冯诺依曼计算机的基本原理(计算机的历史(1)——
冯-诺依曼名字的由来
在中国,“冯”这个姓氏是很常见的。记得在上大学时,刚接触这个名字,有一种莫名的亲切感。,冯-诺依曼真的不姓冯。
冯-诺依曼出生在匈牙利首都布达佩斯,有个匈牙利语的名字,叫做亚诺什-诺依曼。他的父亲是一位顶尖的银行家,购买了一个爵位,诺依曼家族从此晋升为贵族,名字中也就多了中国人熟悉的“冯”字。
冯-诺依曼从小就展现出了惊人的数学天赋,小时候跟随父亲参加派对,就能在几秒钟的时间内,记住电话簿上整整一页的人名和电话。父亲希望他能子承父业,攻读商业,他的兴趣并不在这里,最终父子各让一步,冯-诺依曼读了化学专业。
1926年,年仅23岁的冯-诺依曼拿到了化学工程学位,同年,也难倒了数学博士学位。可见,在攻读化学专业时,并没有放下自己的爱好。在以后的日子里,冯诺依曼一直担任研究员、大学教授。
“埃德瓦克”的设计
20世纪30年代、40年代,全球各地的高校和研究所,兴起了研究和制作电子计算机的浪潮。从继电器时代,逐渐过渡到电子管时代。
为了加速二战的结束,1942年美国开展了曼哈顿计划,囊括了当时最顶尖的科学家。冯-诺依曼作为优秀的数学家,也收到了美国国防部的邀请,负责设计原子弹的外护层。要完成这项工作,需要大量的数学计算,所以,他需要一台全新的计算机,超过了当时的其他所有计算机性能。
即使是现在,设计一台超级计算机,还是一件很艰巨的任务。在1940年代,计算机还都是“专用”的,每台都有特定的指令,完成特定的计算。设计计算机,是要从头做起的,只有最顶尖的科学家,才能完成这项工作。
宾夕法尼亚大学当时正在设计一台通用计算机——电子数字积分计算机(The Electionic Numerical Integrator and Computer ENIAC),简称“埃尼阿克”。冯-诺依曼经常去拜访这个项目的设计者,并受邀参与了埃尼阿克的设计工作。很不幸,埃尼阿克的设计工作进展缓慢,军方等不及了。
于是,开始了一台新的计算机的设计——电子离散变量自动计算机(Electronic Discrete Variable Automatic Computer EDVAC),简称“埃德瓦克”。,冯-诺依曼也是设计团队中的一员。
埃德瓦克的设计比较顺利,几个月完成了项目。这个项目涉及到很多的新思想和新技术,主要解决数据的存储以及指令系统。这些有益的思考和成果,冯-诺依曼与1945年6月,撰写了一篇文章,对项目团队的设计理念进行了。这篇文章并没有公开发表过,算得上是一篇草稿,所以署名只有冯-诺依曼。
后来,这份草稿在全世界的研究人员里传播,大家都记住了冯-诺依曼这个名字。埃德瓦克项目的设计理念,是设计团队的成果,因为署名的问题,冯-诺依曼这个名字得以千古流芳,有其偶然性。,冯诺依曼开创性的研究,配得上这个殊荣。
冯-诺依曼体系结构影响
冯-诺依曼体系结构,主要包括五部分中央算术器——负责计算,执行加减乘除运算;中央控制器——负责条件判断,执行吓一跳语句;存储器——负责存储计算结果;输入设备——负责输入计算参数;输出设备——负责展示计算结果。
计算机已经发展了几十年,还是在冯诺依曼描述的体系结构上演进。
现代计算机中,中央算术器和中央控制器,都集成在了中央处理器,也就是CPU。存储器的随着技术的发展,变成了一个多层次的结构,从快速的寄存器、CPU内置缓存、内存,到中速慢速的SSD硬盘、机械硬盘,再到慢速的CD、磁带等等。输入设备除了常见的鼠标、键盘,还有触控板、触摸屏、扫描仪等。输出设备有屏幕、打印机、网络等等。
计算机的形态也变得各种各样。台式机、笔记本这两类,是计算机应该没有人会反对。现在我们使用的手机、电视、汽车,都有CPU,都可以算得上是一台计算机。智能穿戴设备、智能平衡车、扫地机器人甚至智能马桶,都是计算机。这些各式的、小巧的计算机,在性能上,能够秒杀冯-诺依曼花费几个月时间设计的,重量超过几十吨的计算机。冯-诺依曼如果在世,是应该高兴呢,还是不高兴呢?
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