计算机简史第四章 电子时代之冯诺依曼结构

机电时期，人们使用穿孔卡片或穿孔带编制程序，由于计算机的运算速度受限于机械动作，输入模块有充分的时间读取穿孔介质上的指令信息。

而到了电子时期，使用穿孔输入就远远跟不上电子运算的节奏了，因此，人们便利用旋钮、开关和接插线的不同位置来表示程序，虽然消除了控制与运算之间的速度差距，却使编程成为一件非常复杂的难事。

在 ENIAC 上设置一个实用程序，往往需要几个星期的时间，如非必要，使用者很少愿意修改它。因此，尽管 ENIAC 是通用的，却总在一段时间内只专用于某个问题（比如弹道计算），它的通用价值被大大削弱。而如果频繁地设置不同程序，机器在很大一部分时间里将无法运行，它的高速性能又被大大浪费。

聪明的读者或许已经想到：程序能不能像数据一样，通过穿孔介质输入之后长期驻存在机器内部的存储器中呢？这样一来，读取指令就和读取数据一样快了。

埃克特和莫奇利也想到了这一点，1944 年，在 ENIAC 还未建成之际，研制一台可以存储程序的新机器的申请就提交到了导弹实验室。导弹实验室同意了这个项目，并提供 10 万美元的预算。这台新机器名叫电子离散变量自动计算机（Electronic Discrete Variable Automatic Computer），简称 EDVAC。

原本，EDVAC 会和前辈 ENIAC 一样，悄悄地建成，风光地亮相，它将成为世界上第一台存储程序电子计算机，埃克特和莫奇利将为它申请一份专利，而这次不会再有谁质疑他们的原创性。然而故事并没有朝着这条既定路线展开，一位不期而至的“程咬金”使他们的原创变得不再纯粹，甚至，遮盖了他们应有的名气。他就是大名鼎鼎的约翰·冯·诺依曼（John von Neumann）。

约翰·冯·诺依曼（John von Neumann），1903-1957，美籍匈牙利人，数学家、物理学家、计算机科学家、博学家。（图片来自维基百科）

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二战期间，冯·诺依曼加入曼哈顿计划，此时的他已经拥有极高的学术地位。原子弹的研制涉及大量运算，洛斯·阿拉莫斯国家实验室在体验过机电计算机 Harvard Mark I 之后，对 ENIAC 寄予了更高的期望。

1944 年的夏天，冯·诺依曼作为顾问加入 ENIAC 项目，提出了许多建设性意见，并深度参与到 EDVAC 的讨论中。这期间，冯·诺依曼在 EDVAC 上投入了许多思考，他愈发觉得，EDVAC 不单是一个平凡的计算机项目，它潜藏着更深的理论意义。他想起图灵的论文，通用图灵机能够根据纸带上的策略信息模拟任意图灵机的行为，纸带是它是存储器 ，策略信息就是程序，这正是存储程序最早的思想萌芽，而他们现在所尝试的，正是用电子管将它变成现实！

1945 年 6 月，在一趟返回洛斯·阿拉莫斯国家实验室的列车上，完整的 EDVAC 已在冯·诺依曼脑中清晰可见，他奋笔疾书，写出了那篇长达 101 页，影响计算机历史走向的《EDVAC 报告书的第一份草案》。

草案不仅详述了 EDVAC 的设计，还为现代计算机的发展指明了道路：

1. 机器内部使用二进制表示数据；
2. 像存储数据一样存储程序
3. 计算机由运算器、控制器、存储器、输入模块和输出模块五部分组成。

这些在现在看来似乎是理所应当的原则，在当时却是一次划时代的总结。这份草案与其说是冯·诺依曼对 EDVAC 的设计描述，不如说是他对当时全世界计算机建造经验集大成式的高度提炼。

冯·诺依曼将计算机与神经细胞类比，运算器、控制器和存储器相当于联络神经元，输入模块和输出模块相当于感觉神经元和运动神经元。通俗地讲，就好比人拥有可以思考（处理信息）的大脑，并通过“感觉”获取来自世界的信息，通过“运动”去改变世界。计算机同样需要这样一个世界，那就是当时的穿孔介质、开关、旋钮、接插件，等等，统称外部记录媒体。

这种基于存储程序思想的计算机结构，后来被称为冯·诺依曼结构。冯诺依曼结构奠定了现代计算机的基调，放到今天，运算器和控制器就是 CPU 的主要组成部分，存储器主要对应为内存，输入和输出模块也被芯片化后集成到主板，外部记录媒体变得丰富多样，比如鼠标、键盘、显示器、触屏、手柄、硬盘、U 盘、音箱、话筒，等等。

冯·诺依曼结构

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这份草案很快流传开来，并轰动了整个计算机界，但作为 ENIAC 团队的共同成果，却只署了冯·诺依曼一个人的名字。命运又一次给埃克特和莫奇利开了个大玩笑，这不仅让 EDVAC 失去了巨大的专利价值，还让 ENIAC 团队失去了应得的声誉。尽管冯·诺依曼并非有意为之，埃克特和莫奇利也一再强调即使没有冯·诺依曼，他们也能给出同样的成果，但“冯·诺依曼结构”实在太过经典，这个名词早已深入人心。

而 EDVAC 的设计思想中，有多少属于埃克特和莫奇利，有多少又属于冯·诺依曼，这是个永远也解不开的谜。但至少，如果没有冯·诺依曼将设计方案抽象至理论层面，计算机世界的“大一统时代”可能还要推迟到来。

如果说图灵描绘了计算机的灵魂，那么冯·诺依曼则框定了计算机的骨架，后人所做的只是不断丰富计算机的血肉罢了。

1948 年 4 月，ENIAC 团队通过线路改造使 ENIAC 的函数表有了存储指令的能力，但其容量对于程序来说还是太小了。实现存储程序的关键是建造容量足够大的内部存储器，要既有不拖累电子运算的访问速度，也要有相对低廉的成本。一时间，计算机界百花齐放，涌现出各种不同的存储器。

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