什麽是馮·諾依曼體系結構?

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馮·諾依曼,20世紀最偉大的科學家之一,第一台電子計算機的研制者,他的主要貢獻是創立了計算機的邏輯理論,他設計的計算機邏輯結構奠定了後來計算機邏輯理論的基礎。現在就讓我們回顧一下這位科學巨擘和他的天才發明吧。

20 世紀 30 年代,電子學的發展以及研制穿孔卡片式統計分析機的經驗,爲創立電子計算機提供了主要的技術前提。當時,負責研制第一台計算機即 ENIAC機的主要是一些物理學家和工程師,例如:負責電子計算機總設計方案的是物理學家John W.Mauchly,負責解決制造中的工程技術問題的總工程師是人J.PresperEckert,負責科研管理的是Godesting。雖然ENIAC的制造采用了當時最先進的電子技術,但由于存儲容量太小、程序不能存儲其中等缺陷,極大地了機器的運算速度,它的先天不足預示著計算機需要更合理的結構設計。盡管從當時的技術條件看已具備制造通用電子計算機的條件,但在計算機的結構設計上還缺乏原理指導。關鍵時刻,馮·諾依曼的出現使問題得以解決。

馮·諾依曼來到摩爾學院,參觀了正在建造的ENIAC電子計算機。在研制現場,他提出的第一個問題就是: 計算機的邏輯結構是什麽? 這恰是問題的要害。

此後,馮·諾依曼在摩爾學院新機器的邏輯結構的研究。在他之前,研究小組主要關注的是技術問題,自從他來了之後,他就成了邏輯問題的引導者。

在20世紀30年代,信息工程和理想計算機理論引發了馮·諾依曼對信息處理理論的興趣,而麥卡洛克和皮茨在《神經活動中思想內在性的邏輯演算》中提出用簡單的數算來模擬大腦的複雜運作給他留下了深刻的印象。

爲此,著名的“馮諾依曼結構”誕生了。 此種結構由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五部分組成。其存儲程序原理的基本點是程序驅動。

從EDVAC到當前最先進的計算機都采用的是上述結構。所以馮·諾依曼是當之無愧的數字計算機之父。

Godesting 評價說:“就我所知,馮·諾依曼是第一個把計算機的本質理解爲行使邏輯功能而電只是輔助設施的人。他不僅是這樣理解的,而且詳細地研究了這兩個方面的作用以及相互的影響。現在看來,這似乎非常陳腐不值一提,但 在1944 年,這是思想上的偉大進步。在給馮·諾依曼的信中,我這樣寫道,‘帶著強烈的興趣我仔細讀完了你的報告,我認爲它具有非常重要的價值,因爲它給出了機器的完整邏輯結構。’”

回顧馮·諾依曼和他的發現,不難體會他的科學研究思想同數學的緊密聯系,正如馮·諾依曼在一篇文章中指出: “在本文中,我們將嘗試不僅從數學的觀點,而且從工程師和邏輯學家( 即真正適合設計科學工具的人) 的觀點來探討(大規模計算) 機器。”

如今,計算機改變了世界,人工智能、大數據、神經網絡已然成爲刷爆朋友圈的科技熱搜詞。人們在不斷探索發現的同時,不妨回顧一下前輩們的成長故事:或許,科學創新離我們並不遙遠;畢竟,思想是超越時空的存在。

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