从存储程序到冯·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）

在所有计算机先驱中，冯·诺依曼和图灵一齐拥有着最高的知名度，但其实他的主要成就分布在其他领域。他首先是位伟大的数学家，在集合论、逻辑学、博弈论、代数学、几何学和拓扑学等各大分支都有卓越贡献，一生发表的150多篇论文中，120多篇都是数学论文；而后是一位物理学家，在量子力学和流体动力学中颇有建树；同时还是化学家和经济学家，是位令多数同行都只能望其项背的博学者。

他天赋异禀，6岁就能心算8位数除法，8岁便熟稔微积分，22岁获得布达佩斯大学数学博士学位。他能一字不差地背诵出曾经看过的名著，甚至电话本，他所知的历史知识甚至令普林斯顿大学的历史学教授都自愧不如。其心算能力和记忆力之强，曾令某位ENIAC小组的数学家感叹：还造什么计算机，他本身就是台计算机！

在与冯·诺依曼接触过的人中，越是高学识者越惊叹于他的超群智力。苏黎世联邦理工学院的教授乔治·波伊亚用“害怕”来形容自己对冯·诺依曼的感受，因为只要他在课堂上提到某个数学界的未解难题，冯·诺依曼很可能一下课就拿着完美的解答去和他讨论了。“原子能之父”恩利克·费米曾向曼哈顿计划的同事这样形容冯·诺依曼的心算能力：“他的心算速度是我的十倍，而我的心算速度已经是你的十倍了。”加拿大数学家海尔·比林则感叹：“想赶上冯·诺依曼是不可能，那种感觉就好像你骑着三轮车妄图追上汽车一样。”诺贝尔物理学奖获得者汉斯·贝特则不止一次半开玩笑地揣测：冯·诺依曼的大脑暗示着有比人类更先进的物种存在。

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。

参考文献

• 胡守仁. 计算机技术发展史（一）[M]. 长沙: 国防科技大学出版社, 2004.
• Wikipedia. John von Neumann[EB/OL].
• 百度百科. 约翰·冯·诺依曼[EB/OL].
• Wikipedia. First Draft of a Report on the EDVAC[EB/OL].
• Neumann J V. First Draft of a Report on the EDVAC[M]. Philadelphia: Moore School of Electrical Engineering University of Pennsylvania, 1945.

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1. 图灵机是一种抽象机器，图灵在提出它时并不考虑如何实现它。它所用的纸带可以映射为真实计算机用于输入输出的穿孔纸带，也可以映射为存储器，兼具两者功能，但其发挥的作用更偏向于后者。 ↩