计算机硬件系统

l “电 子 计 算 机 之 父 ” 的 桂 冠 ， 被 戴 在 数 学 家 冯 诺 依 曼 （ J.Von Neumann） 头 上 ， 而 不 是ENIAC的 两 位 实 际 研 究 者 ， 这 是 因 为 冯 诺 依曼 提 出 了 现 代 电 脑 的 体 系 结 构 。 l 冯 诺 依 曼 是 本 世 纪 最 伟 大 的 科 学 家 之 一 。 他 1913年 出 生于 匈 牙 利 首 都 布 达 佩 斯 ， 6岁 能 心 算 8位 数 除 法 ， 8岁 学 会 微积 分 ， 12岁 读 懂 了 函 数 论 。 通 过 刻 苦 学 习 ， 在 17岁 那 年 ，他 发 表 了 第 一 篇 数 学 论 文 ， 不 久 后 掌 握 七 种 语 言 ， 又 在 最新 数 学 分 支 集 合 论 、 泛 函 分 析 等 理 论 研 究 中 取 得 突 破性 进 展 。 22岁 ， 他 在 瑞 士 苏 黎 士 联 邦 工 业 大 学 化 学 专 业 毕业 。 一 年 之 后 ， 摘 取 布 达 佩 斯 大 学 的 数 学 博 士 学 位 。 转而 攻 向 物 理 ， 为 量 子 力 学 研 究 数 学 模 型 ， 又 使 他 在 理 论 物理 学 领 域 占 据 了 突 出 的 地 位 。 l 1928年 ， 美 国 数 学 泰 斗 韦 伯 伦 教 授 聘 请 这 位 26岁 的 柏 林大 学 讲 师 到 美 国 任 教 ， 冯 诺 依 曼 从 此 到 美 国 定 居 。 1933年 ， 他 与 爱 因 斯 坦 一 起 被 聘 为 普 林 斯 顿 大 学 高 等 研 究 院的 第 一 批 终 身 教 授 。 数 学 史 界 却 坚 持 说 ， 冯 诺 依 曼 是本 世 纪 最 伟 大 的 数 学 家 之 一 ， 他 在 遍 历 理 论 、 拓 扑 群 理论 等 方 面 作 出 了 开 创 性 的 工 作 ， 算 子 代 数 甚 至 被 命 名 为“ 冯 诺 依 曼 代 数 ” 。 l 物 理 学 界 表 示 ， 冯 诺 依 曼 在 30年 代 撰 写 的 量 子 力 学 的数 学 基 础 已 经 被 证 明 对 原 子 物 理 学 的 发 展 有 极 其 重 要的 价 值 ， 而 经 济 学 界 则 反 复 强 调 ， 冯 诺 依 曼 建 立 的 经 济增 长 模 型 体 系 ， 特 别 是 40年 代 出 版 的 著 作 博 弈 论 和 经济 行 为 ， 使 他 在 经 济 学 和 决 策 科 学 领 域 竖 起 了 一 块 丰碑 。 1957年 2月 8日 ， 冯 诺 依 曼 因 患 骨 癌 逝 世 于 里 德 医 院 ，年 仅 54岁 。 他 对 电 脑 科 学 作 出 的 巨 大 贡 献 ， 永 远 也 不 会 泯灭 其 光 辉 ！ l 1944年 夏 ， 戈 德 斯 坦 在 阿 贝 丁 车 站 等 候 去 费 城 的 火 车 ，偶 然 邂 逅 闻 名 世 界 的 大 数 学 家 冯 诺 依 曼 教 授 。 戈 德 斯坦 抓 住 机 会 向 数 学 大 师 讨 教 ， 冯 诺 依 曼 和 蔼 可 亲 ， 耐心 地 回 答 戈 德 斯 坦 的 提 问 。 听 着 听 着 ， 他 敏 锐 地 从 这些 数 学 问 题 里 ， 察 觉 到 不 寻 常 事 情 。 他 反 过 来 向 戈 德斯 坦 发 问 ， 直 问 得 年 轻 人 “ 好 像 又 经 历 了 一 次 博 士 论文 答 辩 ” 。 