц логарифмов, но чтобы таблицы оставались достаточно маленькими, потребуется интерполяция, а это, в свою очередь, требует умножения, хотя, возможно, с меньшей точностью.
Числа должны быть представлены в двоичной системе счисления . По его оценкам, 27 двоичных цифр (он не использовал термин « бит », который был придуман Клодом Шенноном в 1948 году) будет достаточно (что обеспечивает точность до 8 знаков после запятой), но округляет до 30-битных чисел со знаком и битом. чтобы отличать числа от порядков, в результате чего получается 32-битное слово, которое он называет второстепенным циклом. Следует использовать арифметику с дополнением до двух , упрощающую вычитание. Для умножения и деления он предлагает помещать двоичную точку после знакового бита, что означает, что все числа рассматриваются как находящиеся в диапазоне от -1 до +1 [a], и поэтому задачи вычислений должны масштабироваться соответствующим образом.
Вместо реле следует использовать вакуумные лампы, поскольку лампы способны срабатывать за одну микросекунду вместо 10 миллисекунд для реле.
Фон Нейман предлагает (раздел 5.6) делать компьютер максимально простым, избегая любых попыток повысить производительность за счет перекрытия операций. Арифметические операции должны выполняться по одной двоичной цифре за раз. По его оценкам, сложение двух двоичных цифр занимает одну микросекунду, и поэтому 30-битное умножение должно занять около 30 2 микросекунд или около одной миллисекунды, что намного быстрее, чем любое вычислительное устройство, доступное в то время.
Конструкция фон Неймана построена с использованием того, что он называет «Е-элементами», которые основаны на модели биологического нейрона [1] [2] , но представляют собой цифровые устройства, которые, по его словам, могут быть построены с использованием одной или двух электронных ламп. Говоря современным языком, его простейший элемент E представляет собой вентиль И с двумя входами и одним инвертированным входом (вход запрета). Элементы E с большим количеством входов имеют связанный порог и выдают выходной сигнал, когда количество положительных входных сигналов достигает порогового значения или превышает его, при условии, что (единственная) линия запрета не является импульсной. Он утверждает, что элементы E с большим количеством входов могут быть построены на основе простейшей версии, но предлагает создавать их непосредственно в виде ламповых схем, поскольку потребуется меньше ламп.
Из этих элементов E должны быть построены более сложные функциональные блоки. Он показывает, как использовать эти элементы E для построения схем сложения, вычитания, умножения, деления и извлечения квадратного корня, а также двух блоков памяти состояний и схем управления. Он не использует терминологию булевой логики .
Схемы должны быть синхронизированы с генератором тактовой частоты главной системы, полученным от лампового генератора , возможно, управляемого кристаллом . Его логические диаграммы включают символ стрелки, обозначающий единичную задержку, поскольку задержки необходимо учитывать в синхронном проекте. Он отмечает, что за одну микросекунду электрический импульс проходит 300 метров, так что до тех пор, пока тактовые частоты не станут намного выше, например, 10 8 циклов в секунду (100 МГц), длина провода не будет проблемой.
Необходимость обнаружения и исправления ошибок упоминается, но не уточняется.
Ключевая концепция проектирования, которая была сформулирована и позже названа архитектурой фон Неймана , представляет собой единую память, содержащую как числа (данные), так и приказы (инструкции).
«Это устройство требует значительной памяти. Хотя казалось, что различные части этой памяти должны выполнять функции, несколько различающиеся по своей природе и значительному назначению, тем не менее заманчиво рассматривать всю память как один орган и иметь ее части, по возможности взаимозаменяемые для различных функций, перечисленных выше». (раздел 2.5)
«Приказы, поступающие в ЦК, исходят из М, т. е. из того же места, где хранится числовой материал». (раздел 14.0)
Фон Нейман оценивает необходимый объем памяти на основе нескольких классов математических задач, включая обыкновенные уравнения и уравнения в частных производных , сортировку и вероятностные эксперименты . Из них уравнения в частных производных в двух измерениях плюс время потребуют наибольшей памяти, а три измерения плюс время выходят за рамки того, что можно было сделать с помощью доступных тогда технологий. Он приходит к выводу, что память будет самым большим подразделением системы, и предлагает в качестве цели проектирования 8192 младших цикла (слова) по 32 бита, при этом 2048 младших циклов все еще остаются полезными. По его оценкам, для хранения программы будет достаточно нескольких сотен второстепенных циклов.
Он предлагает два типа быстрой памяти: линию задержки и трубку иконоскопа . Каждый младший цикл должен рассматриваться как единица (словная адресация, раздел 12.8). Инструкции должны выполняться последовательно, со специальной инструкцией для переключения на другую точку памяти (т. е. командой перехода).
Двоичные цифры в памяти линии задержки проходят через линию и возвращаются в начало. Доступ к данным по линии задержки накладывает штраф по времени на ожидание повторного поступления нужных данных. Проанализировав эти проблемы синхронизации, он предлагает организовать память линии задержки в 256 «органов» линий задержки (DLA), каждый из которых хранит 1024 бита или 32 второстепенных цикла, называемых основным циклом. При доступе к памяти сначала выбирается DLA (8 бит), а затем младший цикл внутри DLA (5 бит), всего 13 бит адреса.
Что касается памяти иконоскопа, он понимает, что каждая точка сканирования на поверхности трубки является конденсатором и что конденсатор может хранить один бит. Потребуется сканирование с очень высокой точностью, а памяти хватит на короткое время, возможно, всего на секунду, и поэтому ее необходимо будет периодически копировать ( обновлять ).
В разделе 14.1 фон Нейман предлагает формат приказов, который он называет кодом. Типы заказов включают в себя основные арифметические операции, перемещение второстепенных циклов между CA и M (загрузка и сохранение слов в современных терминах), заказ( ы ), который выбирает одно из двух чисел на основе знака предыдущей операции, ввод и вывод, а также передачу CC в другую ячейку памяти (прыжок). Он определяет количество битов, необходимых для различных типов заказов, предлагает немедленные приказы , в которых следующее слово является операндом, и обсуждает желательность оставить запасные биты в формате заказа, чтобы обеспечить больше адресуемой памяти в будущем, а также другие неуказанные вопросы. целей. Обсуждается возможность хранения более одного заказа в малом цикле, но такой подход вызывает мало энтузиазма. Представлена таблица заказов, но в первый черновик не было включено обсуждение инструкций по вводу и выводу.
Выпуск и распространение отчета стали источником ожесточенной вражды между фракциями команды разработчиков EDVAC по двум причинам. [3] Во-первых, позднее отчет был признан публично раскрытым, что произошло более чем за год до подачи заявки на патент EDVAC, что сделало будущий патент не имеющим исковой силы; во-вторых, некоторые члены команды разработчиков EDVAC утверждали, что концепция хранимой программы возникла в результате встреч в Школе электротехники Мура Пенсильванского университета , предшествовавших работе фон Неймана в качестве консультанта там, и что большая часть работ, представленных в Первый черновик был не более чем переводом обсуждавшихся концепций на язык формальной логики , которым свободно владел фон Нейман. Следовательно, неспособность фон Неймана и Гольдстайна указать других авторов в качестве авторов в Первом проекте привела к тому, что заслуга была приписана только фон Нейману. (См. Эффект Мэтью и закон Стиглера .)