约翰·冯·诺依曼及冯诺伊曼式计算机简介

约翰·冯·诺依曼

冯·诺依曼 [1]   (John von Neumann,1903~1957),原籍匈牙利, 布达佩斯大学数学博士。 20世纪最重要的数学家之一1,在现代 计算机、 博弈论、 核武器和 生化武器等领域内的科学全才之一,被后人称为“计算机之父”和“博弈论之父(涯杰)”。 [2]  
先后执教于 柏林大学和 汉堡大学,1930年前往美国,后入美国籍。历任 普林斯顿大学、普林斯顿高级研究所教授, 美国原子能委员会会员。美国全国科学院院士。早期以算子理论、 共振论、 量子理论、 集合论等方面的研究闻名,开创了冯·诺依曼代数。 第二次世界大战期间为第一颗 原子弹的研制作出了贡献。为研制电子数字计算机提供了基础性的方案。1944年与摩根斯特恩(Oskar Morgenstern)合著《博弈论与经济行为》,是博弈论学科的奠基性著作。晚年,研究自动机理论,著有对人脑和计算机系统进行精确分析的著作《计算机与人脑》。
主要著作有《 量子力学的数学基础》(1926)、《计算机与人脑》(1958)、《 经典力学的算子方法》、《博弈论与经济行为》(1944)、《连续几何》(1960)等。
冯·诺依曼计算机 【von Neumann machine】 使用 冯诺依曼体系机构的 电子数字计算机。1945年6月,冯·诺依曼提出了在数字计
算机内部的 存储器中存放程序的概念(Stored Program Concept),这是所有现代电子计算机的模板,被称为“冯· 诺依曼结构”,按这一结构建造的电脑称为 存储程序计算机(Stored Program Computer),又称为 通用计算机。 冯·诺依曼计算机主要由 运算器、控制器、存储器和输入 输出设备组成,它的的特点是:程序以 二进制代码的形式存放在存储器中;所有的指令都是由 操作码和 地址码组成;指令在其存储过程中按照执行的顺序进行存储;以运算器和控制器作为计算机结构的中心等。 冯诺依曼计算机广泛应用于数据的处理和控制方面,但是存在一定的局限性。

冯诺依曼理论的要点是:数字计算机的数制采用 二进制;计算机应该按照程序 顺序执行。 [1]  
人们把冯诺依曼的这个理论称为 冯诺依曼体系结构。从EDVAC到当前最先进的计算机都采用的是冯诺依曼体系结构。所以冯诺依曼是当之无愧的 数字计算机之父。
根据冯诺依曼体系结构构成的计算机,必须具有如下功能:
把需要的程序和数据送至计算机中。
必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力。
能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力。
能够根据需要控制程序走向,并能根据指令控制机器的各部件协调操作。
能够按照要求将处理结果输出给用户。
为了完成上述的功能,计算机必须具备五大基本组成部件,包括:
输入数据和程序的输入设备;记忆程序和数据的 存储器;完成数据加工处理的 运算器;控制程序执行的控制器输出处理结果的 输出设备。

发明过程

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现在一般认为ENIAC机是世界第一台电子计算机,它是由美国科学家研制的,于1946年2月14日在 费城开始运行.其实由汤米、费劳尔斯等英国科学家研制的"科洛 萨斯"计算机比ENIAC机问世早两年多,于1944年1月10日在布莱奇利园区开始运行.ENIAC机证明电子真空技术可以大大地提高计算技术,不过,ENIAC机本身存在两大缺点:(1)没有 存储器;(2)它用布线接板进行控制,甚至要搭接几天,计算速度也就被这一工作抵消了.ENIAC机研制组的莫克利和 埃克特显然是感到了这一点,他们也想尽快着手研制另一台计算机,以便改进.
1944年,冯·诺伊曼参加原子弹的研制工作,该工作涉及到极为困难的计算。在对原子核反应过程的研究中,要对一个反应的传播做出“是”或“否”的回答。解决这一问题通常需要通过几十亿次的数学运算和逻辑指令,尽管最终的数据并不要求十分精确,但所有的中间运算过程均不可缺少,且要尽可能保持准确。他所在的洛·斯阿拉莫斯实验室为此聘用了一百多名女计算员,利用台式计算机从早到晚计算,还是远远不能满足需要。无穷无尽的数字和逻辑指令如同沙漠一样把人的智慧和精力吸尽。
被计算机所困扰的诺伊曼在一次极为偶然的机会中知道了ENIAC计算机的研制计划,从此他投身到计算机研制这一宏伟的事业中,建立了一生中最大的丰功伟绩。
1944年夏的一天,正在火车站候车的冯·诺伊曼巧遇戈尔斯坦,并同他进行了短暂的交谈。当时,戈尔斯坦是美国弹道实验室的军方负责人,他正参与ENIAC计算机的研制工作。在交谈在,戈尔斯坦告诉了冯·诺伊曼有关ENIAC的研制情况。具有远见卓识的冯·诺伊曼为这一研制计划所吸引,他意识到了这项工作的深远意义。
冯·诺依曼由ENIAC机研制组的戈尔德斯廷中尉介绍参加ENIAC机研制小组后,便带领这批富有创新精神的年轻科技人员,向着更高的目标进军.1945年,他们在共同讨论的基础上,发表了一个全新的"存储程序通用电子计算机方案"--EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer的缩写).在这过程中,冯·诺依曼显示出他雄厚的数理基础知识,充分发挥了他的顾问作用及探索问题和综合分析的能力。诺伊曼以“关于EDVAC的报告草案”为题,起草了长达101页的总结报告。报告广泛而具体地介绍了制造电子计算机和程序设计的新思想。这份报告是计算机发展史上一个划时代的文献,它向世界宣告:电子计算机的时代开始了。
EDVAC方案明确奠定了新机器由五个部分组成,包括: 运算器、逻辑控制装置、 存储器、输入和 输出设备,并描述了这五部分的职能和相互关系.报告中,诺伊曼对EDVAC中的两大设计思想作了进一步的论证,为计算机的设计树立了一座里程碑。
EDVAC设计思想之一是 二进制,他根据电子元件双稳工作的特点,建议在电子计算机中采用二进制。报告还提到了二进制的优点,并预言,二进制的采用将大简化机器的逻辑线路。


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