最 后 ， 戈 德 斯 坦 毫 不 隐 瞒 地 告 诉 他 莫 尔 学院 的 电 子 计 算 机 项 目 。 l 他 为 阿 贝 丁 试 炮 场 的 计 算 问 题 焦 虑 万 分 。 他 希 望 到 莫尔 学 院 看 看 ENIAC的 研 制 。l 从 此 ， 他 成 为 了 莫 尔 小 组 的 实 际 顾 问 ， 与 小 组 成 员 频繁 地 交 换 意 见 。 年 轻 人 机 敏 地 提 出 各 种 设 想 ， 冯 诺 依曼 则 运 用 他 渊 博 的 学 识 ， 把 讨 论 引 向 深 入 ， 并 逐 步 形成 电 子 计 算 机 的 系 统 设 计 思 想 。 l 在 尚 未 投 入 运 行 前 ， 冯 诺 依 曼 就 看 出 这 台 机 器 致 命 的缺 陷 ， 主 要 弊 端 是 程 序 与 计 算 两 分 离 。 程 序 指 令 存 放在 机 器 的 外 部 电 路 里 ， 需 要 计 算 某 个 题 目 ， 必 须 首 先用 人 工 接 通 数 百 条 线 路 ， 需 要 几 十 人 干 好 几 天 之 后 ，才 可 进 行 几 分 钟 运 算 。 冯 诺 依 曼 决 定 起 草 一 份 新 的 设计 报 告 ， 对 电 子 计 算 机 进 行 脱 胎 换 骨 的 改 造 。 他 把 新 机 器 的 方 案 命 名 为 “ 离 散 变 量 自 动 电 子 计 算 机 ” ， 英文 缩 写 是 “ EDVAC” l 1945年 6月 ， 冯 诺 依 曼 与 戈 德 斯 坦 、 勃 克 斯 等 人 ， 联名 发 表 了 一 篇 长 达 101页 纸 的 报 告 ， 即 计 算 机 史 上 著 名的 “ 101页 报 告 ” ， 直 到 今 天 ， 仍 然 被 认 为 是 现 代 电 脑科 学 发 展 里 程 碑 式 的 文 献 。 报 告 明 确 规 定 出 计 算 机 的五 大 部 件 ， 并 用 二 进 制 替 代 十 进 制 运 算 。 EDVAC方 案的 革 命 意 义 在 于 “ 存 储 程 序 ” ， 以 便 电 脑 自 动 依 次 执行 指 令 。 人 们 后 来 把 这 种 “ 存 储 程 序 ” 体 系 结 构 的 机器 统 称 为 “ 诺 依 曼 机 ” 。 l 由 于 种 种 原 因 ， 莫 尔 小 组 发 生 令 人 痛 惜 的 分 裂 ，EDVAC机 器 无 法 被 立 即 研 制 。 1946年 6月 ， 冯 诺 依 曼和 戈 德 斯 坦 、 勃 克 斯 回 到 普 林 斯 顿 大 学 高 级 研 究 院 ，先 期 完 成 了 另 一 台 ISA电 子 计 算 机 （ ISA是 高 级 研 究 院的 英 文 缩 写 ） ， 普 林 斯 顿 大 学 也 成 为 电 子 计 算 机 的 研究 中 心 。 l 直 到 1951年 ， 在 极 端 保 密 情 况 下 ， 冯 诺 依 曼 主 持 的EDVAC计 算 机 才 宣 告 完 成 ， 它 不 仅 可 应 用 于 科 学 计 算 ，而 且 可 用 于 信 息 检 索 等 领 域 ， 主 要 缘 于 “ 存 储 程 序 ”的 威 力 。 EDVAC只 用 了 3563只 电 子 管 和 1万 只 晶 体 二极 管 ， 以 1024个 44比 特 水 银 延 迟 线 来 储 存 程 序 和 数 据 ，消 耗 电 力 和 占 地 面 积 只 有 ENIAC的 1/3。 