基本介紹
- 中文名：馮·諾依曼結構計算機
- 類型：體系
- 創建人：馮·諾依曼（John von Neumann）
- 創立時間：1949
體系結構,理論概述,發明過程,
體系結構
說到計算機的發展，就不能不提到匈牙利科學家馮諾依曼（曾在德國柏林大學任教）。從20世紀初，物理學和電子學科學家們就在爭論製造可以進行數值計算的機器應該採用什麼樣的結構。人們被十進制這個人類習慣的計數方法所困擾。所以，那時以研製模擬計算機的呼聲更為響亮和有力。20世紀30年代中期，匈牙利科學家馮諾依曼大膽地提出，拋棄十進制，採用二進制作為數字計算機的數制基礎。同時，他還說預先編制計算程式，然後由計算機來按照人們事前制定的計算順序來執行數值計算工作。
馮·諾依曼計算機 【von Neumann machine】 使用馮諾依曼體系機構的電子數字計算機。1945年6月，馮·諾依曼提出了在數字計算機內部的存儲器中存放程式的概念（Stored Program Concept），這是所有現代電子計算機的模板，被稱為“馮· 諾依曼結構”，按這一結構建造的電腦稱為存儲程式計算機（Stored Program Computer），又稱為通用計算機。馮·諾依曼計算機主要由運算器、控制器、存儲器和輸入輸出設備組成，它的的特點是：程式以二進制代碼的形式存放在存儲器中；所有的指令都是由操作碼和地址碼組成；指令在其存儲過程中按照執行的順序進行存儲；以運算器和控制器作為計算機結構的中心等。馮諾依曼計算機廣泛套用於數據的處理和控制方面，但是存在一定的局限性。
理論概述
根據馮諾依曼體系結構構成的計算機，必須具有如下功能：
把需要的程式和數據送至計算機中。
必須具有長期記憶程式、數據、中間結果及最終運算結果的能力。
能夠完成各種算術、邏輯運算和數據傳送等數據加工處理的能力。
能夠根據需要控制程式走向，並能根據指令控制機器的各部件協調操作。
能夠按照要求將處理結果輸出給用戶。
為了完成上述的功能，計算機必須具備五大基本組成部件，包括：
1：輸入數據和程式的輸入設備；
2：記憶程式和數據的存儲器；
3：完成數據加工處理的運算器；
4：控制程式執行的控制器；
5：輸出處理結果的輸出設備。
發明過程
1944年，馮·諾伊曼參加核子彈的研製工作，該工作涉及到極為困難的計算。在對原子核反應過程的研究中，要對一個反應的傳播做出“是”或“否”的回答。解決這一問題通常需要通過幾十億次的數學運算和邏輯指令，儘管最終的數據並不要求十分精確，但所有的中間運算過程均不可缺少，且要儘可能保持準確。他所在的洛·斯阿拉莫斯實驗室為此聘用了一百多名女計算員，利用台式計算機從早到晚計算，還是遠遠不能滿足需要。無窮無盡的數字和邏輯指令如同沙漠一樣把人的智慧和精力吸盡。
被計算機所困擾的諾伊曼在一次極為偶然的機會中知道了ENIAC計算機的研製計畫，從此他投身到計算機研製這一宏偉的事業中，建立了一生中最大的豐功偉績。
1944年夏的一天，正在火車站候車的馮·諾伊曼巧遇戈爾斯坦，並同他進行了短暫的交談。當時，戈爾斯坦是美國彈道實驗室的軍方負責人，他正參與ENIAC計算機的研製工作。在交談在，戈爾斯坦告訴了馮·諾伊曼有關ENIAC的研製情況。具有遠見卓識的馮·諾伊曼為這一研製計畫所吸引，他意識到了這項工作的深遠意義。
馮·諾依曼由ENIAC機研製組的戈爾德斯廷中尉介紹參加ENIAC機研製小組後，便帶領這批富有創新精神的年輕科技人員，向著更高的目標進軍．1945年，他們在共同討論的基礎上，發表了一個全新的"存儲程式通用電子計算機方案"--EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer的縮寫）．在這過程中，馮·諾依曼顯示出他雄厚的數理基礎知識，充分發揮了他的顧問作用及探索問題和綜合分析的能力。諾伊曼以“關於EDVAC的報告草案”為題，起草了長達101頁的總結報告。報告廣泛而具體地介紹了製造電子計算機和程式設計的新思想。這份報告是計算機發展史上一個劃時代的文獻，它向世界宣告：電子計算機的時代開始了。
EDVAC方案明確奠定了新機器由五個部分組成，包括：運算器、邏輯控制裝置、存儲器、輸入和輸出設備，並描述了這五部分的職能和相互關係．報告中，諾伊曼對EDVAC中的兩大設計思想作了進一步的論證，為計算機的設計樹立了一座里程碑。
EDVAC設計思想之一是二進制，他根據電子元件雙穩工作的特點，建議在電子計算機中採用二進制。報告還提到了二進制的優點，並預言，二進制的採用將大簡化機器的邏輯線路。
