冯诺依曼计算机的发展过程及特点

冯诺依曼计算机是现代计算机的雏形，其主要特点是采用存储程序的概念，将程序和数据存储在同一存储器中，以及采用二进制方式表示数据和指令。该计算机的发展历程经历了多次改进和升级，从最初的ENIAC到现代的超级计算机，计算速度和存储容量不断提升，功能不断完善，成为人类智慧的杰作。

冯诺依曼计算机是由冯·诺依曼于20世纪40年代提出的，它的发展过程经历了多个阶段。其特点包括：

1.存储程序：程序和数据存储在同一存储器中，可以随时读取和修改。

2.指令执行：计算机按照指令序列执行操作，实现算术、逻辑和控制功能。

3.二进制系统：计算机使用二进制表示数据和指令。

4.模块化设计：计算机由多个模块组成，每个模块负责不同的功能。

5.高速运算：冯诺依曼计算机采用了高速运算器和高速存储器，提高了计算速度。

6.可编程性：计算机可以根据不同的任务编写不同的程序，实现多种功能。冯诺依曼计算机的发展为现代计算机奠定了基础，成为计算机设计的基本原则。

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[1]，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5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

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。