l 最 早 问 世 的 内 储 程 序 式 计 算 机 既 不 是 ISA， 也 不 是 EDVAC，英 国 剑 桥 大 学 威 尔 克 斯 （ M.Wilkes） 教 授 ， 抢 在 冯 诺 依 曼之 前 捷 足 先 登 。l 威 尔 克 斯 1946年 曾 到 宾 夕 法 尼 亚 大 学 参 加 冯 诺 依 曼 主 持 的培 训 班 ， 完 全 接 受 了 冯 诺 依 曼 内 储 程 序 的 设 计 思 想 。 回 国后 ， 他 立 即 抓 紧 时 间 ， 主 持 新 型 电 脑 的 研 制 ， 并 于 1949 年 5月 ， 制 成 了 一 台 由 3000只 电 子 管 为 主 要 元 件 的 计 算 机 ， 命名 为 “ EDSAC”（ 电 子 储 存 程 序 计 算 机 ） 。 威 尔 克 斯 后 来还 摘 取 了 1967年 度 计 算 机 世 界 最 高 奖 “图 林 奖 ” 。 l 在 冯 诺 依 曼 研 制 ISA电 脑 的 期 间 ， 美 国 涌 现 了 一 批 按照 普 林 斯 顿 大 学 提 供 的 ISA照 片 结 构 复 制 的 计 算 机 。 如 :洛 斯 阿 拉 莫 斯 国 家 实 验 室 研 制 的 MANIAC， 伊 利 诺斯 大 学 制 造 的 ILLAC。 雷 明 顿 兰 德 公 司 科 学 家 沃 尔（ W. Ware） 甚 至 不 顾 冯 诺 依 曼 的 反 对 ， 把 他 研 制 的机 器 命 名 为 JOHNIAC（ “ 约 翰 尼 克 ” ， “ 约 翰 ” 即冯 诺 依 曼 的 名 字 ） 。 冯 诺 依 曼 的 大 名 已 经 成 为 现 代 电脑 的 代 名 词 ， 1994年 ， 沃 尔 被 授 予 计 算 机 科 学 先 驱 奖 ，而 冯 诺 依 曼 本 人 则 被 追 授 予 美 国 国 家 基 础 科 学 奖 。 1.程 序 存 储 （ 解 决 人 工 干 预 ， 实 现 自 动 执 行 ）顺 序 指 令 集 程 序 存 储 指 令 计 数 器 自 动 执 行2.计 算 机 的 组 成五 部 分 ： 运 算 器 、 存 储 器 、 控 制 器 、 输 入 设 备 、 输 出 设 备三 部 分 ： CPU（ 运 算 器 、 控 制 器 ） 、 存 储 器 、 I/O设 备 （ 输 入设 备 、 输 出 设 备 ） 使 用 单 一 处 理 部 件 来 完 成 计 算 、 存 储 及 通 信 功 能 ； 线 性 组 织 的 定 长 存 储 单 元 （ 地 址 ） ； 存 储 空 间 的 单 元 是 直 接 寻 址 的 （ 地 址 ） ； 使 用 低 级 机 器 语 言 ， 其 指 令 完 成 基 本 操 作 码 的 简 单 操 作 ； 对 计 算 进 行 集 中 的 顺 序 控 制 （ 程 序 存 储 ） 。 首 次 提 出 “ 地 址 ” 和 “ 程 序 存 储 ” 的 概 念 。 虽 然 冯 诺 依 曼 结 构 是 计 算 机 发 展 的 基 石 ， 但 它 有 局 限性 。“ 集 中 的 顺 序 控 制 ” 是 计 算 机 发 展 的 “ 瓶 颈 ” ， 以 后计 算 机 理 论 的 发 展 ， 出 现 了 非 冯 诺 依 曼 结 构 的 计 算 机系 统 。重 要 性 在 于 多 机 和 并 行 处 理 的 概 念 是 计 算 机 发 展 的 最主 要 的 地 方 。