1.1电子计算机的兴起

Posted 2022-07-19 morwing

　　随着人类文明的进步，人们对计算能力的需求也越来越大。与此同时，科技的迅速发展也为强大计算能力的诞生奠定了基础。在这样的环境下，电子计算机就应运而生了。在这个过程中很多科学家、工程师和各行和业的人投入了大量的智慧和辛劳。而其中一个人是我们在谈论到计算机的组成结构时必须要提及的，因为我们今天所使用的计算机几乎全部采用了相同的结构，这个结构就是以他的名字命名的，而这个人就是冯·诺依曼。冯·诺依曼被誉为现代电子计算机之父。 

　　约翰莫克利，在宾夕法尼亚大学摩尔电机工程学院工作。他当时正和一个学生叫约翰埃克特在研制一种高速的电子计算设备，这台计算机被命名为 ENIAC，在一九四三年正式开始设计，由莫克利任首席顾问。当时正是硕士一年级的埃克特担任了首席工程师。1946 年的 2 月 14 日 ENIAC 在宾夕法尼亚大学完成。ENIAC共有 180000 个电子管组成。每秒钟可以完成5000次的加法。从性能上看每秒钟 5000 次加法远远不如现在我们的个人计算机，至于说它个头很大，倒也不能这么看。因为每一个时代性能最好的计算机都是庞然大物。现在的高性能超级计算机也动则占地数百平方米，重量上百吨。关于ENIAC的头衔，我们要注意一下。普遍认为，它是世界上第一台通用电子计算机。如果不加通用这两个字，恐怕还会有不小的争议。因为在他之前就已经有人设计出了电子计算机。

　　这台计算机叫 ABC，是由美国艾尔瓦州立大学 物理系的阿塔纳索夫副教授和他的学生贝里早在1939年设计完成的。更重要的是莫克利在设计ENIAC之前，就了解到了阿塔纳索夫的设计成果并多次找阿塔纳索夫探讨其设计原理。在 ENIAC 的设计过程中不可避免的借鉴了很多 ABC 的设计思想。在ENIAC 的设计过程中，正在寻找高性能设备的冯诺依曼也加入了进来，作为研制小组的顾问，冯诺依曼参与了很多讨论，并提出了自己的意见和建议。其中有一点非常的重要，我们先来看左边这张照片， 这是ENIAC原有四十块面板当中的四块。最左边那是ENIAC三块函数表当中的一块。我们可以看到ENIAC的面板上有很多开关连线，实际上这些开关连线就是控制ENIAC应该如何工作的。但是插拔这些开关是一件非常费时费力的工作，往往经过几天的配置连线才能让ENIAC重新进行一项计算。冯诺依曼指出ENIAC的开关定位和转插线只不过代表了一些数字信息。完全可以像受程序管理的数据一样存放于主存储器中。这就是后来的存储程序的概念，由于 ENIAC 已经开始制造，无法进行重大的修改，因此，在 ENIAC 完成之前研制小组就开始讨论下一代计算机的研制工作。后来，冯诺依曼形成了一份报告，这就是著名的关于EDVAC的报告草案。这份报告完成于 1945 年，并被分发给一些政府机关和科研机构的人阅读，这份报告详细的描述了一台名为EDVAC的计算机的设计方案。它所描述的计算机结构后来就被称为冯诺依曼计算机结构，简称冯诺依曼结构。今天我们所使用的计算机几乎全都是冯诺依曼结构。  

　　在 ENIAC 完成之前EDVAC的研制工作就已经开始了。EDVAC仍然是为美国弹道研究院设计，它实现了存储程序的概念，大幅提升了任务效率，所以它也被称为存储程序式计算机，也就是冯诺依曼结构式计算机。同时 EDVAC 还采用了二进制， 而不是 ENIAC 的十进制，极大的简化了逻辑线路。此外EDVAC还清晰的分成了五个基本部分，运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。如果说 ENIAC是世界上第一台电子计算机还存在争议的话，那关于谁是世界上第一台冯诺依曼结构计算机，人们对EDVAC 倒是毫无疑问，因为它肯定不是。那究竟是谁抢了先，研究了第一台冯.诺依曼结构计算机呢？这个人，在大西洋的彼岸。他是英国剑桥大学的莫里斯.威尔克斯。他以EDVAC为蓝本，设计制造了这台叫做EDSAC的计算机。这是一台冯.诺依曼结构的计算机。我们可以看到，它也有五个组成部分。这张较小的照片就是他的存储器。那么大家可能要问，当时EDVAC都还没有设计完成，威尔克斯是怎么照着EDVAC进行设计的呢？其实我们刚才说过，冯.诺依曼在完成了EDVAC的报告之后，这份报告就被送给了很多人阅读，引起了人们广泛的兴趣。很多机构都开始参照这个方案进行设计。当然。我们也得注意到，EDSAC在第一台的后面，还加了一个定语，叫做“实用的”。因为在它之前，1948年也有一台存储程序式计算机被研制出来。这是曼彻斯特的Sam.只不过那是一个实验性的设备，并不能实用。当然，如果较真的话，ENIAC在1948年也被改造成了存储程序式的计算机。这可是一台实用性的计算机。所以，在这个电子计算机刚刚兴起的时代，想争个第一也不是一件容易的事情。 

　　莫克利和埃克特创办了埃克特.莫克利计算机公司。并着手研究一台计算机，叫“UNIVAC"。UNIVAC的设计开始于他们自己的计算机公司。在1951年，第一台UNIVAC交给美国人口普查局使用。这就是UNIVAC。 

　　现在，电子计算机已经成为了推动社会进步的重要动力。也是我们生活中，不可或缺的组成部分。而现在计算机，基本上都采用了冯.诺伊曼结构。因此我们从下一节开始， 将一起来探索，究竟什么才是“冯.诺伊曼结构”？

 

Reference：北京大学陆俊林老师计算机组成原理课程

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