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冯·诺伊曼计算机的诞生

时间:2019-01-09   来源:尚学堂   阅读:360

  早期的计算机都是专用计算机,是不可编程的,例如常见的计算器,虽然能轻松的完成基本数学运算,但是你要是想拿来做文字处理,表格处理,或者玩游戏那是肯定不可能了。

  因为这些机器内部的电路和一个特定的程序密切相关,对于这些计算机来讲,重新编程就意味着完全从头开始设计,加工,制造一个全新的机器出来,当然新的机器依然是专用的。

  假设时间回到上个世纪40年代,领导让你设计一台通用计算机,你会怎么做?

  首先你要考虑的是,这样的计算机在理论上是否可?#26657;?#22914;果理论上都造不出来,那就别白费力气了。

  你最不擅长的就是数学理论,苦思冥想还是找不到答案,突然有一天看到一篇划时代的论文,就像跌入山崖而无意中得到一本武林秘籍一样让你?#32769;?#33509;狂。

  这个论文叫做《可计算数字及其在判断性问题中的应用》,作者阿兰·图灵,他在论文中提出了一个假想的机器,后来被称为图灵机。

  这个机器看起来如此的简单,只有一个无限长的纸带,一个读写头,一个状态集合,再加上一个规则表(程序)。

  但是你敏锐的意识到:这个机器证明了通用计算理论,肯定了计算机实现的可能性,同时它给出了计算机应有的主要架构。

  理论问题被解决了,那就回到通用计算机的设计问题上来吧,既然要“通用?#20445;?#37027;肯定要允许大家写各种各样的程序,计算机的硬件设备肯定不能和某个程序绑定。

  一个偶然的机会,你听?#24403;?#22805;法尼亚大学发明了一个叫做ENIAC的机器,这个拥有1.8万个真?#23637;埽?#38271;30多米,重大30吨的庞然大物每秒竟然能执行5000次加法和400次乘法,让你惊叹不已。

  但是你仔细研究?#38498;?#23601;发现了它的一个重大?#27605;藎?#32534;程极为困难,虽然这台计算机支持顺序,循环,分支,子程序等操作,但是却是用电路板上的开关来输入的。

  想把一个程序输入计算机通常得好几周:程序首先要在纸上写出来,然后在花好几天的时间来操作开关和电缆,还要验证和调试,但是这一切做好?#38498;螅?#36816;行时间可能只有几分钟。由于设计和输入程序的时间开销太大,计算机运行速度快的优势就被抵销了。

  如果程序切换?#38498;螅?#24819;再次运行上一个程序,还得重新把开关和电缆操作一遍,让人抓狂。

  如果能把程序存储下来该多好,需要运行了,?#19994;?#23427;运行就行了。

  存储程序,这并不是一个全新的想法,当然,想把程序存储下来,需要定义一下机器的“指令集?#20445;?#36825;样各种各样的程序才用指令集中的指令描述出来,方便存储。

  你决定和ENIAC的EckertandMauchly一起工作,改进ENIAC,同组的还有一个叫做冯·诺伊曼的大科学家作为顾问,要知道冯·诺伊曼可是一个全才科学家,在量子理论,集合论,博弈论都有重大?#27605;祝?#20182;深厚的数学功底,探索问题和综?#25103;?#26512;的能力给了你们极大的帮助。

  针对ENIAC的缺点,你们提出了一个全新的计算机体?#21040;?#26500;:

  在这个结构中一个程序由若干指令组成,在运行之前,要被“?#35834;健?#26576;个地方,你把这个地方称为存储器(内存),可以把内存比喻成包含一个个格子的东西,每个格子里放一条指令。

  一个叫控制器的东西去读取“格子“中这个程序的第一条指令,分析指令到底要做什么事情,然后运算器去执行这个指令,执行完第一条就接着执行第二条,如此一直运行下去......

  控制器和运算器是如此紧密的在一起工作,你决定把它叫做处理器。

  很多程序不仅仅是简单的运算,大部分情况下还要把运算的结果放回到内存的“格子”?#26657;?#29616;在有个问题困扰着你,内存中已经有指令了,也要把数据?#35834;?#36825;里吗?

  经过谨慎的思考,你们做了一个艰难的决定:把指令和数据?#35834;?#21516;一个内存?#26657;?#36825;样一来处理器在同一时刻,要么是在读取指令,要么是在存取数据,两件事不可能同时进?#26657;?#36825;自然带来了一些性能的问题。

  但是你坚信这样的设计结构简单,成本低,容?#36164;迪郑?#19968;定要坚持。

  为了做人机?#25442;ィ?#36824;得有输入设备和输出设备来做辅助。

  你们根据电子元件的特点,抛弃了ENIAC所使用的10进制,转而使用二进制,采用布尔代数的逻辑运算,这极大的简化了电路的设计。

  后来冯·诺伊曼根据这个设计写了一篇草稿论文,叫做《FirstDraftofaReportontheEDVAC》,很不幸,这份长达101页的草稿论文上只有一个人的名字:冯·诺伊曼,其他人,包括ENIAC的EckertandMauchly都被忽略了。

  这份论文广为流传,深深的影响了下一代计算机的设计,人们把遵循这个结构的计算机称为冯·诺伊曼计算机。

  一个冯·诺伊曼计算机被抽象成5大组成部?#37073;?#25511;制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备。将近70过去了,它仍然?#25345;?#30528;现代计算机,时间证明了这是一个伟大的体?#21040;?#26500;。

  在冯·诺伊曼的时代,人们根本无法预料到光盘,网络,鼠标,键盘,触摸屏这些东西,但是他的结构经过几十年?#38498;?#20173;然能够支持这样的扩展,我想这就是是抽象的威力吧。

  我记得上高中的时候,物理老师说牛顿提出三定律?#38498;螅?#32463;典物理学的大厦已经建立起来的,后人的工作就在在楼内楼外做点装?#21619;?#24050;,直到相对论和量子力学的出现。

  而冯·诺伊曼结构提出后,计算机这么多年来基本没什么变化,无非就是追究速度更快,容量更大,显示更好而已,不知道量子计算机是不是未来的突破?

  (完)

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