冯·诺依曼简介

电脑教程 2021-10-12 09:42:30

在今天电脑已经成为生活、学习、娱乐的必备物品，但是你可曾想过为什么电脑要做成这个样子呢？

其实早在20世界初物理学家和数学家们已经在争论计算机的形态问题了。曾经出现过无数种计算机的设计方案，而总的来说大致分为两大类：模拟计算机和数字计算机。咦？提起计算机都说是数字时代、数字产品，难道还有模拟的计算机？

其实模拟计算机我们很多人都接触过，只不过以现在的标准很难看出这是个计算机啦。学过电工学的同学都知道有个放大电路，加法电路，积分电路，微分电路等等，这些电路就是构成模拟计算机的运算原件。通过组合不同的原件就能获得不同的运算函数，这就是模拟计算机的基本原理。模拟计算机的运算结果就变现在最终的电压、电流等参数上，因为精度与元器件的质量有很大关系，好处是模拟计算机可以使用人类最习惯的十进制计数法。

那些改变了世界的IT人（1）——冯·诺依曼-穆童博客

与模拟计算机对应的就是数字计算机，其实数字计算机在当时算是一个比较超前的设计，数字计算机不一定使用的是二进制（无数物理学家和数学家争论了差不多半个世纪），但是都有一个好处就是数字计算机的结果足够精确（针对数字计算而言）。但是计算机到底要怎么设计一直争论到20世纪中叶尚无定论。

1942年为爱荷华州立大学的约翰·文森特·阿塔纳索夫设计了全世界第一台电子管计算机（教科书上说是Eniac埃尼阿克是不对的），它使用了二进制数学，不可编程，只是用来求解线性方程组。不过这样的计算机显然是不能满足人类需要的。1945年冯·诺伊曼提出了自己关于计算机的结构与逻辑设计的方案，并参与了世界上第二台数字计算机Eniac埃尼阿克的研制工作。冯·诺依曼关于计算机结构的理论被后人称为冯·诺依曼理论，而采用此结构的计算机被称为冯·诺依曼结构（架构）计算机。时至今日，绝大多数的计算以仍然采用的是冯·诺依曼结构。

冯·诺依曼原理的基本理念包括两部分：1、计算机需要由五部分构成，分别为输入设备、输出设备、计算器、控制器、存储器；2、存储程序思想——把计算过程描述为由许多命令按一定顺序组成的程序，然后把程序和数据一起输入计算机，计算机对已存入的程序和数据处理后，输出结果。前者从功能和结构上统一了计算机设计思想，为计算机的软硬件发展提供了有利的平台；后者是则是编程和存储思想的前身。

冯·诺依曼对计算机的基本功能做出了如下定义：1、把需要的程序和数据送至计算机中，因此需要输入设备，也就是电脑通用的鼠标、键盘、触摸屏等；必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力，因此需要存储器，不过这里的存储器指的是CPU寄存器和内存，并不包括硬盘，光盘，U盘等外存；能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力，也就是需要运算器来完成计算机的运算功能；能够根据需要来控制程序走向，并能根据指令来控制机器的各部件协调操作，就是需要控制器来控制程序走向，控制器和运算器再加上之前的寄存器是现代CPU的三大主要部件；能够按照要求将处理结果输出给用户，就是需要由显示器、打印机等输出设备。这便是计算机能运行的最低硬件要求；置于显卡、声卡、网卡等都是在这些设备的基础上来完成的。

当然还有一个重点就是冯·诺依曼认为计算机应该抛弃十进制采用二进制，一则是元器件上比较容易实现，二则是二进制的逻辑运算简单。冯·诺依曼架构的计算机容错基本是0，举个例子，让计算机判断某个电位是1.1V还是1.2V也许很难，但是判断是高电平还是低电平则非常容易，以现在的观点来看就是使用二进制量化一切过程，想想后来那么多的量化指标，甚至连思想品德都能量化了，这估计也是受冯·诺依曼的影响吧。

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