冯诺伊曼的计算机存储程序的设想

冯诺伊曼的计算机存储程序的设想

冯·诺伊曼的计算机存储程序的设想

事实上，今天所有的计算机，从1000美元的巨型计算机到装备手机和电子玩具的微型的单片机，都普遍具有同一个特点，即它们都属于“诺伊曼机”。它们都是同一的计算机基本结构的变种。而这种计算机的基本结构是由冯·诺伊曼在上个世纪四十年代根据图灵机的原理而建立的。有些人因为一生中只做了一件事情而变得声名显赫。而这位匈牙利出生的伟大的数学家，几乎参与了所有的事情。从量子力学到博弈论，他都做出极大的贡献。至于“诺伊曼机”，差不多只是他许多出色造诣和发明创造中的微不足道的一项。

约翰·冯·诺伊曼（John von Neumann），1903年12

月29日生于匈牙利首都布达佩斯的一个富裕的犹太家庭

里。小时侯，他就表现得像个神童，六岁时能用心算完成

八位数的除法，八岁时就自学微积分。当父母亲的朋友来

访，他的表演就是让客人指定电话号码簿的某一页，他粗

略地扫视一遍，然后一字不漏地将全页号码背出来。诺伊

曼学习兴趣广泛，主要方向在数学。他23岁时取得布达

佩斯大学的博士学位，便到德国柏林大学担任讲师。他是

柏林大学有史以来最年轻的教师。他在25岁已发表10篇

重要论文，30岁时已发表论文近40篇。

图00约翰·冯·诺伊曼

（1903 — 1957） 由于欧洲纳粹势力日益猖獗，诺伊曼离开德国来到美国，受聘于新泽西州普林斯顿的新成立的高等研究院。诺

伊曼是该院聘请的第一批四位研究员之一，其他的有爱因

斯坦、哥德尔等。这个研究院的完美的学术环境，为诺伊曼的无限创造天赋提供了良好的条件。他满腔热情地投身于一个又一个难以处理的问题中，从抽象数学，到量子力学，到许多实用问题，如天气预报、水文地理、火炮式样等。诺伊曼研究和建立的博弈论，成为数学的一个分支。它给一些变化的领域，如经济和进化理论，带来了新的洞察力。1997年诺贝尔经济学奖，奖给了博弈论。这是源自诺伊曼的学术思想而获得诺贝尔奖的第七项成果。

二战期间，诺伊曼参与了美国的“曼哈顿计划”，在制造原子弹和氢弹的工程中担任研究任务。他指导了有关原子弹设计的大型复杂的数学计算。在计算中，他们一开始依靠手工，后来依靠早期简单的电子计算器。1945年春，诺伊曼在普林斯顿火车站遇到了数学家戈德斯坦，后者正在与莫希莱、埃克特合作建造ENIAC计算机。当诺伊曼了解到这项计划后，马上就向戈德斯坦深入询问了逻辑设计的细节。三天后，他亲临现场，参观了ENIAC的工程，并参与了这一团队的研究。

ENIAC计算机采用的十进制方案，每个数有40位固定小数点的有效数字。乘法使用的是平行计算的设计。ENIAC工作原理是只将数据存储在机器的存储器中，程序并不存储在机器中。一旦计算完成，要改变程序，必须人工重新调整和接通电路板之间的线路。这项工作不仅复杂，而且耗时在两个小时以上。诺伊曼立刻抓到了问题的关键，和其他一些人合作，连续写出两份报告，其中重要的建议有：（1）使用二进制数；（2）序列执行指令；（3）事前设计好的程序，与数据一起都存放在计算机内部存储器中。诺伊曼的报告给出了现代计算机

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的结构模型，为以后电子计算机的设计指明了方

向。英国的EDSAC计算机就是世界首台遵循诺伊

曼的建议而建造的电子计算机。

战后，诺伊曼回到高等研究院。这时，他深

深地被电子计算机的科学技术所迷住了。虽然诺

伊曼心算的速度快得连当时的电子计算机都无法

超越，但是他意识到计算机对于应用数学的计算

的重要作用，意识到计算机代表着一种科技发展

的方向。他决意要在高等研究院制造一台电子计

算机。高等研究院是纯理性研究的学术机构，因

而那些理事会成员对于在研究院中建造电子计算

机心存疑虑。诺伊曼巧妙地说服了他们，最后赢得批准，拨款10万美元建造一台“诺伊曼机”。诺伊曼联合了RCA公司一起参与开发，RCA公司提供了阴极射线管（即威廉姆斯管）作为存储器，从而大大扩展了内存，使得诺伊曼存储程序的想法得以实现。1952年，这台名为IAS（Institute of Advance Study，即高等研究院）计算机正式建成。诺伊曼邀请了许多科学家来使用这台计算机。当时最为成功的应用就是天气预报。

至今，人们访问高等研究院档案室，还可以阅读到当年诺伊曼在建造和测试IAS计算

机时手写的试验记录。在技术数据和注释之

间，时常点缀着这样的文字：“清晨5时，

我在这儿整整干了一夜，但仍然不能发现问

题。我十分失望。我要上床去了。”由这种

我们程序员所熟悉的情感可以知道，诺伊曼

曾经也是一个超级计算机迷。

1957年，诺伊曼因骨癌逝世，年仅54

岁。许多国家和组织采用各种不同形式来纪

图00 诺伊曼与IAS计算机合影 念这位二十世纪最伟大的科学家。美国专门

为他发行了纪念邮票和纪念币。 图00 诺伊曼的计算机结构模型

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